(sau transfer de căldură).
Căldura specifică a unei substanțe.
Capacitate termica- Aceasta este cantitatea de căldură absorbită de organism când este încălzit cu 1 grad.
Capacitatea termică a unui corp este indicată de un capital Literă latină CU.
Ce determină capacitatea termică a corpului? În primul rând, din masa sa. Este clar că pentru încălzire, de exemplu, va fi necesar 1 kilogram de apă mai multa caldura decât să încălzești 200 de grame.
Și din genul de substanță? Să facem un experiment. Luați două vase identice și, turnând apă într-unul dintre ele cântărind 400, iar în celălalt - ulei vegetal cântărind 400 g, vom începe să le încălzim folosind aceleași arzătoare. Observând citirile termometrelor, 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, pentru a încălzi aceeași masă de substanțe diferite la aceeași temperatură, este necesară o cantitate diferită de căldură. Cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp și, prin urmare, capacitatea acestuia de căldură depind de tipul de substanță care alcătuiește acest corp.
Deci, de exemplu, pentru a crește temperatura apei cu o masă de 1 kg cu 1 ° C, este necesară o cantitate de căldură egală cu 4200 J, iar pentru încălzirea cu 1 ° C a aceeași masă ulei de floarea soarelui este necesară o cantitate de căldură egală cu 1700 J.
O mărime fizică care arată câtă căldură este necesară pentru a încălzi 1 kg dintr-o substanță cu 1 ºС se numește căldura specifică a acestei substante.
Fiecare substanță are a ei căldura specifică, care este notat cu litera latină c și se măsoară în jouli pe kilogram-grad (J / (kg · ° С)).
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 · ºС), iar capacitatea termică specifică a gheții este de 2100 J / (kg · ° С); aluminiul în stare solidă are o căldură specifică egală cu 920 J / (kg - ° С), iar în stare lichidă - 1080 J / (kg - ° С).
Rețineți că apa are o căldură specifică foarte mare. Prin urmare, apa din mări și oceane, încălzindu-se vara, absoarbe o cantitate mare de căldură din aer. Datorită acestui fapt, în acele locuri care sunt situate în apropierea unor 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 emisă de acesta în timpul răcirii.
Din cele de mai sus, este clar că cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp depinde de tipul de substanță care alcătuiește corpul (adică capacitatea sa 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 încălzirea unui corp sau emisă de acesta în timpul răcirii, căldura specifică a corpului trebuie înmulțită cu masa sa și cu diferența dintre temperaturile sale finale și inițiale:
Q = cm (t 2 - t 1 ) ,
Unde Q- cantitatea de caldura, c- căldura specifică, m- masa corpului , t 1 - temperatura initiala, t 2 - temperatura finala.
Când corpul este încălzit t 2> t 1 prin urmare Q > 0 ... La răcirea corpului t 2 și< 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 ) .
Exercițiu 81.
Calculați cantitatea de căldură care va fi eliberată atunci când Fe este redus 2 O 3 aluminiu metalic, dacă s-au obţinut 335,1 g fier. Răspuns: 2543,1 kJ.
Soluţie:
Ecuația reacției:
= (Al 2 O 3) - (Fe 2 O 3) = -1669,8 - (- 822,1) = -847,7 kJ
Calculul cantității de căldură care este eliberată la primirea a 335,1 g de fier se efectuează din proporția:
(2 . 55,85) : -847,7 = 335,1 : NS; x = (0847,7 . 335,1)/ (2 . 55,85) = 2543,1 kJ,
unde 55,85 este masa atomică a fierului.
Răspuns: 2543,1 kJ.
Efectul de căldură al reacției
Sarcina 82.
Gazos etanol C2H5OH poate fi obținut prin interacțiunea etilenei C 2 H 4 (g) și vaporii de apă. Scrieți ecuația termochimică pentru această reacție, după ce i-ați calculat anterior efectul termic. Răspuns: -45,76 kJ.
Soluţie:
Ecuația reacției este:
C2H4 (g) + H20 (g) = C2H5OH (g); =?
