Neben mechanischer Energie hat jeder Körper (oder System) innere Energie. Innere Energie ist Ruheenergie. Es besteht aus der thermisch chaotischen Bewegung der Moleküle, aus denen der Körper besteht, der potentiellen Energie ihrer relativen Position, der kinetischen und potentiellen Energie von Elektronen in Atomen, Nukleonen in Kernen und so weiter.

In der Thermodynamik ist es wichtig, nicht den absoluten Wert der inneren Energie zu kennen, sondern ihre Änderung.

Bei thermodynamischen Prozessen ändert sich nur die kinetische Energie bewegter Moleküle (thermische Energie reicht nicht aus, um die Struktur eines Atoms und erst recht eines Atomkerns zu verändern). Daher eigentlich unter innerer Energie in der Thermodynamik bedeutet Energie thermisch chaotisch Molekulare Bewegungen.

Innere Energie U Ein Mol eines idealen Gases ist gleich:

Auf diese Weise, Die innere Energie hängt nur von der Temperatur ab. Die innere Energie U ist eine Funktion des Zustands des Systems, unabhängig vom Hintergrund.

Es ist klar, dass im allgemeinen Fall ein thermodynamisches System sowohl innere als auch mechanische Energie haben kann und verschiedene Systeme diese Energiearten austauschen können.

Austausch mechanische Energie zeichnet sich durch Perfektion aus Arbeit A, und der Austausch von innerer Energie - die übertragene Wärmemenge Q.

Im Winter hat man zum Beispiel einen heißen Stein in den Schnee geworfen. Aufgrund der Reserve an potentieller Energie wurde mechanische Arbeit geleistet, um den Schnee zu zerkleinern, und aufgrund der Reserve an innerer Energie wurde der Schnee geschmolzen. Wenn der Stein kalt war, d.h. die Temperatur des Steins gleich der Temperatur der Umgebung ist, dann wird nur Arbeit verrichtet, aber es findet kein Austausch von innerer Energie statt.

Arbeit und Wärme sind also keine besonderen Energieformen. Sie können nicht über den Vorrat an Wärme oder Arbeit sprechen. Das Maß übertragen ein anderes System mechanischer oder innerer Energie. Wir können über die Reserve dieser Energien sprechen. Außerdem kann mechanische Energie in thermische Energie umgewandelt werden und umgekehrt. Wenn Sie beispielsweise mit einem Hammer auf einen Amboss schlagen, werden Hammer und Amboss nach einer Weile heiß (dies ist ein Beispiel Ableitung Energie).

Es gibt noch viele weitere Beispiele für die Umwandlung einer Energieform in eine andere.

Die Erfahrung zeigt, dass in allen Fällen die Umwandlung von mechanischer Energie in thermische Energie und umgekehrt erfolgt immer in streng äquivalenten Mengen. Dies ist die Essenz des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik, der aus dem Energieerhaltungssatz folgt.

Die dem Körper zugeführte Wärmemenge wird verwendet, um die innere Energie zu erhöhen und Arbeit am Körper zu verrichten:

,

(4.1.1)

- Das ist es erster Hauptsatz der Thermodynamik , oder Energieerhaltungssatz in der Thermodynamik.

Zeichenregel: wenn Wärme aus der Umgebung übertragen wird dieses System, und wenn das System Arbeit an den umgebenden Körpern verrichtet, während . Angesichts der Vorzeichenregel kann der erste Hauptsatz der Thermodynamik geschrieben werden als:

In diesem Ausdruck U ist die Systemzustandsfunktion; d U sein Gesamtdifferential ist und δ Q und ö ABER Sie sind nicht. In jedem Zustand hat das System einen bestimmten und nur einen solchen Wert an innerer Energie, sodass wir schreiben können:

,

Es ist wichtig zu beachten, dass die Hitze Q und Arbeit ABER hängen davon ab, wie der Übergang von Zustand 1 zu Zustand 2 erfolgt (isochor, adiabat usw.) und von der inneren Energie U hängt nicht ab. Gleichzeitig kann nicht gesagt werden, dass das System einen für einen gegebenen Zustand bestimmten Wärme- und Arbeitswert hat.

Aus Formel (4.1.2) folgt, dass die Wärmemenge in denselben Einheiten ausgedrückt wird wie Arbeit und Energie, d. h. in Joule (J).

Von besonderer Bedeutung in der Thermodynamik sind Kreis- oder Kreisprozesse, bei denen das System nach Durchlaufen einer Reihe von Zuständen in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Abbildung 4.1 zeigt einen Kreisprozess 1– a–2–b–1, während Arbeit A erledigt war.

