Capacitate termica- aceasta este cantitatea de căldură absorbită de organism când este încălzit cu 1 grad.
Capacitatea termică a unui corp este indicată prin capital Literă latină CU.
De ce depinde capacitatea termică a unui corp? În primul rând, din masa sa. Este clar că pentru a încălzi, de exemplu, va fi necesar 1 kilogram de apă mai multa caldura decât pentru încălzirea a 200 de grame.
Dar tipul de substanță? Să facem un experiment. Să luăm două vase identice și, după ce am turnat apă cu o greutate de 400 g într-unul dintre ele și ulei vegetal cu o greutate de 400 g în celălalt, vom începe să le încălzim folosind arzătoare identice. Observând citirile termometrului, vom vedea că uleiul se încălzește rapid. Pentru a încălzi apa și uleiul la aceeași temperatură, apa trebuie încălzită mai mult timp. Dar cu cât încălzim mai mult apa, cu atât cantitate mare primeste caldura de la arzator.
Astfel, sunt necesare cantități diferite de căldură pentru a încălzi aceeași masă de substanțe diferite la aceeași temperatură. Cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp și, prin urmare, capacitatea acestuia de căldură depind de tipul de substanță din care este compus corpul.
Deci, de exemplu, pentru a crește temperatura apei care cântărește 1 kg cu 1 °C, este necesară o cantitate de căldură egală cu 4200 J și pentru a încălzi aceeași masă cu 1 °C ulei de floarea soarelui cantitatea de căldură necesară este de 1700 J.
O mărime fizică care arată câtă căldură este necesară pentru a încălzi 1 kg dintr-o substanță cu 1 ºС se numește capacitatea termică specifică a acestei substante.
Fiecare substanță are a ei căldura specifică, care este notat cu litera latină c și măsurat în jouli pe kilogram-grad (J/(kg °C)).
Capacitatea termică specifică a aceleiași substanțe în diferite stări de agregare (solid, lichid și gazos) este diferită. De exemplu, capacitatea termică specifică a apei este de 4200 J/(kg °C), iar capacitatea termică specifică a gheții este de 2100 J/(kg °C); aluminiul în stare solidă are o capacitate termică specifică de 920 J/(kg - °C), iar în stare lichidă - 1080 J/(kg - °C).
Rețineți că apa are o capacitate termică specifică foarte mare. Prin urmare, apa din mări și oceane, care se încălzește vara, absoarbe o cantitate mare de căldură din aer. Datorită acestui fapt, în acele locuri care sunt situate lângă corpuri mari de apă, vara nu este la fel de caldă ca în locurile departe de apă.
Calculul cantității de căldură necesară pentru încălzirea unui corp sau eliberată de acesta în timpul răcirii.
Din cele de mai sus reiese clar că cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp depinde de tipul de substanță din care constă corpul (adică, capacitatea de căldură specifică) și de masa corpului. De asemenea, este clar că cantitatea de căldură depinde de câte grade vom crește temperatura corpului.
Deci, pentru a determina cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp sau eliberată de acesta în timpul răcirii, trebuie să înmulțiți capacitatea termică specifică a corpului cu masa sa și cu diferența dintre temperaturile sale finale și inițiale:
Q= cm (t2 -t1),
Unde Q- cantitatea de caldura, c- capacitate termica specifica, m - masa corpului, t 1- temperatura initiala, t 2- temperatura finala.
Când corpul se încălzește t 2> t 1 prin urmare Q >0 . Când corpul se răcește t 2i< t 1 prin urmare Q< 0 .
Dacă se cunoaşte capacitatea termică a întregului corp CU, Q determinat de formula: Q = C (t 2 - t 1).
22) Topire: definirea, calculul cantității de căldură pentru topire sau solidificare, căldură specifică de topire, graficul lui t 0 (Q).
Termodinamica
Capitol fizica moleculara, care studiază transferul de energie, modelele de transformare a unor tipuri de energie în altele. Spre deosebire de teoria cinetică moleculară, termodinamica nu ține cont structura interna substanțe și microparametri.
Sistem termodinamic
Este o colecție de corpuri care schimbă energie (sub formă de muncă sau căldură) între ele sau cu mediu inconjurator. De exemplu, apa din ibric se răcește, iar căldura este schimbată între apă și ibric, iar căldura ibricului cu mediul înconjurător. Un cilindru cu gaz sub piston: pistonul efectuează un lucru, în urma căruia gazul primește energie și se schimbă macroparametrii.
Cantitatea de căldură
Acest energie, pe care sistemul îl primește sau eliberează în timpul procesului de schimb de căldură. Notat cu simbolul Q, se măsoară, ca orice energie, în Jouli.
