Soojuse kogus: kontseptsioon, arvutused, rakendus. Soojuskogus, erisoojusvõimsus

(või soojusülekanne).

Aine erisoojusmahtuvus.

Soojusmahtuvus- see on soojushulk, mille keha neelab 1 kraadi võrra kuumutamisel.

Keha soojusmahtuvust näidatakse kapitaliga Ladina täht KOOS.

Millest sõltub keha soojusmahtuvus? Esiteks selle massist. On selge, et soojendamiseks on vaja näiteks 1 kilogrammi vett rohkem soojust kui 200 grammi soojendamiseks.

Aga aine tüüp? Teeme katse. Võtame kaks identset anumat ja valame ühte neist 400 kaaluga vett ja teise - taimeõli kaaluga 400 g, alustame nende kuumutamist identsete põletitega. Termomeetri näitu jälgides näeme, et õli kuumeneb kiiresti. Vee ja õli samale temperatuurile soojendamiseks tuleb vett soojendada kauem. Kuid mida kauem me vett soojendame, seda suur kogus see saab põletist soojust.

Seega sama massi erinevate ainete samale temperatuurile kuumutamine nõuab erinevat soojushulka. Keha soojendamiseks vajalik soojushulk ja seega ka selle soojusmahtuvus sõltuvad aine tüübist, millest keha koosneb.

Näiteks 1 kg kaaluva vee temperatuuri tõstmiseks 1 °C võrra on vaja soojust, mis on võrdne 4200 J, ja sama massi soojendamiseks 1 °C võrra. päevalilleõli vajalik soojushulk on 1700 J.

Nimetatakse füüsikalist suurust, mis näitab, kui palju soojust on vaja 1 kg aine kuumutamiseks 1 ºС võrra erisoojusvõimsus sellest ainest.

Igal ainel on oma erisoojus, mida tähistatakse ladina tähega c ja mida mõõdetakse džaulides kilogramm-kraadi kohta (J/(kg °C)).

Sama aine erisoojusmaht erinevates agregatsiooniolekutes (tahke, vedel ja gaasiline) on erinev. Näiteks vee erisoojusmaht on 4200 J/(kg °C), jää erisoojusmaht on 2100 J/(kg °C); tahkes olekus alumiiniumi erisoojusmaht on 920 J/(kg - °C) ja vedelas olekus - 1080 J/(kg - °C).

Pange tähele, et vee erisoojusmaht on väga kõrge. Seetõttu neelab suvel soojenev vesi meredes ja ookeanides õhust suurel hulgal soojust. Tänu sellele pole suurte veekogude läheduses asuvates kohtades suvi nii kuum kui veest kaugemal.

Keha soojendamiseks vajaliku või sellest jahutamisel vabaneva soojushulga arvutamine.

Eeltoodust selgub, et keha soojendamiseks vajalik soojushulk sõltub aine tüübist, millest keha koosneb (s.o selle erisoojusmahutavusest) ja keha massist. Selge on ka see, et soojushulk sõltub sellest, mitu kraadi me kehatemperatuuri tõstame.

Niisiis, keha soojendamiseks vajaliku või jahutamise ajal vabaneva soojushulga määramiseks peate korrutama keha erisoojusmahu selle massiga ning selle lõpp- ja algtemperatuuride vahega:

K = cm (t 2 - t 1 ) ,

Kus K- soojuse hulk, c— erisoojusvõimsus, m- kehamass , t 1 — algtemperatuur, t 2 - lõpptemperatuur.

Kui keha kuumeneb t 2 > t 1 ning seetõttu K > 0 . Kui keha jahtub t 2i< t 1 ning seetõttu K< 0 .

Kui on teada kogu keha soojusmahtuvus KOOS, K määratakse valemiga:

Q = C (t 2 - t 1 ) .