Reis. 4.1

Als U ist dann die Zustandsfunktion

(4.1.3)

Dies gilt für jede Zustandsfunktion.

Wenn dann nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik, d.h. Es ist unmöglich, einen periodisch arbeitenden Motor zu bauen, der mehr Arbeit leisten würde, als ihm von außen zugeführte Energiemenge. Mit anderen Worten, ein Perpetuum Mobile der ersten Art ist unmöglich. Dies ist eine der Formulierungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik.

Es sei darauf hingewiesen, dass der erste Hauptsatz der Thermodynamik nicht angibt, in welche Richtung die Prozesse der Zustandsänderung gehen, was einer seiner Mängel ist.

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Bei welchen Prozessen findet eine Aggregatumwandlung von Materie statt?
Wie kann der Aggregatzustand verändert werden?

Sie können die innere Energie eines jeden Körpers verändern, indem Sie Arbeit verrichten, ihn erhitzen oder umgekehrt kühlen.
Beim Schmieden eines Metalls wird also Arbeit verrichtet und erhitzt, während gleichzeitig das Metall über einer brennenden Flamme erhitzt werden kann.

Auch wenn der Kolben fixiert ist (Abb. 13.5), ändert sich das Gasvolumen beim Erhitzen nicht und es wird keine Arbeit verrichtet. Aber die Temperatur des Gases und damit seine innere Energie steigt.

Die innere Energie kann zunehmen und abnehmen, sodass die Wärmemenge positiv oder negativ sein kann.

Der Vorgang, Energie von einem Körper auf einen anderen zu übertragen, ohne Arbeit zu leisten, wird als Energie bezeichnet Wärmeaustausch.

Als quantitatives Maß wird die Änderung der inneren Energie bei der Wärmeübertragung bezeichnet Menge an Wärme.

Molekulares Bild der Wärmeübertragung.

Beim Wärmeaustausch an der Grenze zwischen Körpern treten langsam bewegte Moleküle eines kalten Körpers in Wechselwirkung mit schnell bewegten Molekülen eines heißen Körpers. Dadurch gleichen sich die kinetischen Energien der Moleküle an und die Geschwindigkeiten der Moleküle eines kalten Körpers nehmen zu, während die eines heißen Körpers abnehmen.

Beim Wärmeaustausch findet keine Energieumwandlung von einer Form in eine andere statt, ein Teil der inneren Energie eines heißeren Körpers wird auf einen weniger erhitzten Körper übertragen.

Wärmemenge und Wärmekapazität.

Sie wissen bereits, dass, um einen Körper mit der Masse m von der Temperatur t 1 auf die Temperatur t 2 zu erwärmen, die Wärmemenge auf ihn übertragen werden muss:

Q \u003d cm (t 2 - t 1) \u003d cm Δt. (13.5)

Wenn der Körper abkühlt, stellt sich heraus, dass seine Endtemperatur t 2 kleiner als die Anfangstemperatur t 1 ist und die vom Körper abgegebene Wärmemenge negativ ist.

Der Koeffizient c in Formel (13.5) wird aufgerufen spezifische Wärmekapazität Substanzen.

Spezifische Wärme- Dies ist ein numerischer Wert, der der Wärmemenge entspricht, die ein Stoff mit einer Masse von 1 kg aufnimmt oder abgibt, wenn sich seine Temperatur um 1 K ändert.

Die spezifische Wärmekapazität von Gasen hängt von dem Prozess ab, durch den Wärme übertragen wird. Wenn Sie ein Gas bei konstantem Druck erhitzen, dehnt es sich aus und verrichtet Arbeit. Um ein Gas bei konstantem Druck um 1 °C zu erwärmen, muss mehr Wärme übertragen werden als bei konstantem Volumen, wenn sich das Gas nur erwärmt.

Flüssigkeiten und Feststoffe dehnen sich bei Erwärmung leicht aus. Ihre spezifischen Wärmekapazitäten bei konstantem Volumen und konstantem Druck unterscheiden sich kaum.

Spezifische Verdampfungswärme.

Um eine Flüssigkeit während des Siedevorgangs in Dampf umzuwandeln, muss ihr eine bestimmte Wärmemenge zugeführt werden. Die Temperatur einer Flüssigkeit ändert sich beim Sieden nicht. Die Umwandlung von Flüssigkeit in Dampf bei konstanter Temperatur führt nicht zu einer Erhöhung der kinetischen Energie von Molekülen, sondern geht mit einer Erhöhung der potentiellen Energie ihrer Wechselwirkung einher. Schließlich ist der durchschnittliche Abstand zwischen Gasmolekülen viel größer als zwischen Flüssigkeitsmolekülen.

