მექანიკურ ენერგიასთან ერთად ნებისმიერ სხეულს (ან სისტემას) აქვს შინაგანი ენერგია. შინაგანი ენერგია არის დასვენების ენერგია. იგი შედგება სხეულის შემადგენელი მოლეკულების თერმული ქაოტური მოძრაობისგან, მათი შედარებითი პოზიციის პოტენციური ენერგიისგან, ელექტრონების კინეტიკური და პოტენციური ენერგიისგან ატომებში, ნუკლეონებში ბირთვებში და ა.შ.

თერმოდინამიკაში მნიშვნელოვანია ვიცოდეთ არა შინაგანი ენერგიის აბსოლუტური მნიშვნელობა, არამედ მისი ცვლილება.

თერმოდინამიკურ პროცესებში იცვლება მხოლოდ მოძრავი მოლეკულების კინეტიკური ენერგია (თერმული ენერგია არ არის საკმარისი ატომის სტრუქტურის შესაცვლელად და მით უმეტეს, ბირთვის). ამიტომ, ფაქტობრივად შინაგანი ენერგიის ქვეშთერმოდინამიკაში ნიშნავს ენერგიას თერმული ქაოტურიმოლეკულური მოძრაობები.

შინაგანი ენერგია Uიდეალური აირის ერთი მოლი უდრის:

ამრიგად, შიდა ენერგია დამოკიდებულია მხოლოდ ტემპერატურაზე. შიდა ენერგია U არის სისტემის მდგომარეობის ფუნქცია, ფონის მიუხედავად.

ცხადია, რომ ზოგადად თერმოდინამიკურ სისტემას შეიძლება ჰქონდეს როგორც შიდა, ასევე მექანიკური ენერგია და სხვადასხვა სისტემას შეუძლია ამ ტიპის ენერგიის გაცვლა.

Გაცვლა მექანიკური ენერგიახასიათდება სრულყოფილი სამუშაო A,და შინაგანი ენერგიის გაცვლა - გადაცემული სითბოს რაოდენობა Q.

მაგალითად, ზამთარში ცხელ ქვას ესროლე თოვლში. პოტენციური ენერგიის რეზერვის გამო, თოვლის დასამსხვრევად მექანიკური სამუშაოები ჩატარდა, შინაგანი ენერგიის რეზერვის გამო კი თოვლი დნებოდა. თუ ქვა ცივი იყო, ე.ი. ქვის ტემპერატურა უდრის გარემოს ტემპერატურას, მაშინ მხოლოდ სამუშაოები გაკეთდება, მაგრამ შინაგანი ენერგიის გაცვლა არ მოხდება.

ასე რომ, მუშაობა და სითბო არ არის ენერგიის განსაკუთრებული ფორმები. თქვენ არ შეგიძლიათ ისაუბროთ სითბოს მარაგზე ან სამუშაოზე. Ეს არის გადაცემული ღონისძიებამექანიკური ან შინაგანი ენერგიის სხვა სისტემა. ჩვენ შეგვიძლია ვისაუბროთ ამ ენერგიების რეზერვზე. გარდა ამისა, მექანიკური ენერგია შეიძლება გარდაიქმნას თერმულ ენერგიად და პირიქით. მაგალითად, თუ კოჭს ჩაქუჩით დაარტყამთ, ცოტა ხნის შემდეგ ჩაქუჩი და კოჭა გაცხელდება (ეს მაგალითია გაფანტვაენერგია).

არსებობს კიდევ მრავალი მაგალითი ენერგიის ერთი ფორმის მეორეში გადაქცევისა.

გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ ყველა შემთხვევაში, მექანიკური ენერგიის გარდაქმნა თერმულ ენერგიად და პირიქით, ყოველთვის ხდება მკაცრად ექვივალენტური რაოდენობით.ეს არის თერმოდინამიკის პირველი კანონის არსი, რომელიც გამომდინარეობს ენერგიის შენარჩუნების კანონიდან.

სხეულზე გადაცემული სითბოს რაოდენობა გამოიყენება შინაგანი ენერგიის გასაზრდელად და სხეულზე სამუშაოების შესასრულებლად:

,

(4.1.1)

- ეს რა არის თერმოდინამიკის პირველი კანონი , ან ენერგიის შენარჩუნების კანონი თერმოდინამიკაში.

ხელმოწერის წესი:თუ სითბო გადაეცემა გარემოდან ეს სისტემა,და თუ სისტემა ასრულებს მუშაობას მიმდებარე სხეულებზე, ხოლო . ნიშნის წესის გათვალისწინებით, თერმოდინამიკის პირველი კანონი შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:

ამ გამოთქმაში Uარის სისტემის სახელმწიფო ფუნქცია; დ Uარის მისი მთლიანი დიფერენციალი და δ ქდა δ მაგრამისინი არ არიან. თითოეულ სახელმწიფოში სისტემას აქვს შინაგანი ენერგიის გარკვეული და მხოლოდ ასეთი მნიშვნელობა, ამიტომ შეგვიძლია დავწეროთ:

,

მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ სითბო ქდა სამსახური მაგრამდამოკიდებულია იმაზე, თუ როგორ ხდება 1 მდგომარეობიდან მე-2 მდგომარეობაზე გადასვლა (იზოქორული, ადიაბატური და ა.შ.) და შინაგან ენერგიაზე Uარ არის დამოკიდებული. ამავდროულად, არ შეიძლება ითქვას, რომ სისტემას აქვს სითბოს და სამუშაოს მნიშვნელობა მოცემული მდგომარეობისთვის.

ფორმულიდან (4.1.2) გამომდინარეობს, რომ სითბოს რაოდენობა გამოიხატება იმავე ერთეულებში, როგორც სამუშაო და ენერგია, ე.ი. ჯოულებში (J).

