Mekaanisen energian ohella millä tahansa keholla (tai järjestelmällä) on sisäistä energiaa. Sisäinen energia on lepoenergiaa. Se koostuu kehon muodostavien molekyylien lämpökaaoottisesta liikkeestä, niiden suhteellisen sijainnin potentiaalienergiasta, elektronien kineettisestä ja potentiaalienergiasta atomeissa, nukleonien ytimissä ja niin edelleen.

Termodynamiikassa ei ole tärkeää tietää sisäisen energian itseisarvoa, vaan sen muutosta.

Termodynaamisissa prosesseissa vain liikkuvien molekyylien kineettinen energia muuttuu (lämpöenergia ei riitä muuttamaan atomin ja vielä enemmän ytimen rakennetta). Siksi itse asiassa sisäisen energian alla termodynamiikassa energiaa lämpökaaoottista molekyyliliikkeet.

Sisäinen energia U yksi mooli ihanteellista kaasua on yhtä suuri kuin:

Täten, sisäinen energia riippuu vain lämpötilasta. Sisäenergia U on systeemin tilan funktio, taustasta riippumatta.

On selvää, että yleensä termodynaamisella järjestelmällä voi olla sekä sisäistä että mekaanista energiaa, ja eri järjestelmät voivat vaihtaa tämäntyyppistä energiaa.

Vaihto mekaaninen energia ominaista täydellinen työ A, ja sisäisen energian vaihto - siirretyn lämmön määrä Q.

Esimerkiksi talvella heitit kuuman kiven lumeen. Potentiaalienergian varannon vuoksi lumen murskaamiseksi tehtiin mekaanista työtä ja sisäisen energiavarannon vuoksi lumi sulatettiin. Jos kivi oli kylmä, ts. kiven lämpötila on yhtä suuri kuin ympäristön lämpötila, silloin tehdään vain työtä, mutta sisäistä energiaa ei tapahdu.

Työ ja lämpö eivät siis ole erityisiä energiamuotoja. Lämpövarastosta tai työstä ei voi puhua. Tämä on mitta siirretty toinen mekaaninen tai sisäinen energiajärjestelmä. Voimme puhua näiden energioiden varasta. Lisäksi mekaaninen energia voidaan muuntaa lämpöenergiaksi ja päinvastoin. Jos esimerkiksi osut vasaralla alasin, vasara ja alasin kuumenevat hetken kuluttua (tämä on esimerkki hajoaminen energia).

On olemassa monia muita esimerkkejä yhden energiamuodon muuntamisesta toiseksi.

Kokemus osoittaa, että kaikissa tapauksissa mekaanisen energian muuntaminen lämpöenergiaksi ja päinvastoin suoritetaan aina tiukasti vastaavissa määrissä. Tämä on termodynamiikan ensimmäisen lain ydin, joka seuraa energian säilymisen laista.

Kehoon siirtyvää lämpöä käytetään lisäämään sisäistä energiaa ja tekemään työtä keholle:

,

(4.1.1)

- Sitä se on termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö , tai energian säilymisen laki termodynamiikassa.

Allekirjoitussääntö: jos lämpö siirtyy ympäristöstä tämä järjestelmä, ja jos järjestelmä tekee työtä ympäröiville kappaleille, kun taas . Kun otetaan huomioon merkkisääntö, termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö voidaan kirjoittaa seuraavasti:

Tässä ilmaisussa U on järjestelmän tilafunktio; d U on sen kokonaisdifferentiaali, ja δ K ja δ MUTTA ne eivät ole. Jokaisessa tilassa järjestelmällä on tietty ja vain tällainen sisäisen energian arvo, joten voimme kirjoittaa:

,

On tärkeää huomata, että lämpö K ja työ MUTTA riippuu siitä, kuinka siirtyminen tilasta 1 tilaan 2 tapahtuu (isokorinen, adiabaattinen jne.), ja sisäisestä energiasta U ei riipu. Samanaikaisesti ei voida sanoa, että järjestelmällä on tietylle tilalle määritetty lämmön ja työn arvo.

Kaavasta (4.1.2) seuraa, että lämmön määrä ilmaistaan ​​samoissa yksiköissä kuin työ ja energia, ts. jouleina (J).

Termodynamiikassa erityisen tärkeitä ovat ympyrä- tai sykliset prosessit, joissa järjestelmä palaa alkuperäiseen tilaansa käytyään läpi useita tiloja. Kuva 4.1 esittää syklistä prosessia 1– a–2–b–1, kun työ A oli tehty.