Der Wert, der numerisch gleich der Wärmemenge ist, die erforderlich ist, um 1 kg Flüssigkeit bei konstanter Temperatur in Dampf umzuwandeln, wird genannt spezifische Verdampfungswärme.

Der Prozess der Flüssigkeitsverdampfung findet bei jeder Temperatur statt, während die schnellsten Moleküle die Flüssigkeit verlassen und sie während der Verdampfung abkühlt. Die spezifische Verdampfungswärme ist gleich der spezifischen Verdampfungswärme.

Dieser Wert wird mit dem Buchstaben r bezeichnet und in Joule pro Kilogramm (J / kg) ausgedrückt.

Die spezifische Verdampfungswärme von Wasser ist sehr hoch: r H20 = 2,256 · 10 6 J/kg bei einer Temperatur von 100 °C. In anderen Flüssigkeiten wie Alkohol, Äther, Quecksilber, Kerosin ist die spezifische Verdampfungswärme 3-10 Mal geringer als die von Wasser.

Um eine Flüssigkeit der Masse m in Dampf umzuwandeln, ist eine Wärmemenge erforderlich, die gleich ist:

Q p \u003d rm. (13.6)

Beim Kondensieren von Dampf wird die gleiche Wärmemenge freigesetzt:

Q k \u003d -rm. (13.7)

Spezifische Schmelzwärme.

Wenn ein kristalliner Körper schmilzt, erhöht die gesamte ihm zugeführte Wärme die potenzielle Energie der Wechselwirkung von Molekülen. Die kinetische Energie der Moleküle ändert sich nicht, da das Schmelzen bei konstanter Temperatur erfolgt.

Der Wert, der numerisch gleich der Wärmemenge ist, die erforderlich ist, um eine kristalline Substanz mit einem Gewicht von 1 kg bei einem Schmelzpunkt in eine Flüssigkeit umzuwandeln, wird genannt spezifische Schmelzwärme und werden mit dem Buchstaben λ bezeichnet.

Bei der Kristallisation eines Stoffes mit einer Masse von 1 kg wird genau so viel Wärme freigesetzt wie beim Schmelzen aufgenommen wird.

Die spezifische Schmelzwärme von Eis ist ziemlich hoch: 3,34 10 5 J/kg.

„Hätte Eis keine hohe Schmelzwärme, müsste im Frühjahr die gesamte Eismasse in wenigen Minuten oder Sekunden schmelzen, da aus der Luft ständig Wärme auf Eis übertragen wird. Die Folgen davon wären schlimm; denn selbst in der gegenwärtigen Lage entstehen große Überschwemmungen und große Wasserströme durch das Schmelzen großer Eis- oder Schneemassen.“ R. Schwarz, 18. Jahrhundert

Um einen kristallinen Körper der Masse m zu schmelzen, ist eine Wärmemenge erforderlich, die gleich ist:

Qpl \u003d λm. (13.8)

Die bei der Kristallisation des Körpers freigesetzte Wärmemenge ist gleich:

Qcr = -λm (13.9)

Wärmebilanzgleichung.

Betrachten Sie den Wärmeaustausch in einem System, das aus mehreren Körpern besteht, die anfänglich unterschiedliche Temperaturen haben, z. B. den Wärmeaustausch zwischen Wasser in einem Gefäß und einer heißen Eisenkugel, die in Wasser getaucht wird. Nach dem Energieerhaltungssatz ist die von einem Körper abgegebene Wärmemenge numerisch gleich der von einem anderen aufgenommenen Wärmemenge.

Die abgegebene Wärmemenge wird als negativ betrachtet, die empfangene Wärmemenge als positiv. Daher ist die Gesamtwärmemenge Q1 + Q2 = 0.

Wenn in einem isolierten System Wärmeaustausch zwischen mehreren Körpern stattfindet, dann

Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)

Gleichung (13.10) wird aufgerufen Wärmebilanzgleichung.

Hier Q 1 Q 2 , Q 3 - die von den Körpern aufgenommene oder abgegebene Wärmemenge. Diese Wärmemengen werden durch die Formeln (13.5) oder die Formeln (13.6) - (13.9) ausgedrückt, wenn beim Prozess der Wärmeübertragung (Schmelzen, Kristallisieren, Verdampfen, Kondensieren) verschiedene Phasenumwandlungen des Stoffes auftreten.

Die innere Energie eines thermodynamischen Systems kann auf zwei Arten verändert werden:

1. am System arbeiten
2. durch thermische Wechselwirkung.