Harjutus 81.
Arvutage Fe redutseerimisel vabanev soojushulk 2 O 3 metallist alumiiniumi, kui saadi 335,1 g rauda. Vastus: 2543,1 kJ.
Lahendus:
Reaktsiooni võrrand:

= (Al 2 O 3) - (Fe 2 O 3) = -1669,8 -(-822,1) = -847,7 kJ

335,1 g raua vastuvõtmisel eralduva soojushulga arvutamine toimub proportsioonist:

(2 . 55,85) : -847,7 = 335,1 : X; x = (0847,7 . 335,1)/ (2 . 55,85) = 2543,1 kJ,

kus raua aatommass on 55,85.

Vastus: 2543,1 kJ.

Reaktsiooni termiline mõju

Ülesanne 82.
Gaasiline etanool C2H5OH võib saada etüleeni C 2 H 4 (g) ja veeauru interaktsioonil. Kirjutage selle reaktsiooni termokeemiline võrrand, olles eelnevalt arvutanud selle soojusefekti. Vastus: -45,76 kJ.
Lahendus:
Reaktsiooni võrrand on järgmine:

C2H4 (g) + H20 (g) = C2H5OH (g); = ?

Ainete standardsoojuste väärtused on toodud spetsiaalsetes tabelites. Arvestades, et lihtainete tekkesoojused on tinglikult null. Arvutame reaktsiooni termilise efekti kasutades Hessi seaduse tagajärge, saame:

= (C 2 H 5 OH) – [ (C 2 H 4) + (H 2 O)] =
= -235,1 -[(52,28) + (-241,83)] = -45,76 kJ

Termokeemilisteks nimetatakse reaktsioonivõrrandeid, milles keemiliste ühendite sümbolite kõrvale on märgitud nende agregatsiooni või kristallide modifikatsiooni olek, samuti soojusefektide arvväärtus. Termokeemilistes võrrandites, kui pole konkreetselt öeldud, on konstantsel rõhul Q p soojusefektide väärtused võrdsed süsteemi entalpia muutusega. Väärtus esitatakse tavaliselt võrrandi paremal küljel, eraldatuna koma või semikooloniga. Järgmised lühendid on aktsepteeritud agregatsiooni olek ained: G- gaasiline, ja- vedelik, To

Kui reaktsiooni tulemusena eraldub soojust, siis< О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:

C2H4 (g) + H20 (g) = C2H5OH (g); = -45,76 kJ.

Vastus:- 45,76 kJ.

Ülesanne 83.
Arvutage raud(II)oksiidi redutseerimisreaktsiooni termiline efekt vesinikuga järgmiste termokeemiliste võrrandite põhjal:

a) EO (k) + CO (g) = Fe (k) + CO 2 (g); = -13,18 kJ;
b) CO (g) + 1/202 (g) = CO2 (g); = -283,0 kJ;
c) H2 (g) + 1/2O2 (g) = H20 (g); = -241,83 kJ.
Vastus: +27,99 kJ.

Lahendus:
Raud(II)oksiidi redutseerimise reaktsioonivõrrand vesinikuga on järgmine:

EeO (k) + H2 (g) = Fe (k) + H20 (g); = ?

= (H2O) – [ (FeO)

Vee tekkesoojus on antud võrrandiga

H2 (g) + 1/2O2 (g) = H20 (g); = -241,83 kJ,

ja raud(II)oksiidi moodustumise soojuse saab arvutada võrrandi (a) lahutamisel võrrandist (b).

=(c) - (b) - (a) = -241,83 - [-283,o - (-13,18)] = +27,99 kJ.

Vastus:+27,99 kJ.

Ülesanne 84.
Gaasilise vesiniksulfiidi ja süsinikdioksiidi vastasmõjul moodustub veeaur ja süsinikdisulfiid CS 2 (g). Kirjutage selle reaktsiooni termokeemiline võrrand ja arvutage esmalt selle soojusefekt. Vastus: +65,43 kJ.
Lahendus:
G- gaasiline, ja- vedelik, To-- kristalne. Need sümbolid jäetakse välja, kui ainete agregatiivne olek on ilmne, näiteks O 2, H 2 jne.
Reaktsiooni võrrand on järgmine:

2H2S (g) + CO2 (g) = 2H20 (g) + CS2 (g); = ?