Ca rezultat al diferitelor procese de schimb de căldură, energia care este transferată este determinată în felul său.
Incalzind si racind
Acest proces este caracterizat de o schimbare a temperaturii sistemului. Cantitatea de căldură este determinată de formulă
Capacitatea termică specifică a unei substanţe cu măsurată prin cantitatea de căldură necesară pentru încălzire unități de masă a acestei substanțe cu 1K. Încălzirea a 1 kg de sticlă sau 1 kg de apă necesită cantități diferite de energie. Capacitatea termică specifică este o cantitate cunoscută, deja calculată pentru toate substanțele; vezi valoarea în tabelele fizice.
Capacitatea termică a substanței C- aceasta este cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp fără a lua în considerare masa lui cu 1K.
Topire și cristalizare
Topirea este trecerea unei substanțe de la starea solidă la starea lichidă. Tranziția inversă se numește cristalizare.
Energia care este cheltuită pentru distrugere rețea cristalină substanțe, determinate de formulă
Căldura specifică de fuziune este o valoare cunoscută pentru fiecare substanță; vezi valoarea în tabelele fizice.
Vaporizare (evaporare sau fierbere) și condensare
Vaporizarea este trecerea unei substanțe de la o stare lichidă (solidă) la o stare gazoasă. Proces invers numită condensare.
Căldura specifică de vaporizare este o valoare cunoscută pentru fiecare substanță; vezi valoarea în tabelele fizice.
Combustie
Cantitatea de căldură eliberată atunci când o substanță arde
Căldura specifică de ardere este o valoare cunoscută pentru fiecare substanță; vezi valoarea în tabelele fizice.
Pentru un sistem de corpuri închis și izolat adiabatic, ecuația de echilibru termic este satisfăcută. Suma algebrică a cantităților de căldură date și primite de toate corpurile care participă la schimbul de căldură este egală cu zero:
Q 1 +Q 2 +...+Q n =0
23) Structura lichidelor. Strat de suprafață. Forța de tensiune superficială: exemple de manifestare, calcul, coeficient de tensiune superficială.
Din când în când, orice moleculă se poate muta într-o locație liberă din apropiere. Astfel de sărituri în lichide apar destul de des; prin urmare, moleculele nu sunt legate de centri specifici, ca în cristale, și se pot mișca în întregul volum al lichidului. Aceasta explică fluiditatea lichidelor. Datorită interacțiunii puternice dintre moleculele apropiate, acestea pot forma grupări ordonate locale (instabile) care conțin mai multe molecule. Acest fenomen se numește ordine de închidere(Fig. 3.5.1).
Se numește coeficientul β coeficientul de temperatură al expansiunii volumetrice . Acest coeficient pentru lichide este de zeci de ori mai mare decât pentru solide. Pentru apă, de exemplu, la o temperatură de 20 °C β în ≈ 2 10 – 4 K – 1, pentru oțel β st ≈ 3.6 10 – 5 K – 1, pentru sticlă de cuarț β kv ≈ 9 10 – 6 K - 1 .
Expansiunea termică a apei are o anomalie interesantă și importantă pentru viața de pe Pământ. La temperaturi sub 4 °C, apa se extinde pe măsură ce temperatura scade (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Când apa îngheață, se extinde, astfel încât gheața rămâne plutind pe suprafața unui corp de apă înghețat. Temperatura apei înghețate sub gheață este de 0 °C. În straturile mai dense de apă din fundul rezervorului, temperatura este de aproximativ 4 °C. Datorită acestui fapt, viața poate exista în apa rezervoarelor înghețate.
Cea mai interesantă caracteristică a lichidelor este prezența suprafata libera . Lichidul, spre deosebire de gaze, nu umple întregul volum al recipientului în care este turnat. Se formează o interfață între lichid și gaz (sau vapori), care se află în conditii speciale comparativ cu restul masei lichide.. Trebuie avut în vedere că, datorită compresibilității extrem de scăzute, prezența unui strat de suprafață mai dens nu duce la nicio modificare vizibilă a volumului lichidului. Dacă o moleculă se mișcă de la suprafață în lichid, forțele interacțiunii intermoleculare vor face o activitate pozitivă. Dimpotrivă, pentru a trage un anumit număr de molecule din adâncimea lichidului la suprafață (adică, pentru a crește suprafața lichidului), forțele externe trebuie să efectueze un lucru pozitiv Δ A extern, proporțional cu modificarea Δ S suprafață:
Din mecanică se știe că stările de echilibru ale unui sistem corespund valorii minime a energiei sale potențiale. Rezultă că suprafața liberă a lichidului tinde să-și reducă aria. Din acest motiv, o picătură liberă de lichid capătă o formă sferică. Lichidul se comportă ca și cum forțele care acționează tangențial la suprafața sa ar contracta (trag) această suprafață. Aceste forțe sunt numite forțele de tensiune superficială .