Die Übertragung von Wärme auf einen Körper ist nicht mit der Verrichtung makroskopischer Arbeit am Körper verbunden. In diesem Fall wird die Änderung der inneren Energie dadurch verursacht, dass einzelne Moleküle des Körpers mit höherer Temperatur auf einige Moleküle des Körpers mit niedrigerer Temperatur wirken. In diesem Fall wird eine thermische Wechselwirkung aufgrund von Wärmeleitung realisiert. Die Übertragung von Energie ist auch mit Hilfe von Strahlung möglich. Das System mikroskopischer Prozesse (die nicht den ganzen Körper, sondern einzelne Moleküle betreffen) nennt man Wärmeübertragung. Die Energiemenge, die durch Wärmeübertragung von einem Körper auf einen anderen übertragen wird, wird durch die Wärmemenge bestimmt, die von einem Körper auf einen anderen übertragen wird.

Definition

Wärme bezeichnet die Energie, die der Körper beim Wärmeaustausch mit den umgebenden Körpern (Umwelt) aufnimmt (oder abgibt). Wärme wird normalerweise mit dem Buchstaben Q bezeichnet.

Dies ist eine der grundlegenden Größen in der Thermodynamik. Wärme ist in den mathematischen Ausdrücken des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik enthalten. Wärme soll Energie in Form von molekularer Bewegung sein.

Wärme kann dem System (Körper) zugeführt oder entnommen werden. Es wird angenommen, dass es positiv ist, wenn dem System Wärme zugeführt wird.

Die Formel zur Berechnung der Wärme bei einer Temperaturänderung

Die elementare Wärmemenge wird mit bezeichnet. Beachten Sie, dass das Wärmeelement, das das System bei einer kleinen Änderung seines Zustands aufnimmt (abgibt), kein totales Differential ist. Der Grund dafür ist, dass Wärme eine Funktion des Prozesses der Zustandsänderung des Systems ist.

Die elementare Wärmemenge, die dem System gemeldet wird, und die Temperaturänderungen von T auf T + dT, ist:

wobei C die Wärmekapazität des Körpers ist. Ist der betrachtete Körper homogen, so lässt sich Formel (1) für die Wärmemenge darstellen als:

wo ist die spezifische Wärme des Körpers, m ist die Masse des Körpers, ist die molare Wärmekapazität, ist die molare Masse des Stoffes, ist die Anzahl der Mole des Stoffes.

Wenn der Körper homogen ist und die Wärmekapazität als temperaturunabhängig angesehen wird, kann die Wärmemenge (), die der Körper erhält, wenn seine Temperatur um einen Wert ansteigt, wie folgt berechnet werden:

wobei t 2 , t 1 Körpertemperatur vor und nach dem Erhitzen. Bitte beachten Sie, dass beim Ermitteln der Differenz () in den Berechnungen Temperaturen sowohl in Grad Celsius als auch in Kelvin eingesetzt werden können.

Die Formel für die Wärmemenge bei Phasenübergängen

Der Übergang von einer Phase eines Stoffes in eine andere geht mit der Aufnahme oder Abgabe einer bestimmten Wärmemenge einher, die als Phasenübergangswärme bezeichnet wird.

Um also ein Element der Materie von einem festen Zustand in eine Flüssigkeit zu übertragen, sollte es über die Wärmemenge () informiert werden, die gleich ist:

wo ist die spezifische Schmelzwärme, dm ist das Körpermassenelement. In diesem Fall sollte berücksichtigt werden, dass der Körper eine Temperatur haben muss, die dem Schmelzpunkt der betreffenden Substanz entspricht. Während der Kristallisation wird Wärme gleich (4) freigesetzt.

Die Wärmemenge (Verdampfungswärme), die erforderlich ist, um Flüssigkeit in Dampf umzuwandeln, kann wie folgt ermittelt werden:

wobei r die spezifische Verdampfungswärme ist. Wenn Dampf kondensiert, wird Wärme freigesetzt. Die Verdampfungswärme ist gleich der Kondensationswärme gleicher Materiemassen.

Einheiten zur Messung der Wärmemenge

Die Grundeinheit zur Messung der Wärmemenge im SI-System ist: [Q]=J

Eine systemfremde Wärmeeinheit, die häufig in technischen Berechnungen vorkommt. [Q]=cal (Kalorie). 1 cal = 4,1868 J.

Beispiele für Problemlösungen

Beispiel

Übung. Welche Wassermengen müssen gemischt werden, um 200 Liter Wasser mit einer Temperatur von t = 40 ° C zu erhalten, wenn die Temperatur einer Wassermasse t 1 = 10 ° C beträgt und die der zweiten Wassermasse t 2 = 60 ° C beträgt?