Ainete standardsoojuste väärtused on toodud spetsiaalsetes tabelites. Arvestades, et lihtainete tekkesoojused on tinglikult null. Reaktsiooni termilise efekti saab arvutada Hessi seaduse järelduse abil:

= (H 2 O) + (СS 2) – [(H 2 S) + (СO 2)];
= 2(-241,83) + 115,28 – = +65,43 kJ.

2H2S (g) + CO2 (g) = 2H20 (g) + CS2 (g); = +65,43 kJ.

Vastus:+65,43 kJ.

Termokeemilise reaktsiooni võrrand

Ülesanne 85.
Kirjutage CO (g) ja vesiniku vahelise reaktsiooni termokeemiline võrrand, mille tulemusena tekivad CH 4 (g) ja H 2 O (g). Kui palju soojust vabaneb selle reaktsiooni käigus, kui saadakse 67,2 liitrit metaani normaalsetes tingimustes? Vastus: 618,48 kJ.
Lahendus:
Termokeemilisteks nimetatakse reaktsioonivõrrandeid, milles keemiliste ühendite sümbolite kõrvale on märgitud nende agregatsiooni või kristallide modifikatsiooni olek, samuti soojusefektide arvväärtus. Termokeemilistes võrrandites on näidatud soojusefektide väärtused konstantsel rõhul Q p, mis on võrdne süsteemi entalpia muutusega, kui pole konkreetselt öeldud. Väärtus esitatakse tavaliselt võrrandi paremal küljel, eraldatuna koma või semikooloniga. Aine agregatsiooni oleku jaoks on aktsepteeritud järgmised lühendatud nimetused: G- gaasiline, ja- midagi, To- kristalne. Need sümbolid jäetakse välja, kui ainete agregatiivne olek on ilmne, näiteks O 2, H 2 jne.
Reaktsiooni võrrand on järgmine:

CO (g) + 3H2 (g) = CH4 (g) + H20 (g); = ?

= (H20) + (CH4) – (CO)];
= (-241,83) + (-74,84) - (-110,52) = -206,16 kJ.

Termokeemiline võrrand on järgmine:

22,4 : -206,16 = 67,2 : X; x = 67,2 (-206,16)/22?4 = -618,48 kJ; Q = 618,48 kJ.

Vastus: 618,48 kJ.

Moodustamissoojus

Ülesanne 86.
Millise reaktsiooni soojusefekt on võrdne moodustumise soojusega. Arvutage NO moodustumise soojus järgmiste termokeemiliste võrrandite põhjal:
a) 4NH3 (g) + 5O2 (g) = 4NO (g) + 6H20 (l); = -1168,80 kJ;
b) 4NH3 (g) + 302 (g) = 2N2 (g) + 6H20 (1); = -1530,28 kJ
Vastus: 90,37 kJ.
Lahendus:
Standardne moodustumise soojus on võrdne selle aine 1 mooli moodustumise reaktsioonisoojusega lihtainetest standardtingimustes (T = 298 K; p = 1,0325,105 Pa). NO moodustumist lihtsatest ainetest võib kujutada järgmiselt:

1/2N 2 + 1/2O 2 = EI

Antud on reaktsioon (a), mis tekitab 4 mol NO ja antud reaktsioon (b), mis annab 2 mol N2. Hapnik osaleb mõlemas reaktsioonis. Seetõttu koostame NO standardse moodustumise soojuse määramiseks järgmise Hessi tsükli, st peame võrrandist (b) lahutama võrrandi (a):

Seega 1/2N2 + 1/2O2 = NO; = +90,37 kJ.

Vastus: 618,48 kJ.