თერმოდინამიკაში განსაკუთრებული მნიშვნელობა ენიჭება წრიულ ან ციკლურ პროცესებს, რომლებშიც სისტემა, რიგი მდგომარეობების გავლის შემდეგ, უბრუნდება საწყის მდგომარეობას. სურათი 4.1 გვიჩვენებს ციკლურ პროცესს 1– ა–2–ბ–1, ხოლო სამუშაო A შესრულდა.

ბრინჯი. 4.1

როგორც Uარის სახელმწიფო ფუნქცია, მაშინ

(4.1.3)

ეს ეხება ნებისმიერ სახელმწიფო ფუნქციას.

თუ მაშინ თერმოდინამიკის პირველი კანონის მიხედვით, ე.ი. შეუძლებელია პერიოდულად მომუშავე ძრავის აშენება, რომელიც უფრო მეტ სამუშაოს შეასრულებს, ვიდრე მას გარედან გადაცემული ენერგია. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, პირველი ტიპის მუდმივი მოძრაობის მანქანა შეუძლებელია. ეს არის თერმოდინამიკის პირველი კანონის ერთ-ერთი ფორმულირება.

უნდა აღინიშნოს, რომ თერმოდინამიკის პირველი კანონი არ მიუთითებს, თუ რა მიმართულებით მიდის მდგომარეობის ცვლილების პროცესები, რაც მისი ერთ-ერთი ნაკლოვანებაა.

« ფიზიკა - მე-10 კლასი"

რა პროცესებში ხდება მატერიის მთლიანი ტრანსფორმაცია?
როგორ შეიძლება შეიცვალოს ნივთიერების მდგომარეობა?

თქვენ შეგიძლიათ შეცვალოთ ნებისმიერი სხეულის შინაგანი ენერგია სამუშაოს შესრულებით, გათბობით ან, პირიქით, გაგრილებით.
ამრიგად, ლითონის გაყალბებისას კეთდება სამუშაო და ის თბება, ხოლო ამავდროულად ლითონის გაცხელება შესაძლებელია ცეცხლმოკიდებულ ცეცხლზე.

ასევე, თუ დგუში ფიქსირდება (ნახ. 13.5), მაშინ გაცხელებისას გაზის მოცულობა არ იცვლება და სამუშაო არ კეთდება. მაგრამ გაზის ტემპერატურა და, შესაბამისად, მისი შიდა ენერგია იზრდება.

შიდა ენერგია შეიძლება გაიზარდოს და შემცირდეს, ამიტომ სითბოს რაოდენობა შეიძლება იყოს დადებითი ან უარყოფითი.

ენერგიის გადაცემის პროცესს ერთი სხეულიდან მეორეზე სამუშაოს შესრულების გარეშე ეწოდება სითბოს გაცვლა.

სითბოს გადაცემის დროს შინაგანი ენერგიის ცვლილების რაოდენობრივ საზომს ეწოდება სითბოს რაოდენობა.

სითბოს გადაცემის მოლეკულური სურათი.

სხეულებს შორის საზღვარზე სითბოს გაცვლის დროს, ცივი სხეულის ნელა მოძრავი მოლეკულები ურთიერთქმედებენ ცხელი სხეულის სწრაფად მოძრავ მოლეკულებთან. შედეგად, მოლეკულების კინეტიკური ენერგიები თანაბარდება და ცივი სხეულის მოლეკულების სიჩქარე იზრდება, ცხელი სხეულის კი მცირდება.

სითბოს გაცვლის დროს არ ხდება ენერგიის გადაქცევა ერთი ფორმიდან მეორეში; უფრო ცხელი სხეულის შიდა ენერგიის ნაწილი გადადის ნაკლებად გაცხელებულ სხეულზე.

სითბოს რაოდენობა და სითბოს მოცულობა.

თქვენ უკვე იცით, რომ m მასის მქონე სხეული t 1 ტემპერატურიდან t 2 ტემპერატურამდე რომ გავაცხელოთ, საჭიროა მასზე გადავიტანოთ სითბოს რაოდენობა:

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

როდესაც სხეული გაცივდება, მისი საბოლოო ტემპერატურა t 2 გამოდის, რომ ნაკლებია საწყის ტემპერატურაზე t 1 და სხეულის მიერ გამოყოფილი სითბოს რაოდენობა უარყოფითია.

კოეფიციენტი c ფორმულაში (13.5) ე.წ სპეციფიკური სითბოს მოცულობანივთიერებები.

სპეციფიკური სითბო- ეს არის მნიშვნელობა, რომელიც რიცხობრივად უდრის სითბოს რაოდენობას, რომელსაც 1 კგ მასის მქონე ნივთიერება იღებს ან გამოყოფს, როდესაც მისი ტემპერატურა იცვლება 1 კ-ით.

აირების სპეციფიკური სითბოს სიმძლავრე დამოკიდებულია სითბოს გადაცემის პროცესზე. თუ გაცხელებთ გაზს მუდმივი წნევით, ის გაფართოვდება და იმუშავებს. გაზის გასათბობად 1 °C-ით მუდმივი წნევით, მას სჭირდება მეტი სითბოს გადაცემა, ვიდრე მუდმივი მოცულობით გაცხელება, როდესაც გაზი მხოლოდ გაცხელდება.

სითხეები და მყარი ნივთიერებები გაცხელებისას ოდნავ ფართოვდება. მათი სპეციფიკური სითბოს სიმძლავრეები მუდმივი მოცულობისა და მუდმივი წნევის დროს ოდნავ განსხვავდება.

აორთქლების სპეციფიკური სითბო.