Riisi. 4.1

Kuten U on siis tilafunktio

(4.1.3)

Tämä pätee kaikkiin valtion toimintoihin.

Jos sitten termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan, ts. on mahdotonta rakentaa jaksoittaisesti toimivaa moottoria, joka tekisi enemmän työtä kuin siihen ulkopuolelta tuleva energiamäärä. Toisin sanoen ensimmäisen tyyppinen ikuinen liikekone on mahdoton. Tämä on yksi termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön formulaatioista.

On huomattava, että termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö ei osoita, mihin suuntaan tilanmuutosprosessit kulkevat, mikä on yksi sen puutteista.

« Fysiikka - luokka 10 "

Missä prosesseissa aineen aggregaattimuutos tapahtuu?
Miten aineen tilaa voidaan muuttaa?

Voit muuttaa minkä tahansa kehon sisäistä energiaa tekemällä työtä, lämmittämällä tai päinvastoin jäähdyttämällä sitä.
Näin ollen metallia takottaessa tehdään työtä ja se kuumennetaan, samalla kun metallia voidaan lämmittää palavan liekin päällä.

Lisäksi, jos mäntä on kiinteä (kuva 13.5), kaasun tilavuus ei muutu kuumennettaessa eikä työtä tehdä. Mutta kaasun lämpötila ja siten sen sisäinen energia nousee.

Sisäinen energia voi kasvaa ja laskea, joten lämmön määrä voi olla positiivinen tai negatiivinen.

Prosessia, jossa energia siirtyy kehosta toiseen ilman työtä, kutsutaan lämmönvaihto.

Lämmönsiirron aikana tapahtuvan sisäisen energian muutoksen kvantitatiivista mittaa kutsutaan lämmön määrä.

Molekyylikuva lämmönsiirrosta.

Lämmönvaihdon aikana kappaleiden välisellä rajalla kylmän kappaleen hitaasti liikkuvat molekyylit ovat vuorovaikutuksessa kuuman kappaleen nopeasti liikkuvien molekyylien kanssa. Tämän seurauksena molekyylien kineettiset energiat ovat kohdakkain ja kylmän kappaleen molekyylien nopeudet kasvavat, kun taas kuuman kappaleen nopeudet pienenevät.

Lämmönvaihdon aikana ei tapahdu energian muuntamista muodosta toiseen, vaan osa kuumemman kappaleen sisäisestä energiasta siirtyy vähemmän lämmitettyyn kappaleeseen.

Lämmön määrä ja lämpökapasiteetti.

Tiedät jo, että kappaleen, jonka massa on m, lämmittämiseksi lämpötilasta t 1 lämpötilaan t 2, on välttämätöntä siirtää siihen lämpömäärä:

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

Kun keho jäähtyy, sen lopullinen lämpötila t 2 osoittautuu alhaisemmaksi kuin alkulämpötila t 1 ja kehon luovuttaman lämmön määrä on negatiivinen.

Kaavan (13.5) kerrointa c kutsutaan ominaislämpökapasiteetti aineet.

Ominaislämpö- tämä on numeerisesti yhtä suuri lämpömäärä, jonka aine, jonka massa on 1 kg, vastaanottaa tai luovuttaa, kun sen lämpötila muuttuu 1 K.

Kaasujen ominaislämpökapasiteetti riippuu prosessista, jolla lämpöä siirretään. Jos lämmität kaasua vakiopaineessa, se laajenee ja toimii. Kuumentaakseen kaasua 1 °C:lla vakiopaineessa sen täytyy siirtää enemmän lämpöä kuin lämmittää sitä vakiotilavuudessa, kun kaasu vain lämpenee.

Nesteet ja kiinteät aineet laajenevat hieman kuumennettaessa. Niiden ominaislämpökapasiteetit vakiotilavuudessa ja vakiopaineessa eroavat vähän.

Höyrystyksen ominaislämpö.

Nesteen muuttamiseksi höyryksi kiehumisprosessin aikana on tarpeen siirtää tietty määrä lämpöä siihen. Nesteen lämpötila ei muutu kiehuessaan. Nesteen muuttuminen höyryksi vakiolämpötilassa ei johda molekyylien kineettisen energian kasvuun, vaan siihen liittyy niiden vuorovaikutuksen potentiaalisen energian kasvu. Loppujen lopuksi keskimääräinen etäisyys kaasumolekyylien välillä on paljon suurempi kuin nestemolekyylien välillä.