Lösung. Wir schreiben die Wärmebilanzgleichung in der Form:

wobei Q=cmt - die Wärmemenge, die nach dem Mischen von Wasser hergestellt wird; Q 1 \u003d cm 1 t 1 - die Wärmemenge eines Teils Wasser mit der Temperatur t 1 und der Masse m 1; Q 2 \u003d cm 2 t 2 - die Wärmemenge eines Teils Wasser mit der Temperatur t 2 und der Masse m 2.

Gleichung (1.1) impliziert:

Wenn wir kalte (V 1) und heiße (V 2) Wasserteile in einem einzigen Volumen (V) kombinieren, können wir Folgendes akzeptieren:

Wir erhalten also ein Gleichungssystem:

Wenn wir es lösen, erhalten wir:

Der Fokus unseres Artikels liegt auf der Wärmemenge. Wir werden das Konzept der inneren Energie betrachten, die umgewandelt wird, wenn sich dieser Wert ändert. Wir werden auch einige Beispiele für die Anwendung von Berechnungen in der menschlichen Aktivität zeigen.

Hitze

Mit jedem Wort der Muttersprache hat jede Person ihre eigenen Assoziationen. Sie werden durch persönliche Erfahrungen und irrationale Gefühle bestimmt. Was wird normalerweise mit dem Wort „Wärme“ dargestellt? Eine weiche Decke, eine funktionierende Zentralheizung im Winter, das erste Sonnenlicht im Frühling, eine Katze. Oder der Blick einer Mutter, ein tröstendes Wort von einer Freundin, rechtzeitige Aufmerksamkeit.

Physiker meinen damit einen ganz bestimmten Begriff. Und sehr wichtig, besonders in einigen Abschnitten dieser komplexen, aber faszinierenden Wissenschaft.

Thermodynamik

Es lohnt sich nicht, die Wärmemenge isoliert von den einfachsten Prozessen zu betrachten, auf denen das Energieerhaltungsgesetz basiert - nichts wird klar sein. Deshalb erinnern wir zunächst unsere Leser daran.

Die Thermodynamik betrachtet jedes Ding oder Objekt als eine Kombination einer sehr großen Anzahl elementarer Teile - Atome, Ionen, Moleküle. Seine Gleichungen beschreiben jede Änderung des kollektiven Zustands des Systems als Ganzes und als Teil des Ganzen, wenn Makroparameter geändert werden. Letztere sind als Temperatur (als T bezeichnet), Druck (P), Konzentration der Komponenten (normalerweise C) zu verstehen.

Innere Energie

Innere Energie ist ein ziemlich komplizierter Begriff, dessen Bedeutung verstanden werden sollte, bevor über die Wärmemenge gesprochen wird. Es bezeichnet die Energie, die sich mit einer Erhöhung oder Verringerung des Werts der Makroparameter des Objekts ändert und nicht vom Bezugssystem abhängt. Es ist ein Teil der Gesamtenergie. Es fällt damit unter Bedingungen zusammen, wenn der Schwerpunkt des untersuchten Objekts in Ruhe ist (dh es gibt keine kinetische Komponente).

Wenn eine Person das Gefühl hat, dass sich ein Objekt (z. B. ein Fahrrad) erwärmt oder abgekühlt hat, zeigt dies, dass alle Moleküle und Atome, aus denen dieses System besteht, eine Änderung der inneren Energie erfahren haben. Die Temperaturkonstanz bedeutet jedoch nicht die Erhaltung dieses Indikators.

Arbeit und Wärme

Die innere Energie eines thermodynamischen Systems kann auf zwei Arten umgewandelt werden:

• indem man daran arbeitet;
• beim Wärmeaustausch mit der Umgebung.

Die Formel für diesen Vorgang sieht folgendermaßen aus:

dU=Q-A, wobei U innere Energie ist, Q Wärme ist, A Arbeit ist.

Der Leser soll sich nicht von der Einfachheit des Ausdrucks täuschen lassen. Die Permutation zeigt, dass Q=dU+A, aber die Einführung der Entropie (S) bringt die Formel auf die Form dQ=dSxT.

Da die Gleichung in diesem Fall die Form einer Differentialgleichung annimmt, erfordert der erste Ausdruck dasselbe. Weiterhin wird in Abhängigkeit von den im Untersuchungsobjekt wirkenden Kräften und dem zu berechnenden Parameter das notwendige Verhältnis abgeleitet.