დუღილის პროცესში სითხის ორთქლად გადაქცევისთვის საჭიროა მასში გარკვეული რაოდენობის სითბოს გადატანა. სითხის ტემპერატურა ადუღებისას არ იცვლება. სითხის ორთქლად გადაქცევა მუდმივ ტემპერატურაზე არ იწვევს მოლეკულების კინეტიკური ენერგიის ზრდას, მაგრამ თან ახლავს მათი ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგიის ზრდა. ყოველივე ამის შემდეგ, გაზის მოლეკულებს შორის საშუალო მანძილი გაცილებით მეტია, ვიდრე თხევადი მოლეკულებს შორის.

მნიშვნელობა რიცხობრივად უდრის სითბოს რაოდენობას, რომელიც საჭიროა 1 კგ სითხის ორთქლად გადაქცევისთვის მუდმივ ტემპერატურაზე ეწოდება აორთქლების სპეციფიკური სითბო.

სითხის აორთქლების პროცესი ხდება ნებისმიერ ტემპერატურაზე, ხოლო ყველაზე სწრაფი მოლეკულები ტოვებენ სითხეს და აორთქლების დროს ის კლებულობს. აორთქლების სპეციფიკური სითბო უდრის აორთქლების სპეციფიკურ სითბოს.

ეს მნიშვნელობა აღინიშნება ასო r-ით და გამოიხატება ჯოულებში თითო კილოგრამზე (J / კგ).

წყლის აორთქლების სპეციფიკური სითბო ძალიან მაღალია: r H20 = 2,256 10 6 ჯ/კგ 100 °C ტემპერატურაზე. სხვა სითხეებში, როგორიცაა ალკოჰოლი, ეთერი, ვერცხლისწყალი, ნავთი, აორთქლების სპეციფიკური სითბო 3-10-ჯერ ნაკლებია წყლისაზე.

m მასის სითხის ორთქლად გადაქცევისთვის საჭიროა სითბოს ტოლი:

Q p \u003d rm. (13.6)

როდესაც ორთქლი კონდენსირდება, სითბოს იგივე რაოდენობა გამოიყოფა:

Q k \u003d -rm. (13.7)

შერწყმის სპეციფიკური სითბო.

როდესაც კრისტალური სხეული დნება, მასში მიწოდებული მთელი სითბო მიდის მოლეკულების ურთიერთქმედების პოტენციური ენერგიის გასაზრდელად. მოლეკულების კინეტიკური ენერგია არ იცვლება, რადგან დნობა ხდება მუდმივ ტემპერატურაზე.

მნიშვნელობა, რომელიც რიცხობრივად უდრის სითბოს რაოდენობას, რომელიც საჭიროა 1 კგ კრისტალური ნივთიერების დნობის წერტილში თხევად გადაქცევისთვის ე.წ. შერწყმის სპეციფიკური სითბოდა აღინიშნება ასო λ.

1 კგ მასის ნივთიერების კრისტალიზაციის დროს გამოიყოფა ზუსტად ისეთივე სითბო, როგორიც შეიწოვება დნობისას.

ყინულის დნობის სპეციფიკური სითბო საკმაოდ მაღალია: 3,34 10 5 ჯ/კგ.

„ყინულს რომ არ ჰქონდეს შერწყმის მაღალი სიცხე, მაშინ გაზაფხულზე ყინულის მთელი მასა რამდენიმე წუთში ან წამში უნდა დნებოდა, რადგან სითბო ჰაერიდან ყინულზე გამუდმებით გადადის. ამის შედეგები საშინელი იქნება; რადგან ახლანდელ ვითარებაშიც კი წარმოიქმნება დიდი წყალდიდობები და წყლის დიდი ნაკადები ყინულის ან თოვლის დიდი მასების დნობის შედეგად“. R. Black, მე-18 ს

m მასის კრისტალური სხეულის დნობისთვის საჭიროა სითბოს ტოლი:

Qpl \u003d λm. (13.8)

სხეულის კრისტალიზაციის დროს გამოთავისუფლებული სითბოს რაოდენობა უდრის:

Q cr = -λm (13.9)

სითბოს ბალანსის განტოლება.

განვიხილოთ სითბოს გაცვლა სისტემაში, რომელიც შედგება რამდენიმე სხეულისგან, თავდაპირველად განსხვავებული ტემპერატურის მქონე, მაგალითად, სითბოს გაცვლა ჭურჭელში არსებულ წყალსა და წყალში ჩაშვებულ ცხელ რკინის ბურთულს შორის. ენერგიის შენარჩუნების კანონის მიხედვით, ერთი სხეულის მიერ გამოყოფილი სითბოს რაოდენობა რიცხობრივად უდრის მეორის მიერ მიღებულ სითბოს.

სითბოს მოცემული რაოდენობა უარყოფითად ითვლება, სითბოს მიღებული რაოდენობა დადებითად. ამრიგად, სითბოს მთლიანი რაოდენობა Q1 + Q2 = 0.

თუ სითბოს გაცვლა ხდება იზოლირებულ სისტემაში რამდენიმე სხეულს შორის, მაშინ

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

განტოლება (13.10) ეწოდება სითბოს ბალანსის განტოლება.

აქ Q 1 Q 2 , Q 3 - სხეულების მიერ მიღებული ან გაცემული სითბოს რაოდენობა. სითბოს ეს რაოდენობა გამოიხატება ფორმულით (13.5) ან ფორმულებით (13.6) - (13.9), თუ ნივთიერების სხვადასხვა ფაზური გარდაქმნები (დნობა, კრისტალიზაცია, აორთქლება, კონდენსაცია) ხდება სითბოს გადაცემის პროცესში.

თერმოდინამიკური სისტემის შიდა ენერგია შეიძლება შეიცვალოს ორი გზით:

1. მუშაობს სისტემაზე
2. თერმული ურთიერთქმედების გზით.