Ülesanne 87.
Kristalne ammooniumkloriid tekib ammoniaagi ja vesinikkloriidgaaside reaktsioonil. Kirjutage selle reaktsiooni termokeemiline võrrand, olles eelnevalt arvutanud selle soojusefekti. Kui palju soojust eraldub, kui reaktsioonis kuluks 10 liitrit ammoniaaki, arvutatuna tavatingimustes? Vastus: 78,97 kJ.
Lahendus:
Termokeemilisteks nimetatakse reaktsioonivõrrandeid, milles keemiliste ühendite sümbolite kõrvale on märgitud nende agregatsiooni või kristallide modifikatsiooni olek, samuti soojusefektide arvväärtus. Termokeemilistes võrrandites on näidatud soojusefektide väärtused konstantsel rõhul Q p, mis on võrdne süsteemi entalpia muutusega, kui pole konkreetselt öeldud. Väärtus esitatakse tavaliselt võrrandi paremal küljel, eraldatuna koma või semikooloniga. Vastu on võetud: To-- kristalne. Need sümbolid jäetakse välja, kui ainete agregatiivne olek on ilmne, näiteks O 2, H 2 jne.
Reaktsiooni võrrand on järgmine:

NH3 (g) + HCl (g) = NH4CI (k). ; = ?

= (NH4Cl) – [(NH 3) + (HCl)];
= -315,39 – [-46,19 + (-92,31) = -176,85 kJ.

Termokeemiline võrrand on järgmine:

Selles reaktsioonis 10 liitri ammoniaagi reaktsioonil vabanev soojus määratakse proportsioonist:

22,4 : -176,85 = 10 : X; x = 10 (-176,85)/22,4 = -78,97 kJ; Q = 78,97 kJ.

Vastus: 78,97 kJ.

Selles õppetükis jätkame keha siseenergia ja täpsemalt selle muutmise viiside uurimist. Ja seekord on meie tähelepanu teemaks soojusülekanne. Jätame meelde, millisteks tüüpideks see jaguneb, mille järgi seda mõõdetakse ja milliste suhetega saame arvutada soojusvahetuse tulemusena ülekantava soojushulga, samuti anname definitsiooni keha erisoojusmahtuvusele.

Teema: Termodünaamika alused
Õppetund: soojuse hulk. Erisoojus

Nagu me juba põhikoolist teame ja nagu eelmises tunnis meenutasime, on keha siseenergia muutmiseks kaks võimalust: sellega tööd teha või sellele teatud kogus soojust üle kanda. Esimesest meetodist teame juba viimasest tunnist, aga teisest rääkisime palju ka kaheksanda klassi kursusel.

Soojuse (soojus- või energiahulga) ülekandmise protsessi ilma tööd tegemata nimetatakse soojusvahetuseks ehk soojusülekandeks. Nagu me teame, jaguneb see ülekandemehhanismide järgi kolme tüüpi:

Soojusjuhtivus
Konvektsioon
Kiirgus

Ühe sellise protsessi tulemusena kandub kehasse teatud hulk soojust, mille väärtus tegelikult muutub sisemine energia. Iseloomustame seda suurust.

Definitsioon. Soojuse kogus. Nimetus - Q. Mõõtühikud - J. Kui kehatemperatuur muutub (mis võrdub siseenergia muutusega), saab sellele muutusele kulutatud soojushulga arvutada valemi abil:

Siin: - kehakaal; - keha erisoojusmahtuvus; - kehatemperatuuri muutus.

Veelgi enam, kui nad ütlevad jahutamise ajal, et keha andis teatud koguse soojust või kehale kandus negatiivne soojushulk. Kui see tähendab, et keha kuumeneb, on ülekantud soojuse hulk loomulikult positiivne.

Erilist tähelepanu tuleks maksta keha erisoojusmahu järgi.

Definitsioon. Erisoojus- väärtus, mis on arvuliselt võrdne soojushulgaga, mis tuleb üle kanda ühe kilogrammi aine kuumutamiseks ühe kraadi võrra. Erisoojusmaht on iga üksiku aine individuaalne väärtus. Seetõttu on see tabeliväärtus, mis on ilmselgelt teada, eeldusel, et teame, millisele aineosale soojus kandub.