Nehmen wir als Beispiel für ein thermodynamisches System eine Metallkugel. Wenn Sie Druck darauf ausüben, es hochwerfen, in einen tiefen Brunnen fallen lassen, dann bedeutet dies, daran zu arbeiten. Äußerlich werden all diese harmlosen Aktionen dem Ball keinen Schaden zufügen, aber seine innere Energie wird sich ändern, wenn auch nur sehr geringfügig.

Der zweite Weg ist die Wärmeübertragung. Nun kommen wir zum Hauptziel dieses Artikels: eine Beschreibung der Wärmemenge. Dies ist eine solche Änderung der inneren Energie eines thermodynamischen Systems, die während der Wärmeübertragung auftritt (siehe obige Formel). Es wird in Joule oder Kalorien gemessen. Wenn der Ball über ein Feuerzeug, in die Sonne oder einfach in eine warme Hand gehalten wird, erwärmt er sich natürlich. Und dann können Sie durch Ändern der Temperatur die Wärmemenge finden, die ihm gleichzeitig mitgeteilt wurde.

Warum Gas das beste Beispiel für eine Veränderung der inneren Energie ist und warum Schüler Physik deswegen nicht mögen

Oben haben wir Änderungen in den thermodynamischen Parametern einer Metallkugel beschrieben. Sie fallen ohne spezielle Vorrichtungen kaum auf, und dem Leser bleibt es überlassen, sich zu den mit dem Objekt ablaufenden Vorgängen zu äußern. Eine andere Sache ist, wenn das System Gas ist. Drücken Sie darauf - es wird sichtbar, erhitzen Sie es - der Druck steigt, senken Sie es unter die Erde - und das kann leicht behoben werden. Daher wird in Lehrbüchern am häufigsten Gas als visuelles thermodynamisches System verwendet.

Aber leider wird echten Experimenten in der modernen Bildung nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt. Ein Wissenschaftler, der ein Methodenhandbuch schreibt, versteht sehr gut, worum es geht. Am Beispiel von Gasmolekülen scheinen ihm alle thermodynamischen Parameter hinreichend demonstriert zu sein. Aber für einen Studenten, der diese Welt gerade entdeckt, ist es langweilig, von einem idealen Kolben mit einem theoretischen Kolben zu hören. Wenn die Schule echte Forschungslabors und engagierte Stunden zum Arbeiten darin hätte, wäre alles anders. Bisher liegen die Experimente leider nur auf dem Papier vor. Und wahrscheinlich ist es genau das, was die Menschen dazu bringt, diesen Zweig der Physik als etwas rein Theoretisches, Lebensfernes und Unnötiges zu betrachten.

Daher haben wir uns entschieden, das bereits oben erwähnte Fahrrad als Beispiel zu nennen. Eine Person drückt auf die Pedale - arbeitet daran. Zusätzlich zur Übertragung des Drehmoments auf den gesamten Mechanismus (aufgrund dessen sich das Fahrrad im Raum bewegt) ändert sich die innere Energie der Materialien, aus denen die Hebel bestehen. Der Radfahrer drückt die Griffe, um sich zu drehen, und erledigt wieder die Arbeit.

Die innere Energie der äußeren Beschichtung (Kunststoff oder Metall) wird erhöht. Eine Person geht unter der hellen Sonne zu einer Lichtung - das Fahrrad erwärmt sich, seine Wärmemenge ändert sich. Stoppt im Schatten einer alten Eiche und das System kühlt ab, wodurch Kalorien oder Joule verschwendet werden. Erhöht die Geschwindigkeit - erhöht den Energieaustausch. Die Berechnung der Wärmemenge zeigt jedoch in all diesen Fällen einen sehr kleinen, nicht wahrnehmbaren Wert. Daher scheint es, dass es im wirklichen Leben keine Manifestationen der thermodynamischen Physik gibt.

Anwendung von Berechnungen für Änderungen der Wärmemenge

Wahrscheinlich wird der Leser sagen, dass das alles sehr informativ ist, aber warum werden wir in der Schule mit diesen Formeln so gefoltert. Und jetzt geben wir Beispiele, in welchen Bereichen des menschlichen Handelns sie direkt gebraucht werden und wie dies für jeden in seinem Alltag gilt.

Schauen Sie sich zunächst um und zählen Sie: Wie viele Metallgegenstände umgeben Sie? Wahrscheinlich mehr als zehn. Aber bevor es zu einer Büroklammer, einem Wagen, einem Ring oder einem USB-Stick wird, wird jedes Metall geschmolzen. Jede Anlage, die beispielsweise Eisenerz verarbeitet, muss wissen, wie viel Brennstoff benötigt wird, um die Kosten zu optimieren. Und um diese zu berechnen, ist es notwendig, die Wärmekapazität der metallhaltigen Rohstoffe zu kennen und die Wärmemenge, die ihr zugeführt werden muss, damit alle technologischen Prozesse ablaufen können. Da die von einer Kraftstoffeinheit freigesetzte Energie in Joule oder Kalorien berechnet wird, werden die Formeln direkt benötigt.