სხეულზე სითბოს გადაცემა არ არის დაკავშირებული სხეულზე მაკროსკოპული მუშაობის შესრულებასთან. ამ შემთხვევაში, შინაგანი ენერგიის ცვლილება გამოწვეულია იმით, რომ სხეულის ცალკეული მოლეკულები უფრო მაღალი ტემპერატურის მქონე მოქმედებენ სხეულის ზოგიერთ მოლეკულაზე, რომელსაც აქვს უფრო დაბალი ტემპერატურა. ამ შემთხვევაში თერმული ურთიერთქმედება რეალიზდება თერმული გამტარობის გამო. ენერგიის გადაცემა ასევე შესაძლებელია რადიაციის დახმარებით. მიკროსკოპული პროცესების სისტემას (რომელიც ეხება არა მთელ სხეულს, არამედ ცალკეულ მოლეკულებს) სითბოს გადაცემას უწოდებენ. სითბოს გადაცემის შედეგად ერთი სხეულიდან მეორეზე გადაცემული ენერგიის რაოდენობა განისაზღვრება ერთი სხეულიდან მეორეზე გადაცემული სითბოს რაოდენობით.

განმარტება

სითბოეწოდება ენერგიას, რომელსაც იღებს (ან გასცემს) სხეული გარემომცველ სხეულებთან (გარემო) სითბოს გაცვლის პროცესში. სითბოს აღნიშნავენ, როგორც წესი, ასო Q-ით.

ეს არის თერმოდინამიკის ერთ-ერთი ძირითადი რაოდენობა. სითბო შედის თერმოდინამიკის პირველი და მეორე კანონების მათემატიკურ გამოსახულებებში. ამბობენ, რომ სითბო არის ენერგია მოლეკულური მოძრაობის სახით.

სითბო შეიძლება გადაეცეს სისტემას (სხეულს), ან შეიძლება მისგან მიიღოს. ითვლება, რომ თუ სითბო გადაეცემა სისტემას, მაშინ ეს დადებითია.

ტემპერატურის ცვლილებით სითბოს გამოთვლის ფორმულა

სითბოს ელემენტარული რაოდენობა აღინიშნება როგორც . გაითვალისწინეთ, რომ სითბოს ელემენტი, რომელსაც სისტემა იღებს (გამოსცემს) მისი მდგომარეობის მცირე ცვლილებით, არ არის სრული დიფერენციალური. ამის მიზეზი ის არის, რომ სითბო არის სისტემის მდგომარეობის შეცვლის პროცესის ფუნქცია.

სითბოს ელემენტარული რაოდენობა, რომელიც ეცნობება სისტემას და ტემპერატურა იცვლება T-დან T-მდე + dT-მდე, არის:

სადაც C არის სხეულის სითბოს მოცულობა. თუ განხილული სხეული ერთგვაროვანია, მაშინ სითბოს რაოდენობის ფორმულა (1) შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც:

სადაც არის სხეულის სპეციფიკური სიცხე, m არის სხეულის მასა, არის მოლური სითბოს ტევადობა, არის ნივთიერების მოლური მასა, არის ნივთიერების მოლების რაოდენობა.

თუ სხეული ერთგვაროვანია და სითბოს სიმძლავრე განიხილება ტემპერატურისგან დამოუკიდებლად, მაშინ სითბოს რაოდენობა (), რომელსაც სხეული იღებს, როდესაც მისი ტემპერატურა იზრდება მნიშვნელობით, შეიძლება გამოითვალოს შემდეგნაირად:

სადაც t 2, t 1 სხეულის ტემპერატურა გაცხელებამდე და მის შემდეგ. გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ გამოთვლებში განსხვავების () პოვნისას, ტემპერატურა შეიძლება შეიცვალოს როგორც გრადუს ცელსიუსში, ასევე კელვინებში.

ფაზური გადასვლების დროს სითბოს რაოდენობის ფორმულა

ნივთიერების ერთი ფაზიდან მეორეზე გადასვლას თან ახლავს გარკვეული რაოდენობის სითბოს შეწოვა ან გამოყოფა, რასაც ფაზური გადასვლის სითბოს უწოდებენ.

ასე რომ, მატერიის ელემენტის მყარი მდგომარეობიდან თხევადში გადასატანად, მას უნდა აცნობოთ სითბოს რაოდენობა () ტოლი:

სადაც არის შერწყმის სპეციფიკური სითბო, dm არის სხეულის მასის ელემენტი. ამ შემთხვევაში გასათვალისწინებელია, რომ სხეულს უნდა ჰქონდეს განსახილველი ნივთიერების დნობის წერტილის ტოლი ტემპერატურა. კრისტალიზაციის დროს სითბო გამოიყოფა ტოლი (4).

სითხის ორთქლად გადაქცევისთვის საჭირო სითბოს რაოდენობა (აორთქლების სითბო) შეიძლება მოიძებნოს შემდეგნაირად:

სადაც r არის აორთქლების სპეციფიკური სითბო. როდესაც ორთქლი კონდენსირდება, სითბო გამოიყოფა. აორთქლების სითბო ტოლია მატერიის თანაბარი მასების კონდენსაციის სითბოს.

სითბოს რაოდენობის საზომი ერთეულები

SI სისტემაში სითბოს რაოდენობის საზომი ძირითადი ერთეულია: [Q]=J

სითბოს სისტემური ერთეული, რომელიც ხშირად გვხვდება ტექნიკურ გამოთვლებში. [Q]=კალორია (კალორია). 1 კალ = 4,1868 ჯ.

პრობლემის გადაჭრის მაგალითები

მაგალითი

ვარჯიში.რა მოცულობების წყალი უნდა შევურიოთ, რომ მივიღოთ 200 ლიტრი წყალი t=40C ტემპერატურაზე, თუ წყლის ერთი მასის ტემპერატურა t 1 =10C, წყლის მეორე მასა t 2 =60C?