Erisoojuse SI ühiku saab saada ülaltoodud võrrandist:

Seega:

Vaatleme nüüd juhtumeid, kui teatud soojushulga ülekandmine viib aine agregatsiooniseisundi muutumiseni. Tuletagem meelde, et selliseid üleminekuid nimetatakse sulamiseks, kristalliseerumiseks, aurustumiseks ja kondenseerumiseks.

Vedelalt üleminekul tahke keha ja vastupidi, soojushulk arvutatakse valemiga:

Siin: - kehakaal; - erisoojus keha sulamine (soojushulk, mis on vajalik ühe kilogrammi aine täielikuks sulatamiseks).

Keha sulatamiseks peab see üle kandma teatud koguse soojust ja kondenseerumise käigus eraldub keha ise keskkond teatud kogus soojust.

Liikudes vedelikust gaasilisele kehale ja vastupidi, arvutatakse soojushulk järgmise valemiga:

Siin: - kehakaal; - keha erisoojus (soojushulk, mis on vajalik ühe kilogrammi aine täielikuks aurustamiseks).

Vedeliku aurustamiseks peab see üle kandma teatud koguse soojust ning kondenseerumisel eraldab aur ise teatud koguse soojust keskkonda.

Samuti tuleb rõhutada, et nii sulamine koos kristalliseerumisega kui ka aurustumine koos kondenseerumisega toimuvad konstantsel temperatuuril (vastavalt sulamis- ja keemistemperatuurid) (joonis 1).

Riis. 1. Graafik, mis näitab temperatuuri sõltuvust (Celsiuse kraadides) vastuvõetud aine kogusest ()

Eraldi väärib märkimist teatud kütusemassi põletamisel eralduva soojushulga arvutamine:

Siin: - kütuse mass; - kütuse eripõlemissoojus (ühe kilogrammi kütuse põlemisel vabanev soojushulk).

Erilist tähelepanu tuleks pöörata sellele, et lisaks sellele, et erinevate ainete puhul võetakse erisoojusvõimsusi erinevaid tähendusi, võib see parameeter sama aine puhul erineda erinevad tingimused. Näiteks eristatakse erinevat erisoojusvõimsust konstantsel mahul () ja konstantsel rõhul () toimuvatel kuumutamisprotsessidel.

Samuti eristatakse molaarset soojusmahtuvust ja lihtsalt soojusmahtuvust.

Definitsioon. Molaarne soojusmahtuvus () - soojushulk, mis on vajalik ühe mooli aine kuumutamiseks ühe kraadi võrra.

Soojusmahtuvus (C) - soojushulk, mis on vajalik teatud massiga aineosa ühe kraadi võrra kuumutamiseks. Soojusmahtuvuse ja erisoojusmahtuvuse vaheline seos:

Järgmises tunnis vaatleme sellist olulist seadust nagu termodünaamika esimene seadus, mis seob siseenergia muutuse gaasi töö ja ülekantava soojushulgaga.

Bibliograafia

Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. Molekulaarfüüsika. Termodünaamika. - M.: Bustard, 2010.
Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Füüsika 10. klass. - M.: Ilexa, 2005.
Kasjanov V.A. Füüsika 10. klass. - M.: Bustard, 2010.

Sõnaraamatud ja entsüklopeediad akadeemiku kohta ().
Tt.pstu.ru ().
Elementy.ru ().

Kodutöö

Lehekülg 83: nr 643-646. Füüsika. Probleemiraamat. 10-11 klassid. Rymkevitš A.P. - M.: Bustard, 2013. ()
Kuidas on seotud molaarne ja erisoojusvõimsus?
Miks aknapinnad mõnikord uduseks lähevad? Kummal pool akendest see juhtub?
Millise ilmaga kuivavad lombid kiiremini: vaikse või tuulise ilmaga?
*Millele kulub sulamisel kehale vastuvõetav soojus?

Nagu teada, erinevatel mehaanilised protsessid toimub muutus mehaaniline energia W meh. Mehaanilise energia muutumise mõõt on süsteemile rakendatavate jõudude töö:

\(~\Delta W_(meh) = A.\)

Soojusvahetuse käigus toimub keha siseenergia muutus. Siseenergia muutuse mõõt soojusülekande ajal on soojushulk.