Valorile căldurilor standard de formare a substanțelor sunt date în tabele speciale. Având în vedere că căldurile de formare a substanțelor simple se iau convențional egale cu zero. Calculăm efectul termic al reacției, folosind corolarul din legea lui Hess, obținem:
= (C2H5OH) - [(C2H4) + (H2O)] =
= -235,1 - [(52,28) + (-241,83)] = - 45,76 kJ
Ecuațiile reacțiilor în care stările lor agregate sau modificarea cristalină sunt indicate lângă simbolurile compușilor chimici, precum și valoarea numerică a efectelor termice, se numesc termochimice. În ecuațiile termochimice, dacă nu se specifică altfel, valorile efectelor termice la presiune constantă Q p sunt indicate egale cu modificarea entalpiei sistemului. Valoarea este de obicei dată în partea dreaptă a ecuației, separată prin virgulă sau punct și virgulă. Sunt adoptate următoarele abrevieri stare agregată substante: G- gazos, f- lichid, La
Dacă se eliberează căldură ca rezultat al reacției, atunci< О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:
C2H4 (g) + H20 (g) = C2H5OH (g); = - 45,76 kJ.
Răspuns:- 45,76 kJ.
Sarcina 83.
Calculați efectul termic al reducerii oxidului de fier (II) cu hidrogen pe baza următoarelor ecuații termochimice:
a) EeO (k) + CO (g) = Fe (k) + CO2 (g); = -13,18 kJ;
b) CO (g) + 1/2O2 (g) = CO2 (g); = -283,0 kJ;
c) H2 (g) + 1/2O2 (g) = H20 (g); = -241,83 kJ.
Răspuns: +27,99 kJ.
Soluţie:
Ecuația de reacție pentru reducerea oxidului de fier (II) cu hidrogen are forma:
EeO (k) + H2 (g) = Fe (k) + H20 (g); =?
= (H2O) - [(FeO)
Căldura de formare a apei este determinată de ecuație
H2 (g) + 1/202 (g) = H20 (g); = -241,83 kJ,
iar căldura de formare a oxidului de fier (II) poate fi calculată scăzând ecuația (a) din ecuația (b).
= (c) - (b) - (a) = -241,83 - [-283, o - (-13,18)] = +27,99 kJ.
Răspuns:+27,99 kJ.
Sarcina 84.
Când hidrogenul sulfurat gazos și dioxidul de carbon interacționează, se formează vapori de apă și disulfură de carbon CS 2 (g). Scrieți ecuația termochimică a acestei reacții, mai întâi calculați efectul ei termic. Răspuns: +65,43 kJ.
Soluţie:
G- gazos, f- lichid, La- cristalin. Aceste simboluri sunt omise dacă starea de agregare a substanțelor este evidentă, de exemplu, О 2, Н 2 etc.
Ecuația reacției este:
2H2S (g) + C02 (g) = 2H20 (g) + CS2 (g); =?
Valorile căldurilor standard de formare a substanțelor sunt date în tabele speciale. Având în vedere că căldurile de formare a substanțelor simple se iau convențional egale cu zero. Căldura de reacție poate fi calculată folosind corolarul e din legea lui Hess:
= (H20) + (CS2) - [(H2S) + (C02)];
= 2 (-241,83) + 115,28 - = +65,43 kJ.
2H2S (g) + C02 (g) = 2H20 (g) + CS2 (g); = +65,43 kJ.
Răspuns:+65,43 kJ.
Ecuația termochimică a reacției
Sarcina 85.
Scrieți ecuația termochimică a reacției dintre CO (g) și hidrogen, în urma căreia se formează CH 4 (g) și H 2 O (g). Câtă căldură va fi eliberată în timpul acestei reacții dacă s-au obținut 67,2 litri de metan în termeni de conditii normale? Raspuns: 618,48 kJ.
Soluţie:
Ecuațiile reacțiilor în care stările lor agregate sau modificarea cristalină sunt indicate lângă simbolurile compușilor chimici, precum și valoarea numerică a efectelor termice, se numesc termochimice. În ecuațiile termochimice, dacă nu se specifică altfel, valorile efectelor termice la presiune constantă Q p sunt indicate egale cu modificarea entalpiei sistemului. Valoarea este de obicei dată în partea dreaptă a ecuației, separată prin virgulă sau punct și virgulă. Au fost adoptate următoarele abrevieri pentru starea agregată a unei substanțe: G- gazos, f- ceva, La- cristalin. Aceste simboluri sunt omise dacă starea de agregare a substanțelor este evidentă, de exemplu, О 2, Н 2 etc.
