Koks kiekis vadinamas šilumos kiekiu? Vidinė energija

Šilumos kiekio samprata susiformavo ankstyvosiose šiuolaikinės fizikos raidos stadijose, kai nebuvo aiškių minčių apie materijos vidinę sandarą, kas yra energija, kokios energijos formos egzistuoja gamtoje ir apie energiją kaip formą. materijos judėjimo ir transformacijos.

Šilumos kiekis suprantamas kaip fizikinis dydis, lygiavertis energijai, perduodamai materialiam kūnui šilumos mainų procese.

Pasenęs šilumos vienetas yra kalorija, lygi 4,2 J, šiandien šis vienetas praktiškai nenaudojamas, o jo vietą užėmė džaulis.

Iš pradžių buvo manoma, kad šiluminės energijos nešėja yra kokia nors visiškai nesvari terpė, turinti skysčio savybių. Remiantis šia prielaida, buvo ir tebėra sprendžiama daugybė fizinių šilumos perdavimo problemų. Hipotetinio kaloringumo egzistavimas buvo daugelio iš esmės teisingų konstrukcijų pagrindas. Buvo tikima, kad kalorijos išsiskiria ir absorbuojamos kaitinant ir vėsinant, lydantis ir kristalizuojantis. Remiantis neteisingomis fizikinėmis sąvokomis, gautos teisingos šilumos perdavimo procesų lygtys. Yra žinomas dėsnis, pagal kurį šilumos kiekis yra tiesiogiai proporcingas šilumos mainuose dalyvaujančio kūno masei ir temperatūros gradientui:

Kur Q yra šilumos kiekis, m yra kūno masė ir koeficientas Su– dydis, vadinamas savitoji šiluminė talpa. Savitoji šiluminė talpa yra procese dalyvaujančios medžiagos charakteristika.

Darbas termodinamikos srityje

Dėl šiluminių procesų galima atlikti grynai mechaninį darbą. Pavyzdžiui, kai dujos įkaista, padidėja jų tūris. Paimkime tokią situaciją, kaip paveikslėlyje žemiau:

Šiuo atveju mechaninis darbas bus lygus dujų slėgio jėgai stūmokliui, padaugintai iš kelio, kurį stūmoklis eina esant slėgiui. Žinoma, tai yra paprasčiausias atvejis. Tačiau net ir jame galima pastebėti vieną sunkumą: slėgio jėga priklausys nuo dujų tūrio, vadinasi, mes susiduriame ne su konstantomis, o su kintamaisiais dydžiais. Kadangi visi trys kintamieji: slėgis, temperatūra ir tūris yra susiję vienas su kitu, darbo skaičiavimas tampa žymiai sudėtingesnis. Yra keletas idealių, be galo lėtų procesų: izobariniai, izoterminiai, adiabatiniai ir izochoriniai, kuriems tokius skaičiavimus galima atlikti gana paprastai. Nubraižytas slėgio ir tūrio grafikas ir darbas apskaičiuojamas kaip formos integralas.

« Fizika – 10 kl.

Kokiuose procesuose vyksta agreguotos medžiagos transformacijos?
Kaip galite pakeisti medžiagos agregacijos būseną?

Galite pakeisti bet kurio kūno vidinę energiją dirbdami, šildydami arba, priešingai, vėsindami.
Taigi, kaliojant metalą, atliekamas darbas ir jis įkaista, tuo pačiu metalas gali būti kaitinamas virš degančios liepsnos.

Taip pat, jei pataisote stūmoklį (13.5 pav.), tai kaitinant nekinta dujų tūris ir neatliekamas joks darbas. Tačiau didėja dujų temperatūra, taigi ir jų vidinė energija.

Vidinė energija gali didėti ir mažėti, todėl šilumos kiekis gali būti teigiamas arba neigiamas.

Energijos perdavimo iš vieno kūno į kitą neatliekant darbo procesas vadinamas šilumos mainai.

Vadinamas kiekybinis vidinės energijos pokyčio šilumai perdavimo metu matas šilumos kiekis.

Šilumos perdavimo molekulinis vaizdas.

Šilumos mainų metu ties riba tarp kūnų vyksta lėtai judančių šalto kūno molekulių sąveika su greitai judančiomis karšto kūno molekulėmis. Dėl to molekulių kinetinės energijos išsilygina ir šalto kūno molekulių greičiai didėja, o karšto – mažėja.