გადაწყვეტილება.ჩვენ ვწერთ სითბოს ბალანსის განტოლებას სახით:

სადაც Q=cmt - წყლის შერევის შემდეგ მომზადებული სითბოს რაოდენობა; Q 1 \u003d სმ 1 t 1 - წყლის ნაწილის სითბოს რაოდენობა t 1 ტემპერატურით და m 1 მასით; Q 2 \u003d სმ 2 t 2 - წყლის ნაწილის სითბოს რაოდენობა t 2 ტემპერატურით და მასით m 2.

განტოლება (1.1) გულისხმობს:

ცივი (V 1) და ცხელი (V 2) წყლის ნაწილების ერთ მოცულობაში (V) გაერთიანებისას შეგვიძლია მივიღოთ, რომ:

ასე რომ, ჩვენ ვიღებთ განტოლებათა სისტემას:

მისი გადაჭრით მივიღებთ:

ჩვენი სტატიის ყურადღება გამახვილებულია სითბოს რაოდენობაზე. ჩვენ განვიხილავთ შინაგანი ენერგიის კონცეფციას, რომელიც გარდაიქმნება, როდესაც ეს მნიშვნელობა იცვლება. ჩვენ ასევე გაჩვენებთ ადამიანთა საქმიანობაში გამოთვლების გამოყენების მაგალითებს.

სითბო

მშობლიური ენის ნებისმიერ სიტყვასთან, თითოეულ ადამიანს აქვს საკუთარი ასოციაციები. ისინი განისაზღვრება პირადი გამოცდილებით და ირაციონალური გრძნობებით. რას ნიშნავს ჩვეულებრივ სიტყვა "სითბო"? რბილი საბანი, ზამთარში მოქმედი ცენტრალური გათბობის ბატარეა, გაზაფხულზე პირველი მზის შუქი, კატა. ან დედის მზერა, მეგობრის დამამშვიდებელი სიტყვა, დროული ყურადღება.

ფიზიკოსები ამ ძალიან კონკრეტულ ტერმინს გულისხმობენ. და ძალიან მნიშვნელოვანია, განსაკუთრებით ამ რთული, მაგრამ მომხიბლავი მეცნიერების ზოგიერთ მონაკვეთში.

თერმოდინამიკა

არ ღირს სითბოს რაოდენობის გათვალისწინება უმარტივესი პროცესებისგან იზოლირებულად, რომლებზეც დაფუძნებულია ენერგიის შენარჩუნების კანონი - არაფერი იქნება ნათელი. ამიტომ, დასაწყისისთვის, ჩვენს მკითხველს შევახსენებთ.

თერმოდინამიკა განიხილავს ნებისმიერ ნივთს ან ობიექტს, როგორც ელემენტარული ნაწილების ძალიან დიდი რაოდენობის - ატომების, იონების, მოლეკულების ერთობლიობას. მისი განტოლებები აღწერს სისტემის კოლექტიური მდგომარეობის ნებისმიერ ცვლილებას, როგორც მთლიანს და როგორც მთლიანის ნაწილს მაკრო პარამეტრების შეცვლისას. ეს უკანასკნელი გაგებულია, როგორც ტემპერატურა (აღნიშნულია როგორც T), წნევა (P), კომპონენტების კონცენტრაცია (ჩვეულებრივ C).

შინაგანი ენერგია

შინაგანი ენერგია საკმაოდ რთული ტერმინია, რომლის მნიშვნელობა უნდა გავიგოთ სანამ ვისაუბრებთ სითბოს რაოდენობაზე. იგი აღნიშნავს ენერგიას, რომელიც იცვლება ობიექტის მაკრო პარამეტრების მნიშვნელობის გაზრდით ან შემცირებით და არ არის დამოკიდებული მითითების სისტემაზე. ეს არის მთლიანი ენერგიის ნაწილი. იგი ემთხვევა მას იმ პირობებში, როდესაც შესასწავლი ნივთის მასის ცენტრი მოსვენებულია (ანუ არ არსებობს კინეტიკური კომპონენტი).

როდესაც ადამიანი გრძნობს, რომ რაღაც ობიექტი (ვთქვათ, ველოსიპედი) გაცხელდა ან გაცივდა, ეს აჩვენებს, რომ ამ სისტემის შემადგენელი ყველა მოლეკულა და ატომმა განიცადა შინაგანი ენერგიის ცვლილება. თუმცა, ტემპერატურის მუდმივობა არ ნიშნავს ამ მაჩვენებლის შენარჩუნებას.

შრომა და სითბო

ნებისმიერი თერმოდინამიკური სისტემის შიდა ენერგია შეიძლება გარდაიქმნას ორი გზით:

• მასზე მუშაობის შესრულებით;
• გარემოსთან სითბოს გაცვლის დროს.

ამ პროცესის ფორმულა ასე გამოიყურება:

dU=Q-A, სადაც U არის შინაგანი ენერგია, Q არის სითბო, A არის სამუშაო.

მკითხველი არ მოატყუოს გამოთქმის სიმარტივემ. პერმუტაცია გვიჩვენებს, რომ Q=dU+A, მაგრამ ენტროპიის (S) შემოღება ფორმულას მოაქვს ფორმაში dQ=dSxT.

ვინაიდან ამ შემთხვევაში განტოლება დიფერენციალური განტოლების ფორმას იღებს, პირველი გამოხატულება იგივეს მოითხოვს. გარდა ამისა, შესასწავლ ობიექტში მოქმედი ძალებიდან და გამოთვლილი პარამეტრიდან გამომდინარე, გამოდის საჭირო თანაფარდობა.

ავიღოთ ლითონის ბურთი, როგორც თერმოდინამიკური სისტემის მაგალითი. თუ მასზე ზეწოლას ახდენთ, გადააგდებთ, ჩააგდებთ ღრმა ჭაში, მაშინ ეს ნიშნავს მასზე სამუშაოს შესრულებას. გარეგნულად, ყველა ეს უვნებელი ქმედება არ გამოიწვევს ბურთის ზიანს, მაგრამ მისი შინაგანი ენერგია შეიცვლება, თუმცა ძალიან ოდნავ.