Ecuația reacției este:
CO (g) + 3H2 (g) = CH4 (g) + H20 (g); =?
Valorile căldurilor standard de formare a substanțelor sunt date în tabele speciale. Având în vedere că căldurile de formare a substanțelor simple se iau convențional egale cu zero. Căldura de reacție poate fi calculată folosind corolarul e din legea lui Hess:
= (H20) + (CH4)-(CO)];
= (-241,83) + (-74,84) - (-110,52) = -206,16 kJ.
Ecuația termochimică va avea forma:
22,4 : -206,16 = 67,2 : NS; x = 67,2 (-206,16) / 22 × 4 = -618,48 kJ; Q = 618,48 kJ.
Răspuns: 618,48 kJ.
Căldura educației
Sarcina 86.
Efectul de căldură al cărui reacție este egal cu căldura de formare. Calculați căldura de formare a NO folosind următoarele ecuații termochimice:
a) 4NH3 (g) + 5O2 (g) = 4NO (g) + 6H20 (g); = -1168,80 kJ;
b) 4NH3 (d) + 3O2 (d) = 2N2 (d) + 6H20 (g); = -1530,28 kJ
Răspuns: 90,37 kJ.
Soluţie:
Căldura standard de formare este egală cu căldura de reacție la formarea a 1 mol din această substanță din substanțe simple în condiții standard (T = 298 K; p = 1,0325,105 Pa). Formarea NO din substanțe simple poate fi reprezentată astfel:
1 / 2N 2 + 1 / 2O 2 = NU
Dată reacția (a), în care se formează 4 moli de NO și dată reacția (b), în care se formează 2 moli de N2. Oxigenul este implicat în ambele reacții. Prin urmare, pentru a determina căldura standard de formare a NO, compunem următorul ciclu Hess, adică trebuie să extragem ecuația (a) din ecuația (b):
Astfel, 1 / 2N 2 + 1 / 2O 2 = NU; = +90,37 kJ.
Răspuns: 618,48 kJ.
Sarcina 87.
Clorura de amoniu cristalină se formează prin interacțiunea dintre amoniacul gazos și clorura de hidrogen. Scrieți ecuația termochimică pentru această reacție, după ce i-ați calculat anterior efectul termic. Câtă căldură va fi eliberată dacă s-au consumat în reacție 10 litri de amoniac în condiții normale? Raspuns: 78,97 kJ.
Soluţie:
Ecuațiile reacțiilor în care stările lor agregate sau modificarea cristalină sunt indicate lângă simbolurile compușilor chimici, precum și valoarea numerică a efectelor termice, se numesc termochimice. În ecuațiile termochimice, dacă nu se specifică altfel, valorile efectelor termice la presiune constantă Q p sunt indicate egale cu modificarea entalpiei sistemului. Valoarea este de obicei dată în partea dreaptă a ecuației, separată prin virgulă sau punct și virgulă. Se adoptă următoarele, La- cristalin. Aceste simboluri sunt omise dacă starea de agregare a substanțelor este evidentă, de exemplu, О 2, Н 2 etc.
Ecuația reacției este:
NH3 (g) + NCI (g) = NH4CI (q). ; =?
Valorile căldurilor standard de formare a substanțelor sunt date în tabele speciale. Având în vedere că căldurile de formare a substanțelor simple se iau convențional egale cu zero. Căldura de reacție poate fi calculată folosind corolarul e din legea lui Hess:
= (NH4CI) - [(NH3) + (HCI)];
= -315,39 - [-46,19 + (-92,31) = -176,85 kJ.
Ecuația termochimică va avea forma:
Căldura eliberată în timpul reacției a 10 litri de amoniac prin această reacție se determină din proporția:
22,4 : -176,85 = 10 : NS; x = 10 (-176,85) / 22,4 = -78,97 kJ; Q = 78,97 kJ.
Răspuns: 78,97 kJ.
În această lecție, vom continua să studiem energia internă a corpului și, mai precis, cum să o schimbăm. Iar subiectul atenției noastre de data aceasta va fi transferul de căldură. Ne vom aminti în ce tipuri este împărțit, în ce se măsoară și prin ce rapoarte este posibil să se calculeze cantitatea de căldură transferată ca urmare a schimbului de căldură și vom oferi, de asemenea, o definiție a capacității termice specifice a un corp.