Prezența forțelor de tensiune superficială face ca suprafața unui lichid să arate ca o peliculă elastică întinsă, cu singura diferență că forțele elastice din film depind de suprafața sa (adică de modul în care filmul este deformat) și de tensiunea superficială. forte nu depinzi pe suprafața lichidului.
Unele lichide, cum ar fi apa cu săpun, au capacitatea de a forma pelicule subțiri. Baloanele de săpun binecunoscute au o formă sferică obișnuită - aceasta arată și efectul forțelor de tensiune superficială. Dacă un cadru de sârmă, a cărui latură este mobilă, este coborât într-o soluție de săpun, atunci întregul cadru va fi acoperit cu o peliculă de lichid (Fig. 3.5.3).
Forțele de tensiune superficială tind să reducă suprafața filmului. Pentru a echilibra partea în mișcare a cadrului, trebuie să aplicați forta externa Dacă, sub influența unei forțe, bara transversală se mișcă cu Δ X, atunci se va executa lucrul Δ A vn = F vn Δ X = Δ E p = σΔ S, unde Δ S = 2LΔ X– creșterea suprafeței ambelor părți ale peliculei de săpun. Deoarece modulele forțelor și sunt aceleași, putem scrie:
|
Astfel, coeficientul de tensiune superficială σ poate fi definit ca modulul forței de tensiune superficială care acționează pe unitatea de lungime a liniei care delimitează suprafața.
Datorită acțiunii forțelor de tensiune superficială în picăturile de lichid și în interior bule de săpun apare un exces de presiune Δ p. Dacă tăiați mental o picătură sferică de rază Rîn două jumătăți, atunci fiecare dintre ele trebuie să fie în echilibru sub acțiunea forțelor de tensiune superficială aplicate limitei tăiate de lungime 2π Rși putere suprapresiune, acționând asupra ariei π R 2 secțiuni (Fig. 3.5.4). Condiția de echilibru se scrie ca
Dacă aceste forțe sunt mai mari decât forțele de interacțiune dintre moleculele lichidului însuși, atunci lichidul udă suprafata unui solid. În acest caz, lichidul se apropie de suprafața solidului la un anumit unghi ascuțit θ, caracteristic unei perechi lichid-solid dată. Unghiul θ se numește unghi de contact . Dacă forțele de interacțiune dintre moleculele lichide depășesc forțele de interacțiune a acestora cu moleculele solide, atunci unghiul de contact θ se dovedește a fi obtuz (Fig. 3.5.5). În acest caz se spune că lichidul nu se uda suprafata unui solid. La umezire completăθ = 0, at neumedare completăθ = 180°.
Fenomene capilare numită creșterea sau căderea lichidului în tuburi cu diametru mic - capilarele. Lichidele umede se ridică prin capilare, lichidele care nu se umezesc coboară.
În fig. 3.5.6 prezintă un tub capilar cu o anumită rază r, coborât la capătul inferior într-un lichid de umectare de densitate ρ. Capătul superior al capilarului este deschis. Creșterea lichidului în capilar continuă până când forța gravitațională care acționează asupra coloanei de lichid din capilar devine egală ca mărime cu rezultanta F n forțe de tensiune superficială care acționează de-a lungul limitei de contact a lichidului cu suprafața capilarului: F t = F n, unde F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.
Asta implică:
Cu neumezire completă θ = 180°, cos θ = –1 și, prin urmare, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Apa udă aproape complet suprafața curată de sticlă. Dimpotrivă, mercurul nu umezește complet suprafața sticlei. Prin urmare, nivelul de mercur din capilarul de sticlă scade sub nivelul din vas.
24) Vaporizare: definiție, tipuri (evaporare, fierbere), calculul cantității de căldură pentru vaporizare și condensare, căldură specifică de vaporizare.
Evaporare și condensare. Explicarea fenomenului de evaporare pe baza ideilor despre structura moleculară a materiei. Căldura specifică de vaporizare. Unitățile sale.
Fenomenul de transformare a unui lichid în vapori se numește vaporizare.
Evaporare - procesul de vaporizare care are loc de pe o suprafata deschisa.
Moleculele lichide se mișcă cu la viteze diferite. Dacă orice moleculă ajunge la suprafața unui lichid, ea poate depăși atracția moleculelor învecinate și poate zbura din lichid. Moleculele ejectate formează abur. Moleculele rămase ale lichidului își schimbă viteza la coliziune. În același timp, unele molecule capătă o viteză suficientă pentru a zbura din lichid. Acest proces continuă, astfel încât lichidele se evaporă încet.