Arvoa, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin lämpömäärä, joka tarvitaan muuttamaan 1 kg nestettä höyryksi vakiolämpötilassa, on ns. ominaishöyrystyslämpö.

Nesteen haihtumisprosessi tapahtuu missä tahansa lämpötilassa, kun taas nopeimmat molekyylit poistuvat nesteestä ja se jäähtyy haihtumisen aikana. Höyrystymisen ominaislämpö on yhtä suuri kuin höyrystymislämpö.

Tämä arvo on merkitty kirjaimella r ja ilmaistaan ​​jouleina kilogrammaa kohti (J / kg).

Veden höyrystymislämpö on erittäin korkea: r H20 = 2,256 10 6 J/kg 100 °C:n lämpötilassa. Muissa nesteissä, kuten alkoholissa, eetterissä, elohopeassa, kerosiinissa, höyrystymislämpö on 3-10 kertaa pienempi kuin veden.

Nesteen, jonka massa on m, muuttamiseksi höyryksi tarvitaan lämpöä, joka on yhtä suuri kuin:

Q p \u003d rm. (13.6)

Kun höyry tiivistyy, vapautuu sama määrä lämpöä:

Q k \u003d -rm. (13.7)

Spesifinen sulamislämpö.

Kun kiteinen kappale sulaa, kaikki siihen syötetty lämpö menee lisäämään molekyylien vuorovaikutuksen potentiaalista energiaa. Molekyylien kineettinen energia ei muutu, koska sulaminen tapahtuu vakiolämpötilassa.

Arvoa, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin lämpömäärä, joka tarvitaan sulamispisteessä 1 kg painavan kiteisen aineen muuttamiseen nesteeksi ns. spesifinen sulamislämpö ja niitä merkitään kirjaimella λ.

1 kg:n massaisen aineen kiteytyessä vapautuu täsmälleen sama määrä lämpöä kuin sulamisen aikana absorboituu.

Jään sulamislämpö on melko korkea: 3,34 10 5 J/kg.

”Jos jäällä ei olisi korkeaa sulamislämpöä, niin keväällä koko jäämassan pitäisi sulaa muutamassa minuutissa tai sekunnissa, koska lämpöä siirtyy ilmasta jatkuvasti jäälle. Tämän seuraukset olisivat kauheita; sillä jopa nykyisessä tilanteessa suuria tulvia ja suuria vesivirtoja syntyy suurten jää- tai lumimassojen sulamisesta." R. Black, 1700-luku

Kiteisen kappaleen, jonka massa on m, sulattamiseksi tarvitaan lämpöä, joka on yhtä suuri kuin:

Qpl \u003d λm. (13.8)

Kehon kiteytymisen aikana vapautuva lämpömäärä on yhtä suuri:

Q cr = -λm (13,9)

Lämpötasapainon yhtälö.

Harkitse lämmönvaihtoa järjestelmässä, joka koostuu useista kappaleista, joiden lämpötila on alun perin erilainen, esimerkiksi lämmönvaihtoa astiassa olevan veden ja veteen lasketun kuuman rautapallon välillä. Energian säilymislain mukaan yhden kappaleen luovuttama lämpö on numeerisesti yhtä suuri kuin toisen kappaleen vastaanottama lämmön määrä.

Annettua lämpömäärää pidetään negatiivisena, vastaanotettua lämpömäärää pidetään positiivisena. Siksi lämmön kokonaismäärä Q1 + Q2 = 0.

Jos lämmönvaihto tapahtuu useiden kappaleiden välillä eristetyssä järjestelmässä, niin

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

Yhtälöä (13.10) kutsutaan lämpötasapainon yhtälö.

Tässä Q 1 Q 2 , Q 3 - kappaleiden vastaanottaman tai luovuttaman lämmön määrä. Nämä lämpömäärät ilmaistaan ​​kaavalla (13.5) tai kaavoilla (13.6) - (13.9), jos lämmönsiirtoprosessissa tapahtuu aineen erilaisia ​​faasimuutoksia (sulaminen, kiteytyminen, höyrystyminen, kondensaatio).

Termodynaamisen järjestelmän sisäistä energiaa voidaan muuttaa kahdella tavalla:

1. tekee töitä järjestelmän parissa
2. lämpövuorovaikutuksen kautta.