Tema: Fundamentele termodinamicii
Lecția: Cantitatea de căldură. Căldura specifică
După cum știm deja din clasele elementare și așa cum ne-am amintit în ultima lecție, există două moduri de a schimba energia internă a corpului: să lucrezi la ea sau să-i transferi o anumită cantitate de căldură. Despre prima metodă știm deja din, din nou, ultima lecție, dar despre a doua am vorbit mult și la cursul clasei a VIII-a.
Procesul de transfer de căldură (cantitate de căldură sau energie) fără a lucra se numește transfer de căldură sau transfer de căldură. Este împărțit în funcție de mecanismele de transmisie, după cum știm, în trei tipuri:
- Conductivitate termică
- Convecție
- Radiația
Ca urmare a unuia dintre aceste procese, o anumită cantitate de căldură este transferată corpului, a cărei valoare, de fapt, se modifică energie interna... Să caracterizăm această valoare.
Definiție. Cantitatea de căldură... Denumire - Q. Unități de măsură - J. Când temperatura corpului se modifică (care este echivalent cu o modificare a energiei interne), cantitatea de căldură cheltuită pentru această schimbare poate fi calculată prin formula:
Aici: - greutatea corporală; - capacitatea termică specifică a corpului; - modificări ale temperaturii corpului.
Mai mult, dacă, adică în timpul răcirii, se spune că organismul a renunțat la o anumită cantitate de căldură, sau o cantitate negativă de căldură a fost transferată în corp. Dacă, adică, se observă încălzirea corpului, cantitatea de căldură transferată, desigur, va fi pozitivă.
Atentie speciala ar trebui să fie inversată de valoarea capacității termice specifice a corpului.
Definiție. Căldura specifică- o valoare egală numeric cu cantitatea de căldură care trebuie transferată pentru a încălzi un kilogram dintr-o substanță cu un grad. Căldura specifică este o valoare individuală pentru fiecare substanță individuală. Prin urmare, aceasta este o valoare tabelară, cunoscută dinainte, cu condiția să cunoaștem porțiunile din care substanță este transferată căldura.
Unitatea SI a căldurii specifice poate fi obținută din ecuația de mai sus:
Prin urmare:
Să luăm acum în considerare cazurile în care transferul unei anumite cantități de căldură duce la o schimbare a stării de agregare a materiei. Amintiți-vă că astfel de tranziții sunt numite topire, cristalizare, evaporare și condensare.
Când trece de la lichid la corp solidși invers, cantitatea de căldură se calculează prin formula:
Aici: - greutatea corporală; - căldura specifică topirea unui corp (cantitatea de căldură necesară pentru a topi complet un kilogram dintr-o substanță).
Pentru a topi un corp, este necesar să îi transferi o anumită cantitate de căldură, iar în timpul condensării, corpul însuși dă mediu inconjurator o anumită cantitate de căldură.
Când treceți de la corp lichid la corp gazos și invers, cantitatea de căldură este calculată prin formula:
Aici: - greutatea corporală; - caldura specifica de vaporizare a unui corp (cantitatea de caldura necesara pentru evaporarea completa a unui kilogram de substanta).
Pentru a evapora un lichid, trebuie transferată o anumită cantitate de căldură către acesta, iar în timpul condensului, aburul însuși degajă o anumită cantitate de căldură mediului.
De asemenea, trebuie subliniat faptul că atât topirea cu cristalizare, cât și evaporarea cu condensare au loc la o temperatură constantă (punctele de topire, respectiv de fierbere) (Fig. 1).
Orez. 1. Graficul dependenței temperaturii (în grade Celsius) de cantitatea de substanță primită ()
Separat, merită remarcat calculul cantității de căldură eliberată în timpul arderii unei anumite mase de combustibil:
Iată: este masa combustibilului; - căldura specifică de ardere a combustibilului (cantitatea de căldură degajată în timpul arderii unui kilogram de combustibil).