*Viteza de evaporare depinde de tipul de lichid. Acele lichide ale căror molecule sunt atrase cu mai puțină forță se evaporă mai repede.
* Evaporarea poate avea loc la orice temperatură. Dar cand temperaturi mari evaporarea are loc mai rapid .
*Viteza de evaporare depinde de suprafața sa.
*Cu vânt (fluxul de aer), evaporarea are loc mai rapid.
În timpul evaporării, energia internă scade, deoarece În timpul evaporării, lichidul lasă molecule rapide, prin urmare, viteza medie a moleculelor rămase scade. Aceasta înseamnă că, dacă nu există un aflux de energie din exterior, atunci temperatura lichidului scade.
Fenomenul de transformare a vaporilor în lichid se numește condensare.
Este însoțită de eliberarea de energie.
Condensul aburului explică formarea norilor. Vaporii de apă care se ridică deasupra solului formează nori în straturile superioare reci ale aerului, care constau din picături minuscule de apă.
Căldura specifică de vaporizare – fizică o valoare care arată câtă căldură este necesară pentru a transforma un lichid cu o greutate de 1 kg în abur fără modificarea temperaturii.
Ud. căldură de vaporizare notată cu litera L și măsurată în J/kg
Ud. căldura de vaporizare a apei: L=2,3×10 6 J/kg, alcool L=0,9×10 6
Cantitatea de căldură necesară pentru a transforma lichidul în vapori: Q = Lm
După cum se știe, la diferit procese mecanice se produce schimbarea energie mecanică W meh. O măsură a schimbării energiei mecanice este munca forțelor aplicate sistemului:
\(~\Delta W_(meh) = A.\)
În timpul schimbului de căldură, are loc o schimbare a energiei interne a corpului. O măsură a modificării energiei interne în timpul transferului de căldură este cantitatea de căldură.
Cantitatea de căldură este o măsură a modificării energiei interne la care un corp o primește (sau renunță) în timpul procesului de schimb de căldură.
Astfel, atât munca cât și cantitatea de căldură caracterizează schimbarea energiei, dar nu sunt identice cu energia. Ele nu caracterizează starea sistemului în sine, ci determină procesul de tranziție a energiei de la un tip la altul (de la un corp la altul) atunci când starea se schimbă și depind semnificativ de natura procesului.
Principala diferență dintre muncă și cantitatea de căldură este că munca caracterizează procesul de modificare a energiei interne a unui sistem, însoțită de transformarea energiei de la un tip la altul (din mecanic în intern). Cantitatea de căldură caracterizează procesul de transfer al energiei interne de la un corp la altul (de la mai încălzit la mai puțin încălzit), neînsoțit de transformări energetice.
Experiența arată că cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi o masă corporală m asupra temperaturii T 1 la temperatură T 2, calculat prin formula
\(~Q = cm (T_2 - T_1) = cm \Delta T, \qquad (1)\)
Unde c- capacitatea termică specifică a substanței;
\(~c = \frac(Q)(m (T_2 - T_1)).\)
Unitatea SI a capacității termice specifice este joule pe kilogram Kelvin (J/(kg K)).
Căldura specifică c este numeric egală cu cantitatea de căldură care trebuie transmisă unui corp care cântărește 1 kg pentru a-l încălzi cu 1 K.
Capacitate termica corp C T este numeric egal cu cantitatea de căldură necesară pentru a modifica temperatura corpului cu 1 K:
\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = cm.\)
Unitatea SI a capacității de căldură a unui corp este joule pe Kelvin (J/K).
Pentru a transforma un lichid în abur la o temperatură constantă, este necesar să consumați o cantitate de căldură
\(~Q = Lm, \qquad (2)\)
Unde L- caldura specifica de vaporizare. Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.
Pentru a topi un corp cristalin cântărind m la punctul de topire, corpul trebuie să comunice cantitatea de căldură
\(~Q = \lambda m, \qquad (3)\)
Unde λ - căldură specifică de fuziune. Când un corp cristalizează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.
Cantitatea de căldură eliberată în timpul arderii complete a unei mase de combustibil m,
\(~Q = qm, \qquad (4)\)
Unde q- caldura specifica de ardere.
Unitatea SI a căldurilor specifice de vaporizare, topire și ardere este joule pe kilogram (J/kg).
Literatură
Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini. Teste: manual. alocație pentru instituțiile care oferă învățământ general. mediu, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 154-155.
« Fizica - clasa a X-a"
În ce procese au loc transformări agregate ale materiei?
Cum mă pot schimba starea de agregare substante?