Lämmön siirtyminen kehoon ei ole yhteydessä kehon makroskooppisen työn suorittamiseen. Tässä tapauksessa sisäisen energian muutos johtuu siitä, että yksittäiset korkeamman lämpötilan molekyylit vaikuttavat joihinkin kehon molekyyleihin, joiden lämpötila on alhaisempi. Tässä tapauksessa lämpövuorovaikutus toteutuu lämmönjohtavuuden vuoksi. Energian siirto on mahdollista myös säteilyn avulla. Mikroskooppisten prosessien järjestelmää (ei koske koko kehoa, vaan yksittäisiä molekyylejä) kutsutaan lämmönsiirroksi. Lämmönsiirron seurauksena kehosta toiseen siirtyvän energiamäärän määrää kehosta toiseen siirtyvän lämmön määrä.

Määritelmä

lämpöä kutsutaan energiaksi, jonka keho vastaanottaa (tai antaa pois) lämmönvaihdossa ympäröivien kappaleiden (ympäristön) kanssa. Lämpöä merkitään yleensä Q-kirjaimella.

Tämä on yksi termodynamiikan perussuureista. Lämpö sisältyy termodynamiikan ensimmäisen ja toisen lain matemaattisiin lausekkeisiin. Lämmön sanotaan olevan energiaa molekyyliliikkeen muodossa.

Lämpöä voidaan välittää järjestelmään (runkoon) tai se voidaan ottaa sieltä. Uskotaan, että jos lämpöä siirretään järjestelmään, se on positiivista.

Kaava lämmön laskemiseksi lämpötilan muutoksella

Alkuperäistä lämmön määrää merkitään . Huomaa, että lämmön elementti, jonka järjestelmä vastaanottaa (luopuu) pienellä tilan muutoksella, ei ole kokonaisero. Syynä tähän on se, että lämpö on funktio prosessista, joka muuttaa järjestelmän tilaa.

Järjestelmälle raportoitava alkulämmön määrä ja lämpötilan muutokset T arvoon T + dT on:

jossa C on kehon lämpökapasiteetti. Jos kyseessä oleva kappale on homogeeninen, lämpömäärän kaava (1) voidaan esittää seuraavasti:

missä on kehon ominaislämpö, ​​m on kappaleen massa, on molaarinen lämpökapasiteetti, on aineen moolimassa, on aineen moolien lukumäärä.

Jos kappale on homogeeninen ja lämpökapasiteetin katsotaan olevan lämpötilasta riippumaton, niin lämpömäärä (), jonka keho vastaanottaa, kun sen lämpötila nousee arvolla, voidaan laskea seuraavasti:

missä t 2 , t 1 ruumiinlämpö ennen ja jälkeen lämmityksen. Huomaa, että laskelmissa eroa () löydettäessä lämpötilat voidaan korvata sekä Celsius-asteina että kelvineinä.

Kaava lämpömäärälle faasimuutosten aikana

Aineen yhdestä faasista toiseen siirtymiseen liittyy tietyn määrän lämpöä, jota kutsutaan faasimuutoksen lämmöksi, imeytyminen tai vapautuminen.

Joten aineen elementin siirtämiseksi kiinteästä tilasta nesteeseen, sille tulisi ilmoittaa lämmön määrä (), joka on yhtä suuri:

missä on spesifinen sulamislämpö, ​​dm on kehon massaelementti. Tässä tapauksessa tulee ottaa huomioon, että kehon lämpötilan tulee olla sama kuin kyseessä olevan aineen sulamispiste. Kiteytymisen aikana lämpöä vapautuu yhtä paljon kuin (4).

Lämpömäärä (höyrystyslämpö), joka tarvitaan nesteen muuntamiseen höyryksi, löytyy seuraavasti:

missä r on höyrystymislämpö. Kun höyry tiivistyy, lämpöä vapautuu. Haihtumislämpö on yhtä suuri kuin samansuuruisten ainemassojen kondensaatiolämpö.

Yksiköt lämmön määrän mittaamiseen

Lämpömäärän perusyksikkö SI-järjestelmässä on: [Q]=J

Järjestelmän ulkopuolinen lämmön yksikkö, joka löytyy usein teknisistä laskelmista. [Q] = kalori (kalori). 1 cal = 4,1868 J.

Esimerkkejä ongelmanratkaisusta

Esimerkki

Harjoittele. Mitä tilavuuksia vettä tulisi sekoittaa, jotta saadaan 200 litraa vettä lämpötilassa t=40C, jos yhden vesimassan lämpötila on t 1 =10C, toisen vesimassan t 2 =60C?