O atenție deosebită trebuie acordată faptului că, pe lângă faptul că pentru diferite substanțe, se iau capacități termice specifice sensuri diferite, acest parametru poate fi diferit pentru aceeași substanță la conditii diferite... De exemplu, se disting diferite valori ale capacităților termice specifice pentru procesele de încălzire care au loc la volum constant () și pentru procesele care au loc la presiune constantă ().
Există, de asemenea, capacitatea de căldură molară și doar capacitatea de căldură.
Definiție. Capacitatea termică molară () - cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un mol dintr-o substanță cu un grad.
Căldura specifică (C) - cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi cu un grad o porțiune dintr-o substanță de o anumită masă. Relația dintre capacitatea termică și capacitatea termică specifică:
În lecția următoare, vom lua în considerare o lege atât de importantă precum prima lege a termodinamicii, care leagă schimbarea energiei interne cu munca unui gaz și cantitatea de căldură transferată.
Bibliografie
- Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. Fizica moleculară... Termodinamica. - M .: Dropia, 2010.
- Gendenshtein L.E., Dick Yu.I. Fizica clasa a 10-a. - M .: Ileksa, 2005.
- Kasyanov V.A. Fizica clasa a 10-a. - M .: Dropia, 2010.
- Dicționare și enciclopedii despre academician ().
- Tt.pstu.ru ().
- Elementy.ru ().
Teme pentru acasă
- P. 83: nr. 643-646. Fizică. Cartea cu probleme. 10-11 clase. A.P. Rymkevici - M .: Dropia, 2013. ()
- Cum sunt legate de căldura molară și specifică?
- De ce suprafețele ferestrelor se aburi uneori? Pe ce parte a ferestrelor se întâmplă asta?
- Pe ce vreme se usucă bălțile mai repede: calm sau vânt?
- * La ce folosește căldura primită de organism în timpul topirii?
După cum se știe, pentru diverse procese mecanice este o schimbare energie mecanică W meh. O măsură a modificării energiei mecanice este munca forțelor aplicate sistemului:
\ (~ \ Delta W_ (meh) = A. \)
Odată cu schimbul de căldură, are loc o schimbare a energiei interne a corpului. Măsura modificării energiei interne în timpul schimbului de căldură este cantitatea de căldură.
Cantitatea de căldură este o măsură a modificării energiei interne la care organismul o primește (sau renunță) în procesul 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 transfer de energie de la un tip la altul (de la un corp la altul) atunci când starea se schimbă și depind în esență de natura procesului.
Principala diferență dintre muncă și cantitatea de căldură este că munca caracterizează procesul de modificare a energiei interne a sistemului, 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 un corp cu o masă m de la temperatură T 1 la temperatură T 2, se calculează 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 căldurii specifice este joule pe kilogram-Kelvin (J / (kg K)).
Căldura specifică c egal numeric 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 de măsură a capacității termice a unui corp în SI este joule pe Kelvin (J/K).
Pentru a transforma un lichid în abur la o temperatură constantă, este necesar să cheltuiți o cantitate de căldură
\ (~ Q = Lm, \ qquad (2) \)
Unde L- căldură specifică de vaporizare. Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.
Pentru a topi un corp cristalin cu o masă m la punctul de topire este necesar să se comunice organismului 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 care este eliberată în timpul arderii complete a combustibilului de către masă 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. indemnizație pentru instituțiile care asigură primirea obs. medii, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Minsk: Adukatsya i vyhavanne, 2004. - P. 154-155.
Obiectivul articolului nostru este cantitatea de căldură. Vom lua în considerare conceptul de energie internă, care se transformă atunci când această valoare se schimbă. Vom arăta și câteva exemple de aplicare a calculelor în activitate umana.
Căldură
Cu orice cuvânt limba materna fiecare persoană are propriile asociații. Sunt definite experienta personalași sentimente iraționale. Ce este de obicei reprezentat de cuvântul „căldură”? Pătură moale, bateria funcționează încălzire centrală iarna, mai întâi lumina soarelui primăvara, pisica. Sau o privire de mamă, un cuvânt reconfortant de la un prieten, atenție oportună.
Fizicienii înțeleg prin aceasta un termen foarte specific. Și foarte important, mai ales în unele domenii 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, pentru început, să le reamintim cititorilor lor.
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 se schimbă macroparametrii. Acestea din urmă sunt înțelese ca temperatură (notată cu T), presiune (P), concentrație de componente (de regulă, C).