Puteți schimba energia internă a oricărui corp lucrând, încălzindu-l sau, dimpotrivă, răcindu-l.
Deci, la forjarea unui metal, se lucrează și acesta se încălzește, în același timp metalul poate fi încălzit peste o flacără care arde.
De asemenea, dacă pistonul este fix (Fig. 13.5), atunci volumul de gaz nu se modifică atunci când este încălzit și nu se lucrează. Dar temperatura gazului și, prin urmare, energia sa internă, crește.
Energie interna poate crește și scădea, astfel încât cantitatea de căldură poate fi pozitivă și negativă.
Se numește procesul de transfer de energie de la un corp la altul fără a lucra schimb de caldura.
Măsura cantitativă a modificării energiei interne în timpul transferului de căldură se numește cantitatea de căldură.
Imaginea moleculară a transferului de căldură.
În timpul schimbului de căldură la granița dintre corpuri, are loc interacțiunea moleculelor care se mișcă lentă ale unui corp rece cu moleculele care se mișcă rapid ale unui corp fierbinte. Ca urmare, energiile cinetice ale moleculelor sunt egalizate și vitezele moleculelor unui corp rece cresc, iar cele ale unui corp fierbinte scad.
În timpul schimbului de căldură, energia nu este convertită dintr-o formă în alta; o parte din energia internă a unui corp mai încălzit este transferată unui corp mai puțin încălzit.
Cantitatea de căldură și capacitatea de căldură.
Știți deja că pentru a încălzi un corp de masă m de la temperatura t 1 la temperatura t 2, este necesar să îi transferați o cantitate de căldură:
Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13,5)
Când un corp se răcește, temperatura sa finală t 2 se dovedește a fi mai mică decât temperatura inițială t 1 și cantitatea de căldură degajată de corp este negativă.
Se numește coeficientul c din formula (13.5). capacitatea termică specifică substante.
Căldura specifică- aceasta este o cantitate egală numeric cu cantitatea de căldură pe care o primește sau o eliberează o substanță cu greutatea de 1 kg atunci când temperatura sa se schimbă cu 1 K.
Capacitatea termică specifică a gazelor depinde de procesul prin care are loc transferul de căldură. Dacă încălziți un gaz la presiune constantă, acesta se va extinde și va funcționa. Pentru a încălzi un gaz cu 1 °C la presiune constantă, trebuie să transfere mai multă căldură decât să-l încălzească la un volum constant, când gazul se va încălzi doar.
Lichid și solide se dilata usor la incalzire. Capacitățile lor specifice de căldură la volum constant și presiune constantă diferă puțin.
Căldura specifică de vaporizare.
Pentru a transforma un lichid în abur în timpul procesului de fierbere, trebuie să i se transfere o anumită cantitate de căldură. Temperatura unui lichid nu se schimbă atunci când fierbe. Transformarea unui lichid în vapori la o temperatură constantă nu duce la o creștere a energiei cinetice a moleculelor, ci este însoțită de o creștere a energiei potențiale a interacțiunii lor. La urma urmei, distanța medie dintre moleculele de gaz este mult mai mare decât între moleculele lichide.
O cantitate egală numeric cu cantitatea de căldură necesară pentru a transforma un lichid care cântărește 1 kg în abur la o temperatură constantă se numește căldura specifică vaporizare.
Procesul de evaporare a unui lichid are loc la orice temperatură, în timp ce cele mai rapide molecule părăsesc lichidul, iar acesta se răcește în timpul evaporării. Căldura specifică de evaporare este egală cu căldura specifică de vaporizare.
Această valoare este notată cu litera r și exprimată în jouli pe kilogram (J/kg).
Căldura specifică de vaporizare a apei este foarte mare: r H20 = 2,256 10 6 J/kg la o temperatură de 100 °C. Pentru alte lichide, de exemplu alcool, eter, mercur, kerosen, căldura specifică de vaporizare este de 3-10 ori mai mică decât cea a apei.
Pentru a transforma un lichid cu masa m în vapori, este necesară o cantitate de căldură egală cu:
Q p = rm. (13,6)
Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură:
Q k = -rm. (13,7)
Căldura specifică de fuziune.
Când un corp cristalin se topește, toată căldura furnizată acestuia duce la creșterea energiei potențiale de interacțiune între molecule. Energia cinetică a moleculelor nu se modifică, deoarece topirea are loc la o temperatură constantă.
O valoare egală numeric cu cantitatea de căldură necesară pentru a transforma o substanță cristalină care cântărește 1 kg la punctul de topire într-un lichid se numește căldură specifică de fuziuneși notat cu litera λ.
Când o substanță care cântărește 1 kg cristalizează, se eliberează exact aceeași cantitate de căldură cu cea care este absorbită în timpul topirii.