Oder ein anderes Beispiel: Die meisten Supermärkte haben eine Abteilung mit Tiefkühlware – Fisch, Fleisch, Obst. Wenn Rohstoffe aus Tierfleisch oder Meeresfrüchten zu einem Halbfertigprodukt verarbeitet werden, müssen sie wissen, wie viel Strom Kühl- und Gefriergeräte pro Tonne oder Einheit des Endprodukts verbrauchen. Dazu sollst du berechnen, wie viel Wärme ein Kilogramm Erdbeeren oder Tintenfisch verliert, wenn es um ein Grad Celsius gekühlt wird. Und am Ende zeigt dies, wie viel Strom ein Gefrierschrank mit einer bestimmten Kapazität verbraucht.

Flugzeuge, Schiffe, Züge

Oben haben wir Beispiele von relativ unbeweglichen, statischen Objekten gezeigt, die informiert oder ihnen im Gegenteil eine gewisse Wärmemenge entzogen wird. Für Objekte, die sich während des Betriebs unter Bedingungen ständig ändernder Temperatur bewegen, sind Berechnungen der Wärmemenge aus einem anderen Grund wichtig.

Es gibt so etwas wie „Metallermüdung“. Es enthält auch die maximal zulässigen Belastungen bei einer bestimmten Temperaturänderungsrate. Stellen Sie sich ein Flugzeug vor, das aus den feuchten Tropen in die gefrorene obere Atmosphäre abhebt. Ingenieure müssen hart arbeiten, damit es nicht aufgrund von Rissen im Metall auseinanderfällt, die bei Temperaturänderungen auftreten. Sie suchen nach einer Legierungszusammensetzung, die echten Belastungen standhält und einen großen Sicherheitsspielraum hat. Und um nicht blind zu suchen und zu hoffen, zufällig auf die gewünschte Zusammensetzung zu stoßen, müssen Sie viele Berechnungen durchführen, einschließlich solcher, die Änderungen der Wärmemenge beinhalten.

WÄRMEAUSTAUSCH.

1. Wärmeübertragung.

Wärmeaustausch oder Wärmeübertragung ist der Prozess, die innere Energie eines Körpers auf einen anderen zu übertragen, ohne Arbeit zu leisten.

Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung.

1) Wärmeleitfähigkeit ist der Wärmeaustausch zwischen Körpern in direktem Kontakt.

2) Konvektion ist Wärmeübertragung, bei der Wärme durch Gas- oder Flüssigkeitsströme übertragen wird.

3) Strahlung ist Wärmeübertragung mittels elektromagnetischer Strahlung.

2. Die Wärmemenge.

Die Wärmemenge ist ein Maß für die Änderung der inneren Energie eines Körpers beim Wärmeaustausch. Mit Buchstaben bezeichnet Q.

Die Maßeinheit der Wärmemenge ist 1 J.

Die Wärmemenge, die ein Körper durch Wärmeübertragung von einem anderen Körper erhält, kann zur Erhöhung der Temperatur (Erhöhung der kinetischen Energie von Molekülen) oder zur Änderung des Aggregatzustands (Erhöhung der potentiellen Energie) verwendet werden.

3. Spezifische Wärmekapazität eines Stoffes.

Die Erfahrung zeigt, dass die Wärmemenge, die erforderlich ist, um einen Körper der Masse m von der Temperatur T 1 auf die Temperatur T 2 zu erwärmen, proportional zur Körpermasse m und der Temperaturdifferenz (T 2 – T 1) ist, d. h.

Q = cm(T 2 - T 1 ) = mitmΔ T,

Mit heißt spezifische Wärmekapazität der Substanz des erhitzten Körpers.

Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes ist gleich der Wärmemenge, die 1 kg des Stoffes zugeführt werden muss, um ihn um 1 K zu erwärmen.

Einheit der spezifischen Wärmekapazität =.

Die Wärmekapazitätswerte verschiedener Stoffe können physikalischen Tabellen entnommen werden.

Genau die gleiche Wärmemenge Q wird freigesetzt, wenn der Körper um ΔT abgekühlt wird.

4. Spezifische Verdampfungswärme.

Die Erfahrung zeigt, dass die Wärmemenge, die benötigt wird, um eine Flüssigkeit in Dampf umzuwandeln, proportional zur Masse der Flüssigkeit ist, d.h.