მეორე გზა არის სითბოს გადაცემა. ახლა მივედით ამ სტატიის მთავარ მიზანთან: აღწერა, თუ რა არის სითბოს რაოდენობა. ეს არის თერმოდინამიკური სისტემის შიდა ენერგიის ისეთი ცვლილება, რომელიც ხდება სითბოს გადაცემის დროს (იხ. ფორმულა ზემოთ). ის იზომება ჯოულებში ან კალორიებში. ცხადია, თუ ბურთი სანთებელზე, მზეზე ან უბრალოდ თბილ ხელში დაიჭირება, ის გაცხელდება. და შემდეგ, ტემპერატურის შეცვლით, შეგიძლიათ იპოვოთ სითბოს რაოდენობა, რომელიც მას ერთდროულად გადაეცა.

რატომ არის გაზი შინაგანი ენერგიის ცვლილების საუკეთესო მაგალითი და რატომ არ უყვართ სტუდენტებს ფიზიკა ამის გამო

ზემოთ, ჩვენ აღვწერეთ ცვლილებები ლითონის ბურთის თერმოდინამიკურ პარამეტრებში. ისინი არც თუ ისე შესამჩნევი არიან სპეციალური მოწყობილობების გარეშე და მკითხველს რჩება სიტყვა ობიექტთან მიმდინარე პროცესების შესახებ. სხვა საქმეა, თუ სისტემა არის გაზი. დააჭირეთ მასზე - გამოჩნდება, გაათბეთ - წნევა მოიმატებს, ჩამოწიეთ მიწისქვეშ - და ეს შეიძლება ადვილად გამოსწორდეს. მაშასადამე, სახელმძღვანელოებში სწორედ გაზი მიიღება ყველაზე ხშირად ვიზუალურ თერმოდინამიკურ სისტემად.

მაგრამ, სამწუხაროდ, დიდი ყურადღება არ ეთმობა რეალურ ექსპერიმენტებს თანამედროვე განათლებაში. მეცნიერი, რომელიც წერს მეთოდოლოგიურ სახელმძღვანელოს, მშვენივრად ესმის, რა არის სასწორზე. მას ეჩვენება, რომ გაზის მოლეკულების მაგალითის გამოყენებით, ყველა თერმოდინამიკური პარამეტრი ადეკვატურად იქნება დემონსტრირებული. მაგრამ სტუდენტისთვის, რომელიც ახლახან აღმოაჩენს ამ სამყაროს, მოსაწყენია თეორიული დგუშის მქონე იდეალური კოლბის შესახებ მოსმენა. სკოლას რომ ჰქონოდა რეალური კვლევითი ლაბორატორიები და მათში მუშაობისთვის საათები დაეთმო, ყველაფერი სხვაგვარად იქნებოდა. ჯერჯერობით, სამწუხაროდ, ექსპერიმენტები მხოლოდ ქაღალდზეა. და, სავარაუდოდ, ეს არის ზუსტად ის, რაც აიძულებს ადამიანებს ფიზიკის ამ დარგი განიხილონ, როგორც რაღაც წმინდა თეორიული, სიცოცხლისგან შორს და არასაჭირო.

ამიტომ, გადავწყვიტეთ მაგალითისთვის მოგვეყვანა ზემოთ უკვე ნახსენები ველოსიპედი. ადამიანი აჭერს პედლებს - მუშაობს მათზე. ბრუნვის მთელ მექანიზმზე გადაცემის გარდა (რის გამოც ველოსიპედი მოძრაობს სივრცეში), იცვლება იმ მასალების შიდა ენერგია, საიდანაც მზადდება ბერკეტები. ველოსიპედისტი უბიძგებს სახელურებს შემობრუნებისთვის და ისევ ასრულებს სამუშაოს.

გარე საფარის (პლასტმასის ან ლითონის) შიდა ენერგია იზრდება. ადამიანი მიდის გაწმენდაში კაშკაშა მზის ქვეშ - ველოსიპედი თბება, მისი სითბოს რაოდენობა იცვლება. ჩერდება ძველი მუხის ჩრდილში დასასვენებლად და სისტემა გაცივდება, ხარჯავს კალორიებს ან ჯოულებს. ზრდის სიჩქარეს - ზრდის ენერგიის გაცვლას. თუმცა, სითბოს რაოდენობის გაანგარიშება ყველა ამ შემთხვევაში აჩვენებს ძალიან მცირე, შეუმჩნეველ მნიშვნელობას. აქედან გამომდინარე, როგორც ჩანს, რეალურ ცხოვრებაში თერმოდინამიკური ფიზიკის გამოვლინებები არ არსებობს.

გამოთვლების გამოყენება სითბოს რაოდენობის ცვლილებაზე

ალბათ, მკითხველი იტყვის, რომ ეს ყველაფერი ძალიან ინფორმატიულია, მაგრამ რატომ გვაწამებენ ასე სკოლაში ამ ფორმულებით. ახლა კი ჩვენ მივცემთ მაგალითებს ადამიანის საქმიანობის რომელ სფეროებშია ისინი უშუალოდ საჭირო და როგორ ეხება ეს ნებისმიერს მის ყოველდღიურ ცხოვრებაში.