Căldura specifică de topire a gheţii este destul de mare: 3,34 10 5 J/kg.
„Dacă gheața nu ar avea o căldură mare de fuziune, atunci în primăvară întreaga masă de gheață ar trebui să se topească în câteva minute sau secunde, deoarece căldura este transferată continuu către gheață din aer. Consecințele acestui lucru ar fi cumplite; la urma urmei, chiar și în situația actuală, atunci când mase mari de gheață sau zăpadă se topesc, apar inundații mari și fluxuri puternice de apă.” R. Black, secolul XVIII.
Pentru a topi un corp cristalin de masa m, este necesară o cantitate de căldură egală cu:
Qpl = λm. (13,8)
Cantitatea de căldură eliberată în timpul cristalizării unui corp este egală cu:
Q cr = -λm (13,9)
Ecuația de echilibru termic.
Să luăm în considerare schimbul de căldură în cadrul unui sistem format din mai multe corpuri care au inițial temperaturi diferite, de exemplu, schimbul de căldură între apa dintr-un vas și o minge fierbinte de fier coborâtă în apă. Conform legii conservării energiei, cantitatea de căldură degajată de un corp este numeric egală cu cantitatea de căldură primită de altul.
Cantitatea de căldură dată este considerată negativă, cantitatea de căldură primită este considerată pozitivă. Prin urmare, cantitatea totală de căldură Q1 + Q2 = 0.
Dacă schimbul de căldură are loc între mai multe corpuri dintr-un sistem izolat, atunci
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Ecuația (13.10) se numește ecuația de echilibru termic.
Aici Q 1 Q 2, Q 3 sunt cantitățile de căldură primite sau degajate de corpuri. Aceste cantități de căldură sunt exprimate prin formula (13.5) sau formulele (13.6)-(13.9), dacă în timpul procesului de schimb de căldură au loc diferite transformări de fază ale substanței (topire, cristalizare, vaporizare, condensare).
Obiectivul articolului nostru este cantitatea de căldură. Vom lua în considerare conceptul de energie internă, care se transformă atunci când această cantitate se modifică. Vom arăta și câteva exemple de aplicare a calculelor în activitate umana.
Căldură
Cu orice cuvânt limba maternă Fiecare persoană are propriile asociații. Sunt hotărâți experienta personalași sentimente iraționale. La ce te gândești de obicei când auzi cuvântul „căldură”? Pătură moale, baterie funcțională încălzire centrală iarna, în primul rând lumina soarelui primavara, pisica Sau privirea unei mame, cuvântul reconfortant al unui prieten, atenția la timp.
Fizicienii înțeleg prin aceasta un termen foarte specific. Și foarte important, mai ales în unele secțiuni ale acestei științe complexe, dar fascinante.
Termodinamica
Nu merită să luați în considerare cantitatea de căldură izolat de cele mai simple procese pe care se bazează legea conservării energiei - nimic nu va fi clar. Prin urmare, mai întâi să le reamintim cititorilor noștri.
Termodinamica consideră orice lucru sau obiect ca o combinație a unui număr foarte mare de părți elementare - atomi, ioni, molecule. Ecuațiile sale descriu orice modificare a stării colective a sistemului ca întreg și ca parte a întregului atunci când macroparametrii se modifică. Acesta din urmă se referă la temperatură (notată cu T), presiune (P), concentrația componentelor (de obicei C).
Energie interna
Energia internă este un termen destul de complex, al cărui sens merită înțeles înainte de a vorbi despre cantitatea de căldură. Indică energia care se modifică atunci când valoarea macroparametrilor unui obiect crește sau scade și nu depinde de sistemul de referință. Face parte din energia totală. El coincide cu el în condițiile în care centrul de masă al obiectului studiat este în repaus (adică nu există nicio componentă cinetică).
Când o persoană simte că un obiect (să zicem o bicicletă) a devenit fierbinte sau rece, arată că toate moleculele și atomii care alcătuiesc acest sistem, a experimentat o schimbare a energiei interne. Cu toate acestea, temperatura constantă nu înseamnă păstrarea acestui indicator.
Muncă și căldură
Energia internă a oricărui sistem termodinamic poate fi transformată în două moduri:
- lucrând la el;
- în timpul schimbului de căldură cu mediul.
Formula pentru acest proces arată astfel:
dU=Q-A, unde U este energia internă, Q este căldura, A este muncă.
Cititorul să nu se lase înșelat de simplitatea expresiei. Rearanjarea arată că Q=dU+A, totuși, introducerea entropiei (S) aduce formula la forma dQ=dSxT.