Q = lm,

wo ist der Proportionalitätskoeffizient L heißt spezifische Verdampfungswärme.

Die spezifische Verdampfungswärme ist gleich der Wärmemenge, die notwendig ist, um 1 kg Flüssigkeit am Siedepunkt in Dampf umzuwandeln.

Maßeinheit für die spezifische Verdampfungswärme.

Beim umgekehrten Prozess, der Kondensation von Wasserdampf, wird Wärme in der gleichen Menge freigesetzt, die für die Verdampfung aufgewendet wurde.

5. Spezifische Schmelzwärme.

Die Erfahrung zeigt, dass die Wärmemenge, die benötigt wird, um einen Feststoff in eine Flüssigkeit umzuwandeln, proportional zur Masse des Körpers ist, d.h.

Q = λ m,

wobei der Proportionalitätskoeffizient λ als spezifische Schmelzwärme bezeichnet wird.

Die spezifische Schmelzwärme ist gleich der Wärmemenge, die notwendig ist, um einen 1 kg schweren Festkörper beim Schmelzpunkt in eine Flüssigkeit zu überführen.

Maßeinheit für spezifische Schmelzwärme.

Beim umgekehrten Prozess, der Kristallisation einer Flüssigkeit, wird Wärme in der gleichen Menge freigesetzt, die beim Schmelzen aufgewendet wurde.

6. Spezifische Verbrennungswärme.

Die Erfahrung zeigt, dass die bei der vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs freigesetzte Wärmemenge proportional zur Masse des Kraftstoffs ist, d. h.

Q = qm,

Wobei der Proportionalitätsfaktor q als spezifische Verbrennungswärme bezeichnet wird.

Die spezifische Verbrennungswärme ist gleich der Wärmemenge, die bei der vollständigen Verbrennung von 1 kg Kraftstoff freigesetzt wird.

Maßeinheit für spezifische Verbrennungswärme.

7. Wärmebilanzgleichung.

Am Wärmeaustausch sind zwei oder mehr Körper beteiligt. Manche Körper geben Wärme ab, andere nehmen sie auf. Wärmeübertragung findet statt, bis die Temperaturen der Körper gleich sind. Nach dem Energieerhaltungssatz ist die abgegebene Wärmemenge gleich der aufgenommenen Wärmemenge. Auf dieser Grundlage wird die Wärmebilanzgleichung geschrieben.

Betrachten Sie ein Beispiel.

Ein Körper der Masse m 1 , dessen Wärmekapazität c 1 ist, hat die Temperatur T 1 , und ein Körper der Masse m 2 , dessen Wärmekapazität c 2 ist, hat die Temperatur T 2 . Außerdem ist T 1 größer als T 2. Diese Körper werden in Kontakt gebracht. Erfahrungsgemäß beginnt sich ein kalter Körper (m 2) aufzuheizen und ein heißer Körper (m 1) abzukühlen. Dies deutet darauf hin, dass ein Teil der inneren Energie eines heißen Körpers auf einen kalten übertragen wird und sich die Temperaturen ausgleichen. Lassen Sie uns die endgültige Gesamttemperatur mit θ bezeichnen.

Die Wärmemenge, die von einem heißen Körper auf einen kalten übertragen wird

Q übertragen. = c 1 m 1 (T 1 – θ )

Die Wärmemenge, die ein kalter Körper von einem heißen erhält

Q erhalten. = c 2 m 2 (θ – T 2 )

Nach dem Energieerhaltungssatz Q übertragen. = Q erhalten., d.h.

c 1 m 1 (T 1 – θ )= c 2 m 2 (θ – T 2 )

Lassen Sie uns die Klammern öffnen und den Wert der gesamten stationären Temperatur θ ausdrücken.

Der Temperaturwert θ wird in diesem Fall in Kelvin erhalten.

Da jedoch in den Ausdrücken für Q bestanden. und Q wird empfangen. Wenn es einen Unterschied zwischen zwei Temperaturen gibt und dieser in Kelvin und Grad Celsius gleich ist, kann die Berechnung in Grad Celsius durchgeführt werden. Dann

In diesem Fall wird der Temperaturwert θ in Grad Celsius erhalten.

Der Temperaturausgleich durch Wärmeleitung lässt sich auf der Grundlage der molekularkinetischen Theorie als Austausch kinetischer Energie zwischen Molekülen beim Stoß im Prozess der thermisch chaotischen Bewegung erklären.

Dieses Beispiel lässt sich mit einer Grafik veranschaulichen.