Päätös. Kirjoitamme lämpötasapainoyhtälön muodossa:

missä Q=cmt - veden sekoituksen jälkeen valmistettu lämmön määrä; Q 1 \u003d cm 1 t 1 - lämpömäärä osassa vettä, jonka lämpötila on t 1 ja massa m 1; Q 2 \u003d cm 2 t 2 - lämpömäärä osassa vettä, jonka lämpötila on t 2 ja massa m 2.

Yhtälö (1.1) tarkoittaa:

Yhdistämällä kylmää (V 1) ja kuumaa (V 2) vettä yhdeksi tilavuuteen (V), voimme hyväksyä, että:

Joten, saamme yhtälöjärjestelmän:

Ratkaisemalla sen saamme:

Artikkelimme painopiste on lämmön määrässä. Tarkastellaan sisäisen energian käsitettä, joka muuttuu tämän arvon muuttuessa. Näytämme myös esimerkkejä laskelmien soveltamisesta ihmisen toiminnassa.

Lämpö

Jokaisella äidinkielen sanalla on omat assosiaationsa. Ne määräytyvät henkilökohtaisten kokemusten ja irrationaalisten tunteiden perusteella. Mitä yleensä edustaa sana "lämpö"? Pehmeä viltti, toimiva keskuslämmityspatteri talvella, ensimmäinen auringonpaiste keväällä, kissa. Tai äidin katse, lohduttava sana ystävältä, oikea-aikainen huomio.

Fyysikot tarkoittavat tällä hyvin erityistä termiä. Ja erittäin tärkeä, varsinkin tämän monimutkaisen mutta kiehtovan tieteen joissakin osissa.

Termodynamiikka

Lämmön määrää ei kannata harkita erillään yksinkertaisimmista prosesseista, joihin energian säilymisen laki perustuu - mikään ei tule selväksi. Siksi aluksi muistutamme lukijoitamme.

Termodynamiikka pitää mitä tahansa asiaa tai esinettä erittäin suuren määrän alkuaineosien - atomien, ionien, molekyylien - yhdistelmänä. Sen yhtälöt kuvaavat mitä tahansa muutosta järjestelmän kollektiivisessa tilassa kokonaisuutena ja osana kokonaisuutta makroparametreja muutettaessa. Jälkimmäiset ymmärretään lämpötilaksi (merkitty T), paineeksi (P), komponenttien pitoisuudeksi (yleensä C).

Sisäinen energia

Sisäinen energia on melko monimutkainen termi, jonka merkitys tulisi ymmärtää ennen kuin puhutaan lämmön määrästä. Se ilmaisee energiaa, joka muuttuu objektin makroparametrien arvon kasvaessa tai pienentyessä, eikä se riipu referenssijärjestelmästä. Se on osa kokonaisenergiaa. Se osuu yhteen sen kanssa olosuhteissa, joissa tutkittavan asian massakeskus on levossa (eli ei ole kineettistä komponenttia).

Kun henkilö kokee jonkin esineen (esimerkiksi polkupyörän) lämmenneen tai jäähtyneen, tämä osoittaa, että kaikki tämän järjestelmän muodostavat molekyylit ja atomit ovat kokeneet sisäisen energian muutoksen. Lämpötilan pysyvyys ei kuitenkaan tarkoita tämän indikaattorin säilymistä.

Työtä ja lämpöä

Minkä tahansa termodynaamisen järjestelmän sisäinen energia voidaan muuttaa kahdella tavalla:

• tekemällä työtä sen parissa;
• lämmönvaihdon aikana ympäristön kanssa.

Tämän prosessin kaava näyttää tältä:

dU=Q-A, missä U on sisäinen energia, Q on lämpö, ​​A on työ.

Älkää antako ilmaisun yksinkertaisuuden pettää lukijaa. Permutaatio osoittaa, että Q=dU+A, mutta entropian (S) käyttöönotto tuo kaavan muotoon dQ=dSxT.

Koska tässä tapauksessa yhtälö on differentiaaliyhtälön muodossa, ensimmäinen lauseke vaatii saman. Lisäksi, riippuen tutkittavaan kohteeseen vaikuttavista voimista ja laskettavasta parametrista, tarvittava suhde johdetaan.