Din moment ce în în acest caz, ecuația ia forma uneia diferențiale, apoi prima expresie necesită aceeași. În continuare, în funcție de forțele care acționează în obiectul studiat și de parametrul care este calculat, se deduce raportul necesar.
Să luăm o minge de metal ca exemplu de sistem termodinamic. Dacă apăsați pe el, îl aruncați în sus, îl aruncați într-o fântână adâncă, atunci asta înseamnă să lucrați la el. În exterior, toate aceste acțiuni inofensive nu vor provoca niciun rău mingii, dar energia sa internă se va schimba, deși foarte ușor.
A doua metodă este schimbul de căldură. Acum ajungem la scopul principal al acestui articol: o descriere a cantității de căldură. Aceasta este o schimbare a energiei interne a unui sistem termodinamic care are loc în timpul schimbului de căldură (vezi formula de mai sus). Se măsoară în jouli sau calorii. Evident, dacă mingea este ținută peste o brichetă, la soare sau pur și simplu înăuntru mână caldă, apoi se va incalzi. Și apoi puteți folosi schimbarea temperaturii pentru a afla cantitatea de căldură care i-a fost comunicată.
De ce gazul este cel mai bun exemplu de schimbare a energiei interne și de ce școlarilor nu le place fizica din această cauză
Mai sus am descris modificările parametrilor termodinamici ai unei mingi metalice. Ele nu sunt foarte vizibile fără dispozitive speciale, iar cititorul poate crede doar despre procesele care au loc cu obiectul. E alta problema daca sistemul este pe gaz. Apăsați pe el - va fi vizibil, încălziți-l - presiunea va crește, o va coborî sub pământ - și poate fi ușor înregistrată. Prin urmare, în manuale, gazul este cel mai adesea folosit ca sistem termodinamic vizual.
Dar, vai, în învăţământul modern experiente reale nu se acordă prea multă atenție. Savant care scrie Trusa de instrumente, înțelege perfect despre ce vorbește despre care vorbim. Lui i se pare că, folosind exemplul moleculelor de gaz, toți parametrii termodinamici vor fi demonstrați corespunzător. Dar un student care tocmai descoperă această lume se plictisește auzind despre un balon ideal cu un piston teoretic. Dacă școala ar avea adevărate laboratoare de cercetare și ar fi alocat ore de lucru în ele, lucrurile ar fi altfel. Până acum, din păcate, experimentele sunt doar pe hârtie. Și, cel mai probabil, tocmai acesta este motivul pentru care oamenii consideră această ramură a fizicii ca fiind ceva pur teoretic, departe de viață și inutil.
Prin urmare, am decis să folosim ca exemplu bicicleta deja menționată mai sus. O persoană apasă pe pedale și lucrează la ele. Pe lângă faptul că oferă cuplu întregului mecanism (mulțumită căruia bicicleta se mișcă în spațiu), se modifică energia internă a materialelor din care sunt realizate pârghiile. Ciclistul apasă mânerele pentru a se întoarce și din nou face treaba.
Energie interna acoperire exterioara(plastic sau metal) crește. O persoană iese într-o poiană sub soarele strălucitor - bicicleta se încălzește, cantitatea de căldură se schimbă. Se oprește să se odihnească la umbra unui stejar bătrân și sistemul se răcește, pierzând calorii sau jouli. Crește viteza - crește schimbul de energie. Cu toate acestea, calcularea cantității de căldură în toate aceste cazuri va arăta o valoare foarte mică, imperceptibilă. Prin urmare, se pare că manifestările fizicii termodinamice în viata reala Nu.
Aplicarea calculelor pentru modificările cantității de căldură
Cititorul va spune probabil că toate acestea sunt foarte educative, dar de ce suntem atât de chinuiți la școală cu aceste formule? Și acum vom da exemple în ce domenii ale activității umane sunt necesare în mod direct și cum se referă acest lucru pe oricine în viața de zi cu zi.
Mai întâi, uită-te în jurul tău și numără: câte obiecte metalice te înconjoară? Probabil mai mult de zece. Dar înainte de a deveni o agrafă, un cărucior, un inel sau o unitate flash, orice metal suferă topire. Fiecare fabrică care prelucrează, să zicem, minereu de fier, trebuie să înțeleagă cât de mult combustibil este necesar pentru a optimiza costurile. Și atunci când se calculează acest lucru, este necesar să se cunoască capacitatea termică a materiei prime care conțin metal și cantitatea de căldură care trebuie să i se transmită pentru ca totul să se întâmple. procese tehnologice. Deoarece energia eliberată de o unitate de combustibil este calculată în jouli sau calorii, formulele sunt necesare direct.