დასაწყისისთვის, მიმოიხედე ირგვლივ და დაითვალე: რამდენი ლითონის საგანია გარშემორტყმული? ალბათ ათზე მეტი. მაგრამ სანამ გახდება ქაღალდის სამაგრი, ვაგონი, ბეჭედი ან ფლეშ დრაივი, ნებისმიერი ლითონი დნება. ყველა ქარხანა, რომელიც ამუშავებს, ვთქვათ, რკინის მადანს, უნდა გაიგოს, რამდენი საწვავია საჭირო ხარჯების ოპტიმიზაციისთვის. და ამის გაანგარიშებისას აუცილებელია ვიცოდეთ ლითონის შემცველი ნედლეულის თბოტევადობა და სითბოს რაოდენობა, რომელიც უნდა გადაეცეს მას, რათა მოხდეს ყველა ტექნოლოგიური პროცესი. ვინაიდან საწვავის ერთეულის მიერ გამოთავისუფლებული ენერგია გამოითვლება ჯოულებში ან კალორიებში, ფორმულები საჭიროა პირდაპირ.

ან კიდევ ერთი მაგალითი: სუპერმარკეტების უმეტესობას აქვს განყოფილება გაყინული საქონლით - თევზი, ხორცი, ხილი. როდესაც ცხოველის ხორციდან ან ზღვის პროდუქტებიდან ნედლეული გადაიქცევა ნახევრად მზა პროდუქტად, მათ უნდა იცოდნენ, რამდენ ელექტროენერგიას მოიხმარენ სამაცივრო და გაყინვის დანადგარები მზა პროდუქტის ტონაზე ან ერთეულზე. ამისათვის თქვენ უნდა გამოთვალოთ რამდენ სითბოს კარგავს კილოგრამი მარწყვი ან კალმარი ერთი გრადუსი ცელსიუსით გაგრილებისას. და ბოლოს, ეს აჩვენებს, რამდენ ელექტროენერგიას დახარჯავს გარკვეული სიმძლავრის საყინულე.

თვითმფრინავები, გემები, მატარებლები

ზემოთ ჩვენ ვაჩვენეთ შედარებით უმოძრაო, სტატიკური ობიექტების მაგალითები, რომლებიც ინფორმირებულია ან, პირიქით, გარკვეული რაოდენობის სითბოს ართმევენ მათ. მუდმივი ტემპერატურის ცვალებად პირობებში ექსპლუატაციის პროცესში მოძრავი ობიექტებისთვის, სითბოს რაოდენობის გამოთვლა მნიშვნელოვანია სხვა მიზეზის გამო.

არსებობს ისეთი რამ, როგორიცაა "ლითონის დაღლილობა". იგი ასევე მოიცავს მაქსიმალურ დასაშვებ დატვირთვას ტემპერატურის ცვლილების გარკვეული სიჩქარით. წარმოიდგინეთ თვითმფრინავი, რომელიც ნოტიო ტროპიკებიდან აფრინდება გაყინულ ზედა ატმოსფეროში. ინჟინრებს უწევთ დიდი შრომა, რათა ის არ დაინგრევას ლითონის ბზარების გამო, რომლებიც ჩნდება ტემპერატურის ცვლილებისას. ისინი ეძებენ შენადნობის კომპოზიციას, რომელიც გაუძლებს რეალურ დატვირთვას და ექნება უსაფრთხოების დიდი ზღვარი. და იმისთვის, რომ ბრმად არ მოძებნოთ, იმ იმედით, რომ შემთხვევით წააწყდებით სასურველ კომპოზიციას, თქვენ უნდა გააკეთოთ ბევრი გამოთვლა, მათ შორის, რომლებიც მოიცავს სითბოს რაოდენობის ცვლილებას.

სითბოს გაცვლა.

1.სითბოს გადაცემა.

სითბოს გაცვლა ან სითბოს გადაცემაეს არის ერთი სხეულის შინაგანი ენერგიის მეორეზე გადაცემის პროცესი სამუშაოს შესრულების გარეშე.

სითბოს გადაცემის სამი ტიპი არსებობს.

1) თბოგამტარობაარის სითბოს გაცვლა სხეულებს შორის უშუალო კონტაქტში.

2) კონვექციაარის სითბოს გადაცემა, რომელშიც სითბო გადადის გაზის ან სითხის ნაკადებით.

3) რადიაციაარის სითბოს გადაცემა ელექტრომაგნიტური გამოსხივების საშუალებით.

2. სითბოს რაოდენობა.

სითბოს რაოდენობა არის სხეულის შინაგანი ენერგიის ცვლილების საზომი სითბოს გაცვლის დროს. ასოებით აღინიშნება ქ.

სითბოს რაოდენობის საზომი ერთეული = 1 ჯ.

სითბოს გადაცემის შედეგად სხეულის მიერ სხვა სხეულიდან მიღებული სითბოს რაოდენობა შეიძლება დაიხარჯოს ტემპერატურის მატებაზე (მოლეკულების კინეტიკური ენერგიის გაზრდა) ან აგრეგაციის მდგომარეობის შეცვლაზე (პოტენციური ენერგიის გაზრდა).

3. ნივთიერების სპეციფიკური თბოტევადობა.

გამოცდილება აჩვენებს, რომ სითბოს რაოდენობა, რომელიც საჭიროა m მასის სხეულის გასათბობად T 1 ტემპერატურადან T 2 ტემპერატურამდე, პროპორციულია სხეულის მასის m და ტემპერატურის სხვაობის (T 2 - T 1), ე.ი.

ქ = სმ(ტ 2 - თ 1 ) = თანმΔ T,

თანგახურებული სხეულის ნივთიერების სპეციფიკური თბოტევადობა ეწოდება.

ნივთიერების სპეციფიკური სითბური სიმძლავრე უდრის სითბოს რაოდენობას, რომელიც უნდა გადაეცეს 1 კგ ნივთიერებას, რათა გაცხელდეს იგი 1 K-ით.

სპეციფიკური სითბოს სიმძლავრის ერთეული =.

სხვადასხვა ნივთიერების სითბოს სიმძლავრის მნიშვნელობები შეგიძლიათ იხილოთ ფიზიკურ ცხრილებში.