Šilumos mainų metu energija nevirsta iš vienos formos į kitą, dalis labiau įkaitinto kūno vidinės energijos perduodama mažiau įkaitusiam kūnui.

Šilumos kiekis ir šiluminė talpa.

Jūs jau žinote, kad norint pašildyti m masės kūną nuo temperatūros t 1 iki temperatūros t 2, būtina jam perduoti tam tikrą šilumos kiekį:

Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)

Kai kūnas atvėsta, jo galutinė temperatūra t 2 pasirodo esanti mažesnė už pradinę temperatūrą t 1, o kūno išskiriamas šilumos kiekis yra neigiamas.

Koeficientas c formulėje (13.5) vadinamas specifinė šiluminė talpa medžiagų.

Specifinė šiluma- tai kiekis, skaitiniu būdu lygus šilumos kiekiui, kurį 1 kg sverianti medžiaga gauna arba išskiria, kai jos temperatūra pasikeičia 1 K.

Specifinė dujų šiluminė talpa priklauso nuo šilumos perdavimo proceso. Jei kaitinsite dujas esant pastoviam slėgiui, jos išsiplės ir veiks. Norint pašildyti dujas 1 °C esant pastoviam slėgiui, joms reikia perduoti daugiau šilumos nei kaitinant pastoviu tūriu, kai dujos tik įkais.

Skysčiai ir kietosios medžiagos kaitinant šiek tiek išsiplečia. Jų savitosios šiluminės talpos esant pastoviam tūriui ir pastoviam slėgiui mažai skiriasi.

Savitoji garavimo šiluma.

Kad virimo metu skystis virstų garais, į jį turi būti perduotas tam tikras šilumos kiekis. Skysčio temperatūra jam verdant nekinta. Skysčio pavertimas garais pastovioje temperatūroje nepadidėja molekulių kinetinė energija, bet kartu padidėja jų sąveikos potenciali energija. Juk vidutinis atstumas tarp dujų molekulių yra daug didesnis nei tarp skysčių molekulių.

Dydis, skaičiais lygus šilumos kiekiui, reikalingam 1 kg sveriančiam skysčiui pastovioje temperatūroje paversti garais vadinamas specifinė garavimo šiluma.

Skysčio garavimo procesas vyksta bet kokioje temperatūroje, o greičiausios molekulės palieka skystį, o garuodamas jis atvėsta. Savitoji garavimo šiluma lygi savitajai garavimo šilumai.

Ši vertė žymima raide r ir išreiškiama džauliais kilogramui (J/kg).

Savitoji vandens garavimo šiluma yra labai didelė: r H20 = 2,256 10 6 J/kg esant 100 °C temperatūrai. Kitų skysčių, pavyzdžiui, alkoholio, eterio, gyvsidabrio, žibalo, savitoji garavimo šiluma yra 3–10 kartų mažesnė nei vandens.

Norint paversti m masės skystį garais, reikalingas šilumos kiekis, lygus:

Q p = rm. (13.6)

Kai kondensuojasi garai, išsiskiria tiek pat šilumos:

Q k = -rm. (13.7)

Savitoji lydymosi šiluma.

Kai kristalinis kūnas ištirpsta, visa jam tiekiama šiluma eina, kad padidėtų potenciali molekulių sąveikos energija. Molekulių kinetinė energija nekinta, nes lydymas vyksta pastovioje temperatūroje.

Reikšmė, skaitinė lygi šilumos kiekiui, kurio reikia kristalinei medžiagai, sveriančia 1 kg lydymosi taške, paversti skysčiu. specifinė sintezės šiluma ir žymimas raide λ.

Kai kristalizuojasi 1 kg sverianti medžiaga, išsiskiria lygiai tiek pat šilumos, kiek sugeriama lydymosi metu.

Ledo lydymosi savitoji šiluma gana didelė: 3,34 10 5 J/kg.

„Jei ledas neturėtų didelės lydymosi šilumos, tai pavasarį visa ledo masė turėtų ištirpti per kelias minutes ar sekundes, nes šiluma ledui nuolat perduodama iš oro. To pasekmės būtų siaubingos; juk net ir dabartinėje situacijoje, tirpstant didelėms ledo ar sniego masėms, kyla dideli potvyniai ir stiprūs vandens srautai“. R. Juodasis, XVIII a.