Sau un alt exemplu: majoritatea supermarketurilor au un departament cu produse congelate - peste, carne, fructe. În cazul în care materiile prime din carne de animale sau fructe de mare sunt transformate în semifabricate, aceștia trebuie să știe câtă energie electrică vor consuma unitățile de refrigerare și congelare pe tonă sau unitate de produs finit. Pentru a face acest lucru, trebuie să calculați câtă căldură pierde un kilogram de căpșuni sau calmar atunci când este răcit cu un grad Celsius. Și în cele din urmă, aceasta va arăta câtă energie electrică va consuma un congelator de o anumită putere.
Avioane, nave, trenuri
Mai sus am arătat exemple de obiecte relativ nemișcate, statice, cărora li se transmite o anumită cantitate de căldură sau de la care, dimpotrivă, se ia o anumită cantitate de căldură. Pentru obiectele care se mișcă în condiții de schimbare constantă a temperaturii în timpul funcționării, calculele cantității de căldură sunt importante dintr-un alt motiv.
Există așa ceva ca „oboseala metalică”. Include, de asemenea, maximul sarcini admisibile la un anumit ritm de schimbare a temperaturii. Imaginați-vă un avion care decolează de la tropicele umede în atmosfera superioară înghețată. Inginerii trebuie să lucreze din greu pentru a se asigura că nu se destramă din cauza fisurilor din metal care apar atunci când temperatura se schimbă. Ei caută o compoziție de aliaj care să reziste la sarcini reale și să aibă o marjă mare de siguranță. Și pentru a nu căuta orbește, în speranța de a da din greșeală compoziția dorită, trebuie să faci o mulțime de calcule, inclusiv cele care includ modificări ale cantității de căldură.
Ce se va încălzi mai repede pe aragaz - un ibric sau o găleată cu apă? Răspunsul este evident - un ceainic. Atunci a doua întrebare este de ce?
Răspunsul nu este mai puțin evident - deoarece masa de apă din ibric este mai mică. Grozav. Și acum poți să faci o adevărată experiență fizică acasă. Pentru a face acest lucru veți avea nevoie de două cratițe mici identice, o cantitate egală de apă și ulei vegetal, de exemplu, o jumătate de litru și o sobă. Puneti cratitele cu ulei si apa la acelasi foc. Acum urmăriți doar ce se va încălzi mai repede. Daca ai un termometru pentru lichide, il poti folosi; daca nu, poti pur si simplu sa testezi temperatura cu degetul din cand in cand, doar ai grija sa nu te arzi. În orice caz, vei vedea în curând că uleiul se încălzește semnificativ mai repede decât apa. Și încă o întrebare, care poate fi implementată și sub formă de experiență. Care va fierbe mai repede - apa calda sau frig? Totul este din nou evident - cel cald va fi primul la linia de sosire. De ce toate aceste întrebări și experimente ciudate? A determina cantitate fizica, numită „cantitate de căldură”.
Cantitatea de căldură
Cantitatea de căldură este energia pe care un corp o pierde sau o câștigă în timpul transferului de căldură. Acest lucru este clar din nume. La răcire, corpul va pierde o anumită cantitate de căldură, iar la încălzire, va absorbi. Și răspunsurile la întrebările noastre ne-au arătat De ce depinde cantitatea de căldură?În primul rând, cu cât masa unui corp este mai mare, cu atât este mai mare cantitatea de căldură care trebuie consumată pentru a-și schimba temperatura cu un grad. În al doilea rând, cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp depinde de substanța din care constă, adică de tipul de substanță. Și în al treilea rând, diferența de temperatură a corpului înainte și după transferul de căldură este, de asemenea, importantă pentru calculele noastre. Pe baza celor de mai sus, putem determinați cantitatea de căldură folosind formula:
Q=cm(t_2-t_1),
unde Q este cantitatea de căldură,
m - greutatea corporală,
(t_2-t_1) - diferența dintre inițial și final temperaturile corpului,
c este capacitatea termică specifică a substanței, găsită din tabelele corespunzătoare.
Folosind această formulă, puteți calcula cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi orice corp sau pe care acest corp o va elibera la răcire.
Cantitatea de căldură se măsoară în jouli (1 J), ca orice tip de energie. Cu toate acestea, această valoare a fost introdusă nu cu mult timp în urmă, iar oamenii au început să măsoare cantitatea de căldură mult mai devreme. Și au folosit o unitate care este utilizată pe scară largă în vremea noastră - caloria (1 cal). 1 calorie este cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi 1 gram de apă cu 1 grad Celsius. Ghidați-vă de aceste date, cei cărora le place să numere caloriile din alimentele pe care le consumă pot, doar pentru distracție, să calculeze câți litri de apă pot fi fierți cu energia pe care o consumă cu alimente în timpul zilei.