Otetaanpa metallipallo esimerkkinä termodynaamisesta järjestelmästä. Jos painat sitä, heität sen ylös, pudotat sen syvään kaivoon, se tarkoittaa, että työskentelet sen parissa. Ulkoisesti kaikki nämä vaarattomat toimet eivät aiheuta mitään haittaa pallolle, mutta sen sisäinen energia muuttuu, vaikkakin hyvin vähän.

Toinen tapa on lämmönsiirto. Nyt tulemme tämän artikkelin päätavoitteeseen: kuvaus siitä, mikä lämmön määrä on. Tämä on sellainen muutos termodynaamisen järjestelmän sisäisessä energiassa, joka tapahtuu lämmönsiirron aikana (katso yllä oleva kaava). Se mitataan jouleina tai kaloreina. On selvää, että jos palloa pidetään sytyttimen päällä, auringossa tai yksinkertaisesti lämpimässä kädessä, se kuumenee. Ja sitten muuttamalla lämpötilaa voit löytää lämpömäärän, joka ilmoitettiin hänelle samanaikaisesti.

Miksi kaasu on paras esimerkki sisäisen energian muutoksesta ja miksi opiskelijat eivät pidä fysiikasta sen takia

Yllä kuvasimme muutoksia metallipallon termodynaamisissa parametreissa. Ne eivät ole kovin havaittavissa ilman erikoislaitteita, ja lukijalle jää sanansa kohteen kanssa tapahtuvista prosesseista. Toinen asia on, jos järjestelmä on kaasu. Paina sitä - se tulee näkyviin, lämmitä - paine nousee, laske se maan alle - ja tämä voidaan helposti korjata. Siksi oppikirjoissa kaasua pidetään useimmiten visuaalisena termodynaamisena järjestelmänä.

Mutta valitettavasti nykyaikaisen koulutuksen todellisiin kokeiluihin ei kiinnitetä paljon huomiota. Metodologisen käsikirjan kirjoittava tiedemies ymmärtää erittäin hyvin, mistä on kyse. Hänestä näyttää, että kaasumolekyylien esimerkillä kaikki termodynaamiset parametrit osoitetaan riittävästi. Mutta opiskelijalle, joka on vasta tutustumassa tähän maailmaan, on tylsää kuulla ideaalisesta pullosta, jossa on teoreettinen mäntä. Jos koulussa olisi oikeita tutkimuslaboratorioita ja omistettu työaika niissä, kaikki olisi toisin. Valitettavasti kokeet ovat toistaiseksi vain paperilla. Ja mitä todennäköisimmin juuri tämä saa ihmiset pitämään tätä fysiikan alaa puhtaasti teoreettisena, kaukana elämästä ja tarpeettomana.

Siksi päätimme antaa esimerkkinä jo edellä mainitun polkupyörän. Henkilö painaa polkimia - työskentelee niillä. Sen lisäksi, että vääntömomentti kommunikoi koko mekanismille (jonka johdosta polkupyörä liikkuu avaruudessa), niiden materiaalien sisäinen energia, joista vivut valmistetaan, muuttuu. Pyöräilijä työntää kahvoja kääntyäkseen ja tekee taas työn.

Ulkopinnoitteen (muovin tai metallin) sisäinen energia lisääntyy. Ihminen menee aukiolle kirkkaan auringon alla - pyörä lämpenee, sen lämmön määrä muuttuu. Pysähtyy lepäämään vanhan tammen varjossa ja järjestelmä jäähtyy ja kuluttaa kaloreita tai joulea. Lisää nopeutta - lisää energian vaihtoa. Lämmön määrän laskeminen kaikissa näissä tapauksissa näyttää kuitenkin erittäin pienen, huomaamattoman arvon. Siksi näyttää siltä, ​​​​että todellisessa elämässä ei ole termodynaamisen fysiikan ilmenemismuotoja.

Laskelmien soveltaminen lämmön määrän muutoksille

Luultavasti lukija sanoo, että tämä kaikki on erittäin informatiivista, mutta miksi meitä niin kidutetaan koulussa näillä kaavoilla. Ja nyt annamme esimerkkejä, millä ihmisen toiminnan alueilla niitä suoraan tarvitaan ja miten tämä koskee ketään hänen jokapäiväisessä elämässään.