Energie interna
Energia internă este un termen destul de complex, în sensul căruia merită înțeles înainte de a vorbi despre cantitatea de căldură. Indică energia care se modifică odată cu creșterea sau scăderea valorii macroparametrilor obiectului și nu depinde de cadrul 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 (de exemplu, o bicicletă) s-a încălzit sau s-a răcit, aceasta arată că toate moleculele și atomii care formează acest sistem, au experimentat o schimbare a energiei interne. Cu toate acestea, invariabilitatea temperaturii nu înseamnă păstrarea acestui indicator.
Munca si caldura
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 exprimării. Permutarea arată că Q = dU + A, dar introducerea entropiei (S) aduce formula la forma dQ = dSxT.
Din moment ce în în acest caz ecuația ia forma unei diferențiale, apoi prima expresie necesită același lucru. În plus, în funcție de forțele care acționează în obiectul investigat și de parametrul care este calculat, se obține raportul necesar.
Luați 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 cale este schimbul de căldură. Acum ajungem la scopul principal al acestui articol: o descriere a cantității de căldură. Aceasta este o astfel de 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 ții mingea peste o brichetă, la soare sau doar mână caldă apoi se va incalzi. Și apoi, prin schimbarea temperaturii, poți afla cantitatea de căldură care i-a fost comunicată în același timp.
De ce gazul este cel mai bun exemplu de schimbare a energiei interne și de ce, din această cauză, școlarilor nu le place fizica
Mai sus, am descris modificările parametrilor termodinamici ai unei mingi metalice. Nu sunt foarte vizibile fără dispozitive speciale, iar cititorul poate spune doar un cuvânt 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 acest lucru se poate repara cu ușurință. Prin urmare, în manuale, gazul este cel mai adesea luat ca un sistem termodinamic vizual.
Dar, vai, în învăţământul modern experiente reale nu se acordă prea multă atenție. Omul de știință care scrie Trusa de instrumente, înțelege perfect ce în cauză... Lui i se pare că, prin exemplul moleculelor de gaz, toți parametrii termodinamici vor fi demonstrați corespunzător. Dar un student care tocmai descoperă această lume s-a plictisit să audă despre un balon ideal cu un piston teoretic. Dacă în școală ar exista adevărate laboratoare de cercetare și s-ar aloca ore pentru a lucra în ele, totul ar fi diferit. Până acum, din păcate, experimentele sunt doar pe hârtie. Și, cel mai probabil, 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 citam ca exemplu bicicleta deja menționată mai sus. O persoană apasă pe pedale - 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 capacul exterior(plastic sau metal) crește. O persoană iese într-o poiană sub soarele strălucitor - bicicleta se încălzește, cantitatea de căldură se schimbă. Se oprește pentru a se odihni la umbra unui stejar bătrân și sistemul se răcește, pierzând calorii sau jouli. Crește viteza - schimbul de energie crește. Cu toate acestea, calculul 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 modificarea cantității de căldură
Probabil, cititorul va spune că toate acestea sunt foarte informative, 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 acest lucru se aplică oricui 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 vagon, un inel sau o unitate flash, orice metal trece prin topire. Fiecare moară 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 raportată acesteia 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: în majoritatea supermarketurilor există un departament cu produse congelate - pește, carne, fructe. În cazul în care materiile prime din carne de animale sau fructe de mare sunt transformate într-un semifabricat, ar trebui să știți câtă energie electrică vor folosi frigiderele și congelatoarele per tonă sau unitate de produs finit. Pentru a face acest lucru, 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 cheltui un congelator de o anumită putere.
Avioane, vapori, trenuri
Mai sus, am arătat exemple de obiecte relativ nemișcate, statice, care sunt raportate sau din care, dimpotrivă, se ia o anumită cantitate de căldură. Pentru obiectele care se deplasează în procesul de funcționare în condiții de schimbare constantă a temperaturii, calculele cantității de căldură sunt importante dintr-un alt motiv.
Există așa ceva ca „oboseala metalică”. Include, de asemenea, supremul 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 muncească din greu pentru a nu se destrama din cauza fisurilor din metal care apar atunci când temperatura scade. 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 implică modificări ale cantității de căldură.