Soojuse kogus on sisemise energia muutuse mõõt, mida keha soojusvahetuse käigus vastu võtab (või loobub).

Seega iseloomustavad nii töö kui ka soojushulk energia muutumist, kuid ei ole energiaga identsed. Need ei iseloomusta süsteemi enda olekut, vaid määravad energia ülemineku protsessi ühelt tüübilt teisele (ühest kehast teise) oleku muutumisel ja sõltuvad oluliselt protsessi iseloomust.

Peamine erinevus töö ja soojushulga vahel seisneb selles, et töö iseloomustab süsteemi siseenergia muutumise protsessi, millega kaasneb energia muundumine ühest tüübist teise (mehaanilisest siseenergiasse). Soojushulk iseloomustab siseenergia ülekandmise protsessi ühelt kehalt teisele (rohkemalt kuumutatult vähem kuumutatud), millega ei kaasne energia muundumisi.

Kogemused näitavad, et kehamassi soojendamiseks vajalik soojushulk m temperatuuril T 1 temperatuurini T 2, arvutatakse valemiga

\(~Q = cm (T_2 - T_1) = cm \Delta T, \qquad (1)\)

Kus c- aine erisoojusmahtuvus;

\(~c = \frac(Q)(m (T_2 - T_1)).\)

Erisoojusmahtuvuse ühikuks SI on džauli kilogrammi kelvini kohta (J/(kg K)).

Erisoojus c on arvuliselt võrdne soojushulgaga, mis tuleb edastada 1 kg kaaluvale kehale, et seda kuumutada 1 K võrra.

Soojusmahtuvus keha C T on arvuliselt võrdne soojushulgaga, mis on vajalik kehatemperatuuri muutmiseks 1 K võrra:

\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = cm.\)

Keha soojusmahtuvuse ühikuks SI on džauli kelvini kohta (J/K).

Vedeliku muutmiseks auruks konstantsel temperatuuril on vaja kulutada teatud kogus soojust

\(~Q = Lm, \qquad (2)\)

Kus L- eriline aurustumissoojus. Auru kondenseerumisel eraldub sama palju soojust.

Kristallilise kehakaalu sulatamiseks m sulamistemperatuuril peab keha edastama soojushulka

\(~Q = \lambda m, \qquad (3)\)

Kus λ - eriline sulamissoojus. Kui keha kristalliseerub, eraldub sama palju soojust.

Kütuse massi täielikul põlemisel vabanev soojushulk m,

\(~Q = qm, \qquad (4)\)

Kus q- eripõlemissoojus.

Aurustumis-, sulamis- ja põlemissoojuste erisoojuste SI-ühik on džauli kilogrammi kohta (J/kg).

Kirjandus

Aksenovitš L. A. Füüsika in Keskkool: Teooria. Ülesanded. Testid: Õpik. toetus üldharidust andvatele asutustele. keskkond, haridus / L. A. Aksenovitš, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - Lk 154-155.

Meie artikli keskmes on soojushulk. Vaatleme siseenergia mõistet, mis selle suuruse muutumisel teiseneb. Näitame ka mõningaid näiteid arvutuste rakendamisest inimtegevus.

Kuumus

Mis tahes sõnaga emakeel Igal inimesel on oma ühendused. Nad on kindlameelsed isiklik kogemus ja irratsionaalsed tunded. Mida sa tavaliselt mõtled, kui kuulete sõna "soojus"? Pehme tekk, töökorras aku keskküte talv, esiteks päikesevalgus kevad, kass Või ema pilk, sõbra lohutav sõna, õigeaegne tähelepanu.

Füüsikud mõtlevad selle all väga spetsiifilist terminit. Ja väga oluline, eriti selle keerulise, kuid põneva teaduse mõnes osas.

Termodünaamika

Soojushulka ei tasu arvestada eraldi kõige lihtsamatest protsessidest, millel energia jäävuse seadus põhineb – midagi ei selgu. Seetõttu tuletagem neid kõigepealt oma lugejatele meelde.