Aluksi katso ympärillesi ja laske: kuinka monta metalliesinettä ympäröi sinua? Todennäköisesti enemmän kuin kymmenen. Mutta ennen kuin siitä tulee paperiliitin, vaunu, rengas tai muistitikku, kaikki metalli sulatetaan. Jokaisen esimerkiksi rautamalmia käsittelevän laitoksen on ymmärrettävä, kuinka paljon polttoainetta tarvitaan kustannusten optimoimiseksi. Ja tätä laskettaessa on tiedettävä metallipitoisten raaka-aineiden lämpökapasiteetti ja lämpömäärä, joka siihen on välitettävä, jotta kaikki tekniset prosessit tapahtuvat. Koska polttoaineyksikön vapauttama energia lasketaan jouleina tai kaloreina, kaavat tarvitaan suoraan.

Tai toinen esimerkki: useimmissa supermarketeissa on osasto, jossa on pakastetuotteita - kalaa, lihaa, hedelmiä. Kun raaka-aineista eläimen lihaa tai äyriäisiä muutetaan puolivalmisteeksi, heidän on tiedettävä, kuinka paljon jäähdytys- ja pakastusyksiköt kuluttavat sähköä valmiin tuotteen tonnia tai yksikköä kohden. Tätä varten sinun tulee laskea, kuinka paljon lämpöä kilo mansikoita tai kalmareita menettää yhden celsiusasteen jäähtyessään. Ja lopulta tämä näyttää, kuinka paljon sähköä tietyn kapasiteetin pakastin kuluttaa.

Lentokoneet, laivat, junat

Yllä olemme näyttäneet esimerkkejä suhteellisen liikkumattomista, staattisista esineistä, jotka saavat tietoa tai päinvastoin, niistä otetaan pois tietty määrä lämpöä. Esineiden osalta, jotka liikkuvat toimintaprosessissa jatkuvasti muuttuvan lämpötilan olosuhteissa, lämpömäärän laskelmat ovat tärkeitä toisesta syystä.

On olemassa sellainen asia kuin "metallin väsymys". Se sisältää myös suurimmat sallitut kuormat tietyllä lämpötilan muutosnopeudella. Kuvittele lentokone, joka nousee kosteasta tropiikista jäätyneeseen yläilmakehään. Insinöörien on työskenneltävä lujasti, jotta se ei hajoa metallin halkeamien vuoksi, joita syntyy lämpötilan muuttuessa. He etsivät seoskoostumusta, joka kestää todellisia kuormituksia ja jolla on suuri turvallisuusmarginaali. Ja jotta et etsiisi sokeasti toivoen törmääväsi vahingossa haluttuun koostumukseen, sinun on tehtävä paljon laskelmia, mukaan lukien ne, jotka sisältävät muutoksia lämpömäärässä.

LÄMMÖNVAIHTO.

1.Lämmönsiirto.

Lämmönvaihto tai lämmönsiirto on prosessi, jossa kehon sisäinen energia siirretään toiseen ilman työtä.

Lämmönsiirtoa on kolmea tyyppiä.

1) Lämmönjohtokyky on lämmönvaihto suorassa kosketuksessa olevien kappaleiden välillä.

2) Konvektio on lämmönsiirtoa, jossa lämpö siirtyy kaasu- tai nestevirtojen avulla.

3) Säteily on lämmönsiirtoa sähkömagneettisen säteilyn avulla.

2. Lämmön määrä.

Lämmön määrä mittaa kehon sisäisen energian muutosta lämmönvaihdon aikana. Merkitty kirjaimella K.

Lämmön määrän mittayksikkö = 1 J.

Kehon toiselta keholta lämmönsiirron seurauksena vastaanottama lämpömäärä voidaan käyttää lämpötilan nostamiseen (molekyylien kineettisen energian lisäämiseen) tai aggregaatiotilan muuttamiseen (potentiaalienergian lisäämiseen).

3. Aineen ominaislämpökapasiteetti.

Kokemus osoittaa, että massaisen m kappaleen lämmittämiseen lämpötilasta T 1 lämpötilaan T 2 tarvittava lämpömäärä on verrannollinen ruumiinmassaan m ja lämpötilaeroon (T 2 - T 1), ts.

K = cm(T 2 - T 1 ) = kanssamΔ T,

kanssa Sitä kutsutaan kuumennetun kappaleen aineen ominaislämpökapasiteetiksi.

Aineen ominaislämpökapasiteetti on yhtä suuri kuin lämpömäärä, joka on annettava 1 kg:aan ainetta, jotta se kuumenee 1 K:lla.

Ominaislämpökapasiteetin yksikkö =.

Eri aineiden lämpökapasiteettiarvot löytyvät fysikaalisista taulukoista.

Täsmälleen sama määrä lämpöä Q vapautuu, kun kehoa jäähdyttää ΔT.