Norint išlydyti m masės kristalinį kūną, reikalingas šilumos kiekis, lygus:

Qpl = λm. (13.8)

Kūno kristalizacijos metu išsiskiriančios šilumos kiekis yra lygus:

Q cr = -λm (13,9)

Šilumos balanso lygtis.

Panagrinėkime šilumos mainus sistemoje, kurią sudaro keli kūnai, kurių temperatūra iš pradžių skiriasi, pavyzdžiui, šilumos mainai tarp vandens inde ir į vandenį nuleisto karšto geležies rutulio. Pagal energijos tvermės dėsnį, vieno kūno išskiriamas šilumos kiekis skaitine prasme yra lygus kito kūno gaunamai šilumos kiekiui.

Suteiktas šilumos kiekis laikomas neigiamu, gautas šilumos kiekis – teigiamas. Todėl bendras šilumos kiekis Q1 + Q2 = 0.

Jei šilumos mainai vyksta tarp kelių izoliuotoje sistemoje esančių kūnų, tai

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

Lygtis (13.10) vadinama šilumos balanso lygtis.

Čia Q 1 Q 2, Q 3 yra šilumos kiekis, kurį gauna arba išskiria kūnai. Šie šilumos kiekiai išreiškiami formule (13.5) arba formulėmis (13.6)-(13.9), jeigu šilumos mainų procese vyksta įvairios medžiagos fazinės transformacijos (lydymasis, kristalizacija, garavimas, kondensacija).

Šioje pamokoje išmoksime apskaičiuoti šilumos kiekį, reikalingą kūnui sušildyti arba jo išskiriamą aušinant. Norėdami tai padaryti, apibendrinsime žinias, kurios buvo įgytos ankstesnėse pamokose.

Be to, išmoksime, naudodamiesi šilumos kiekio formule, iš šios formulės išreikšti likusius dydžius ir juos apskaičiuoti, žinodami kitus dydžius. Taip pat bus svarstomas problemos pavyzdys su šilumos kiekio skaičiavimo sprendimu.

Ši pamoka skirta apskaičiuoti šilumos kiekį, kai kūnas įkaista arba išsiskiria vėsus.

Galimybė apskaičiuoti reikiamą šilumos kiekį yra labai svarbi. To gali prireikti, pavyzdžiui, skaičiuojant šilumos kiekį, kurį reikia perduoti vandeniui patalpai šildyti.

Ryžiai. 1. Šilumos kiekis, kuris turi būti perduotas vandeniui, kad šildytų kambarį

Arba apskaičiuoti šilumos kiekį, kuris išsiskiria deginant degalus įvairiuose varikliuose:

Ryžiai. 2. Šilumos kiekis, išsiskiriantis deginant degalus variklyje

Šios žinios taip pat reikalingos, pavyzdžiui, norint nustatyti šilumos kiekį, kurį išskiria Saulė ir patenka į Žemę:

Ryžiai. 3. Šilumos kiekis, kurį išskiria Saulė ir patenka į Žemę

Norint apskaičiuoti šilumos kiekį, reikia žinoti tris dalykus (4 pav.):

• kūno svoris (kuris paprastai gali būti išmatuotas naudojant svarstykles);
• temperatūros skirtumas, iki kurio kūnas turi būti šildomas arba vėsinamas (paprastai matuojamas termometru);
• savitoji kūno šiluminė talpa (kurią galima nustatyti iš lentelės).

Ryžiai. 4. Ką reikia žinoti norint nustatyti

Formulė, pagal kurią apskaičiuojamas šilumos kiekis, atrodo taip:

Šioje formulėje pateikiami šie dydžiai:

Šilumos kiekis, išmatuotas džauliais (J);

Medžiagos savitoji šiluminė talpa matuojama ;

- temperatūros skirtumas, matuojamas Celsijaus laipsniais ().

Panagrinėkime šilumos kiekio apskaičiavimo problemą.

Užduotis

Variniame stikle, kurio masė yra gramai, yra litro tūrio vandens temperatūroje. Kiek šilumos turi būti perduota stiklinei vandens, kad jos temperatūra taptų lygi ?