Termodünaamika käsitleb mis tahes asja või objekti väga suure hulga elementaarsete osade - aatomite, ioonide, molekulide - kombinatsioonina. Selle võrrandid kirjeldavad kõiki muutusi süsteemi kui terviku kollektiivses olekus ja kui terviku osa, kui makroparameetrid muutuvad. Viimane viitab temperatuurile (tähistatakse kui T), rõhule (P), komponentide kontsentratsioonile (tavaliselt C).

Sisemine energia

Siseenergia on üsna keeruline termin, mille tähendust tasub mõista enne, kui soojushulgast rääkida. See tähistab energiat, mis muutub, kui objekti makroparameetrite väärtus suureneb või väheneb ja ei sõltu võrdlussüsteemist. See on osa koguenergiast. See ühtib sellega tingimustes, kui uuritava asja massikese on puhkeasendis (st kineetilist komponenti pole).

Kui inimene tunneb, et mõni objekt (näiteks jalgratas) on muutunud kuumaks või külmaks, näitab see, et kõik molekulid ja aatomid, mis moodustavad see süsteem, kogesid sisemise energia muutust. Konstantne temperatuur ei tähenda aga selle indikaatori säilimist.

Töö ja soojus

Iga termodünaamilise süsteemi siseenergiat saab muuta kahel viisil:

sellega tööd tehes;
soojusvahetuse ajal keskkonnaga.

Selle protsessi valem näeb välja selline:

dU=Q-A, kus U on siseenergia, Q on soojus, A on töö.

Laske lugejat väljendi lihtsus petta. Ümberkorraldamine näitab, et Q=dU+A, kuid entroopia (S) kasutuselevõtt viib valemi kujule dQ=dSxT.

Alates aastast sel juhul võrrand võtab diferentsiaalkuju, siis nõuab esimene avaldis sama. Järgmisena tuletatakse vajalik suhe sõltuvalt uuritavas objektis mõjuvatest jõududest ja arvutatavast parameetrist.

Võtame termodünaamilise süsteemi näitena metallkuuli. Kui vajutate sellele, viskate üles, kukutate sügavasse kaevu, tähendab see selle kallal töötamist. Väliselt ei kahjusta kõik need kahjutud toimingud pallile mingit kahju, kuid selle sisemine energia muutub, ehkki väga kergelt.

Teine meetod on soojusvahetus. Nüüd jõuame selle artikli peamise eesmärgini: soojushulga kirjeldus. See on termodünaamilise süsteemi siseenergia muutus, mis toimub soojusvahetuse käigus (vt ülaltoodud valemit). Seda mõõdetakse džaulides või kalorites. Ilmselgelt, kui palli hoida tulemasina kohal, päikese käes või lihtsalt sees soe käsi, siis see soojeneb. Ja siis saate temperatuuri muutuse abil leida talle edastatud soojushulga.

Miks gaas on parim näide sisemise energia muutumisest ja miks koolilastele füüsika seetõttu ei meeldi

Eespool kirjeldasime muutusi metallkuuli termodünaamilistes parameetrites. Ilma spetsiaalsete seadmeteta pole need eriti märgatavad ja lugejal jääb vaid sõna võtta objektiga toimuvate protsesside kohta. Teine asi on see, kas süsteem on gaas. Vajutage sellele - see on nähtav, soojendage seda - rõhk tõuseb, langetage see maa alla - ja seda saab hõlpsasti salvestada. Seetõttu kasutatakse õpikutes gaasi kõige sagedamini visuaalse termodünaamilise süsteemina.

Aga paraku sisse kaasaegne haridus tõelisi kogemusi erilist tähelepanu ei pöörata. Teadlane, kes kirjutab Tööriistakomplekt, saab suurepäraselt aru, millest räägib me räägime. Talle tundub, et gaasimolekulide näitel demonstreeritakse korralikult kõiki termodünaamilisi parameetreid. Seda maailma alles avastaval õpilasel on aga igav kuuldes ideaalsest teoreetilise kolviga kolvist. Kui koolis oleksid reaalsed uurimislaborid ja neis töötamiseks tunnid eraldatud, oleks asjad teisiti. Seni on katsed kahjuks vaid paberil. Ja suure tõenäosusega on just see põhjus, miks inimesed peavad seda füüsikaharu millekski puhtalt teoreetiliseks, elukaugeks ja tarbetuks.