ზუსტად იგივე რაოდენობის სითბო Q გამოიყოფა, როდესაც სხეული გაცივდება ΔT-ით.

4. აორთქლების სპეციფიკური სითბო.

გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ სითხის ორთქლად გადაქცევისთვის საჭირო სითბოს რაოდენობა სითხის მასის პროპორციულია, ე.ი.

ქ = მე ვარ,

სად არის პროპორციულობის კოეფიციენტი ლეწოდება აორთქლების სპეციფიკური სითბო.

აორთქლების სპეციფიკური სითბო უდრის სითბოს იმ რაოდენობას, რომელიც აუცილებელია დუღილის წერტილში 1 კგ სითხის ორთქლად გადაქცევისთვის.

აორთქლების სპეციფიკური სითბოს საზომი ერთეული.

საპირისპირო პროცესში, ორთქლის კონდენსაციის შედეგად, სითბო გამოიყოფა იმავე რაოდენობით, რაც დაიხარჯა აორთქლებაზე.

5. შერწყმის სპეციფიკური სითბო.

გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ სითბოს რაოდენობა, რომელიც საჭიროა მყარი ნივთიერების თხევად გადაქცევისთვის, სხეულის მასის პროპორციულია, ე.ი.

ქ = λ მ,

სადაც პროპორციულობის კოეფიციენტს λ ეწოდება შერწყმის სპეციფიკური სითბო.

შერწყმის სპეციფიკური სითბო უდრის სითბოს იმ რაოდენობას, რომელიც აუცილებელია 1 კგ მასით მყარი სხეულის სითხეში გადაქცევისთვის დნობის წერტილში.

საზომი ერთეული შერწყმის სპეციფიკური სითბოსთვის.

საპირისპირო პროცესში, სითხის კრისტალიზაციისას, სითბო გამოიყოფა იმავე რაოდენობით, რაც დაიხარჯა დნობაზე.

6. წვის სპეციფიკური სითბო.

გამოცდილება აჩვენებს, რომ საწვავის სრული წვის დროს გამოთავისუფლებული სითბოს რაოდენობა საწვავის მასის პროპორციულია, ე.ი.

ქ = ქმ,

სადაც პროპორციულობის კოეფიციენტს q ეწოდება წვის სპეციფიკური სითბო.

წვის სპეციფიკური სითბო უდრის სითბოს რაოდენობას, რომელიც გამოიყოფა 1 კგ საწვავის სრული წვის დროს.

საზომი ერთეული წვის სპეციფიკური სითბოსთვის.

7. სითბოს ბალანსის განტოლება.

ორი ან მეტი სხეული მონაწილეობს სითბოს გაცვლაში. ზოგიერთი სხეული გამოსცემს სითბოს, ზოგი კი იღებს მას. სითბოს გადაცემა ხდება მანამ, სანამ სხეულების ტემპერატურა არ გახდება თანაბარი. ენერგიის შენარჩუნების კანონის თანახმად, სითბოს რაოდენობა, რომელიც გამოიყოფა, უდრის მიღებულ რაოდენობას. ამის საფუძველზე იწერება სითბოს ბალანსის განტოლება.

განვიხილოთ მაგალითი.

m 1 მასის სხეულს, რომლის თბოტევადობა არის c 1 , აქვს ტემპერატურა T 1 , ხოლო m 2 მასის სხეულს , რომლის თბოტევადობა არის c 2 , აქვს ტემპერატურა T 2 . უფრო მეტიც, T 1 მეტია T 2-ზე. ეს ორგანოები მოჰყავთ კონტაქტში. გამოცდილება აჩვენებს, რომ ცივი სხეული (მ 2) იწყებს გაცხელებას, ხოლო ცხელი სხეული (მ 1) გაციებას. ეს იმაზე მეტყველებს, რომ ცხელი სხეულის შინაგანი ენერგიის ნაწილი ცივზე გადადის და ტემპერატურა იკლებს. საბოლოო საერთო ტემპერატურა ავღნიშნოთ θ-ით.

ცხელი სხეულიდან ცივში გადაცემული სითბოს რაოდენობა

ქ გადატანილი. = გ 1 მ 1 (ტ 1 – θ )

სითბოს რაოდენობა, რომელსაც ცივი სხეული იღებს ცხელიდან

ქ მიღებული. = გ 2 მ 2 (θ – თ 2 )

ენერგიის შენარჩუნების კანონის მიხედვით ქ გადატანილი. = ქ მიღებული., ე.ი.

გ 1 მ 1 (ტ 1 – θ )= გ 2 მ 2 (θ – თ 2 )

გავხსნათ ფრჩხილები და გამოვხატოთ საერთო სტაბილური ტემპერატურის θ მნიშვნელობა.

ტემპერატურის მნიშვნელობა θ ამ შემთხვევაში მიიღება კელვინებში.

თუმცა, ვინაიდან Q-სთვის გამოთქმებში გავიდა. და Q მიიღება. თუ არის განსხვავება ორ ტემპერატურას შორის და ეს იგივეა როგორც კელვინებში, ასევე გრადუს ცელსიუსში, მაშინ გაანგარიშება შეიძლება განხორციელდეს გრადუს ცელსიუსში. მაშინ

ამ შემთხვევაში ტემპერატურის მნიშვნელობა θ მიიღება გრადუს ცელსიუსში.

სითბოს გამტარობის შედეგად ტემპერატურის გათანაბრება შეიძლება აიხსნას მოლეკულური კინეტიკური თეორიის საფუძველზე, როგორც კინეტიკური ენერგიის გაცვლა მოლეკულებს შორის თერმული ქაოტური მოძრაობის პროცესში შეჯახებისას.

ეს მაგალითი შეიძლება ილუსტრირებული იყოს გრაფიკით.