4. Höyrystyksen ominaislämpö.

Kokemus osoittaa, että nesteen muuntamiseen höyryksi tarvittava lämmön määrä on verrannollinen nesteen massaan, ts.

K = lm,

missä on suhteellisuuskerroin L kutsutaan ominaishöyrystyslämmöksi.

Höyrystyslämpö on yhtä suuri kuin se lämpömäärä, joka tarvitaan 1 kg:n kiehumispisteessä olevaa nestettä muuttamaan höyryksi.

Höyrystyslämmön mittayksikkö.

Käänteisessä prosessissa, höyryn tiivistymisessä, lämpöä vapautuu sama määrä, joka käytettiin höyrystymiseen.

5. Ominaissulamislämpö.

Kokemus osoittaa, että kiinteän aineen muuttamiseen nesteeksi tarvittava lämmön määrä on verrannollinen kappaleen massaan, ts.

K = λ m,

jossa suhteellisuuskerrointa λ kutsutaan ominaisfuusiolämpöksi.

Ominaissulamislämpö on yhtä suuri kuin se lämpömäärä, joka tarvitaan 1 kg painavan kiinteän kappaleen muuttamiseksi nesteeksi sulamispisteessä.

Ominaissulamislämmön mittayksikkö.

Käänteisessä prosessissa, nesteen kiteytymisessä, lämpöä vapautuu sama määrä, joka kului sulatukseen.

6. Ominaispalamislämpö.

Kokemus osoittaa, että polttoaineen täydellisen palamisen aikana vapautuva lämmön määrä on verrannollinen polttoaineen massaan, ts.

K = qm,

Kun suhteellisuustekijää q kutsutaan ominaispalolämpöksi.

Ominaispalolämpö on yhtä suuri kuin lämpömäärä, joka vapautuu 1 kg polttoaineen täydellisessä palamisessa.

Ominaispalolämmön mittayksikkö.

7. Lämpötasapainon yhtälö.

Kaksi tai useampi kappale osallistuu lämmönvaihtoon. Jotkut kehot luovuttavat lämpöä, kun taas toiset vastaanottavat sitä. Lämmönsiirto tapahtuu, kunnes kappaleiden lämpötilat ovat yhtä suuret. Energian säilymislain mukaan luovutettava lämmön määrä on yhtä suuri kuin vastaanotettu määrä. Tämän perusteella kirjoitetaan lämpötasapainoyhtälö.

Harkitse esimerkkiä.

M 1 -massaisen kappaleen, jonka lämpökapasiteetti on c 1, lämpötila on T 1 ja massaisen kappaleen m 2, jonka lämpökapasiteetti on c 2, lämpötila T 2 . Lisäksi T1 on suurempi kuin T2. Nämä ruumiit saatetaan kosketukseen. Kokemus osoittaa, että kylmä kappale (m 2) alkaa lämmetä ja kuuma kappale (m 1) alkaa jäähtyä. Tämä viittaa siihen, että osa kuuman kappaleen sisäisestä energiasta siirtyy kylmään ja lämpötilat tasoittuvat. Merkitään lopullinen kokonaislämpötila θ:lla.

Lämpömäärä, joka siirtyy kuumasta kappaleesta kylmään

K siirretty. = c 1 m 1 (T 1 – θ )

Lämmön määrä, jonka kylmä keho vastaanottaa kuumasta

K sai. = c 2 m 2 (θ – T 2 )

Energian säilymisen lain mukaan K siirretty. = K sai., eli

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

Avataan sulut ja ilmaistaan ​​vakaan tilan kokonaislämpötilan θ arvo.

Lämpötila-arvo θ saadaan tässä tapauksessa kelvineinä.

Kuitenkin, koska Q:n lausekkeissa ohitettiin. ja Q vastaanotetaan. jos kahden lämpötilan välillä on ero ja se on sama sekä kelvineinä että Celsius-asteina, niin laskenta voidaan suorittaa Celsius-asteina. Sitten

Tässä tapauksessa lämpötila-arvo θ saadaan Celsius-asteina.

Lämmönjohtavuuden seurauksena tapahtuva lämpötilojen tasaantuminen voidaan selittää molekyylikineettisen teorian perusteella kineettisen energian vaihdoksena molekyylien välillä törmäyksen aikana termisen kaoottisen liikkeen prosessissa.

Tätä esimerkkiä voidaan havainnollistaa kaaviolla.