Seetõttu otsustasime näitena kasutada juba eespool mainitud jalgratast. Inimene vajutab pedaale ja teeb nende kallal tööd. Lisaks kogu mehhanismile pöördemomendi andmisele (tänu millele jalgratas ruumis liigub) muutub ka materjalide siseenergia, millest kangid on valmistatud. Jalgrattur vajutab pööramiseks käepidemeid ja teeb jälle tööd.

Sisemine energia väliskate(plastist või metallist) suureneb. Inimene sõidab välja lagendikule ereda päikese all - jalgratas kuumeneb, selle soojushulk muutub. Peatub puhkama vana tamme varjus ja süsteem jahtub, kaotades kaloreid või džaule. Suurendab kiirust – suurendab energiavahetust. Kuid soojushulga arvutamine kõigil neil juhtudel näitab väga väikest, märkamatut väärtust. Seetõttu tundub, et termodünaamilise füüsika ilmingud in päris elu Ei.

Arvutuste rakendamine soojushulga muutuste kohta

Tõenäoliselt ütleb lugeja, et see kõik on väga hariv, aga miks me koolis nende valemitega nii piinleme? Ja nüüd toome näiteid, millistes inimtegevuse valdkondades neid otseselt vaja on ja kuidas see kedagi igapäevaelus puudutab.

Esiteks vaadake enda ümber ja loendage: kui palju metallesemeid teid ümbritseb? Tõenäoliselt üle kümne. Kuid enne kirjaklambriks, vankriks, rõngaks või mälupulgaks saamist sulatatakse iga metall läbi. Iga tehas, mis töötleb näiteks rauamaaki, peab kulude optimeerimiseks aru saama, kui palju kütust on vaja. Ja selle arvutamisel on vaja teada metalli sisaldava tooraine soojusmahtuvust ja soojushulka, mida on vaja sellele edasi anda, et kõik juhtuks. tehnoloogilised protsessid. Kuna kütuseühikust vabanev energia arvutatakse džaulides või kalorites, on valemeid vaja otse.

Või teine näide: enamikul supermarketitel on külmutatud kauba osakond – kala, liha, puuviljad. Kui loomaliha või mereandide tooraine muudetakse pooltoodeteks, peavad nad teadma, kui palju energiat tarbivad külmutus- ja külmutusseadmed ühe tonni või valmistoote ühiku kohta. Selleks tuleb välja arvutada, kui palju soojust kaotab kilogramm maasikaid või kalmaari ühe kraadi võrra jahutatuna. Ja lõpuks näitab see, kui palju elektrit teatud võimsusega sügavkülmik tarbib.

Lennukid, laevad, rongid

Eespool näitasime näiteid suhteliselt liikumatutest staatilistest objektidest, millele antakse teatud kogus soojust või millest, vastupidi, võetakse teatud kogus soojust ära. Objektide puhul, mis liiguvad töö ajal pidevalt muutuva temperatuuri tingimustes, on soojushulga arvutused olulised ka teisel põhjusel.

On olemas selline asi nagu "metalli väsimus". See hõlmab ka ülimat lubatud koormused teatud temperatuurimuutuse kiirusel. Kujutage ette lennukit, mis tõuseb õhku niiskest troopikast külmunud atmosfääri ülaosasse. Insenerid peavad kõvasti vaeva nägema, et see temperatuuri muutumisel tekkivate metallipragude tõttu laiali ei laguneks. Nad otsivad sulami koostist, mis talub tõelisi koormusi ja millel on suur ohutusvaru. Ja selleks, et mitte pimesi otsida, lootes kogemata soovitud koostisele komistada, peate tegema palju arvutusi, sealhulgas neid, mis hõlmavad soojushulga muutusi.