Ryžiai. 5. Probleminių sąlygų iliustracija

Pirmiausia užrašome trumpą sąlygą ( Duota) ir konvertuoti visus kiekius į tarptautinę sistemą (SI).

Sprendimas:

Pirmiausia nustatykite, kokių kitų dydžių mums reikia šiai problemai išspręsti. Naudodamiesi savitosios šiluminės talpos lentele (1 lentelė) randame (vario savitoji šiluminė talpa, nes pagal sąlygą stiklas yra varis), (vandens savitoji šiluminė talpa, nes pagal sąlygą stikle yra vandens). Be to, žinome, kad šilumos kiekiui apskaičiuoti reikia vandens masės. Pagal sąlygą mums suteikiamas tik tūris. Todėl iš lentelės paimame vandens tankį: (2 lentelė).

Lentelė 1. Kai kurių medžiagų savitoji šiluminė talpa,

Lentelė 2. Kai kurių skysčių tankiai

Dabar turime viską, ko reikia šiai problemai išspręsti.

Atkreipkite dėmesį, kad galutinį šilumos kiekį sudarys šilumos kiekio, reikalingo variniam stiklui pašildyti, ir šilumos kiekio, reikalingo jame esančiam vandeniui pašildyti, sumos:

Pirmiausia apskaičiuokime šilumos kiekį, reikalingą variniam stiklui pašildyti:

Prieš apskaičiuodami šilumos kiekį, reikalingą vandeniui pašildyti, apskaičiuokime vandens masę pagal mums žinomą nuo 7 klasės formulę:

Dabar galime apskaičiuoti:

Tada galime apskaičiuoti:

Prisiminkime, ką reiškia kilodžauliai. Priešdėlis „kilo“ reiškia .

Atsakymas:.

Kad būtų patogiau išspręsti šilumos kiekio (vadinamosios tiesioginės problemos) ir kiekių, susijusių su šia sąvoka, problemas, galite naudoti šią lentelę.

Termodinaminės sistemos vidinę energiją galima keisti dviem būdais:

1. dirba su sistema,
2. naudojant šiluminę sąveiką.

Šilumos perdavimas kūnui nėra susijęs su makroskopinio kūno darbo atlikimu. Šiuo atveju vidinės energijos pokytį lemia tai, kad atskiros aukštesnės temperatūros kūno molekulės veikia kai kurias žemesnės temperatūros kūno molekules. Šiuo atveju šiluminė sąveika realizuojama dėl šilumos laidumo. Energijos perdavimas galimas ir naudojant spinduliuotę. Mikroskopinių procesų (susijusių ne su visu kūnu, o su atskiromis molekulėmis) sistema vadinama šilumos perdavimu. Energijos kiekį, kuris perduodamas iš vieno kūno į kitą dėl šilumos perdavimo, lemia šilumos kiekis, perduodamas iš vieno kūno į kitą.

Apibrėžimas

Šiluma reiškia energiją, kurią kūnas gauna (arba atsisako) šilumos mainų su aplinkiniais kūnais (aplinka) procese.

Šilumos simbolis paprastai yra raidė Q.

Tai vienas pagrindinių termodinamikos dydžių. Šiluma įtraukta į pirmojo ir antrojo termodinamikos dėsnių matematines išraiškas. Sakoma, kad šiluma yra molekulinio judėjimo forma.

Šiluma gali būti perduodama sistemai (kūnui), arba gali būti paimta iš jos. Manoma, kad jei šiluma perduodama į sistemą, tai yra teigiama.

Formulė šilumos apskaičiavimui kintant temperatūrai

Pažymime elementarų šilumos kiekį kaip . Pastebėkime, kad šilumos elementas, kurį sistema gauna (duoda) su nedideliu savo būsenos pasikeitimu, nėra visiškas skirtumas. Taip yra dėl to, kad šiluma yra sistemos būklės keitimo proceso funkcija.

Elementarus šilumos kiekis, kuris perduodamas sistemai ir temperatūra keičiasi nuo T iki T+dT, yra lygus:

kur C yra kūno šiluminė talpa. Jei atitinkamas kūnas yra vienalytis, tada šilumos kiekio formulė (1) gali būti pavaizduota taip:

Jei kūnas yra vienalytis, o šiluminė talpa laikoma nepriklausoma nuo temperatūros, tada šilumos kiekį (), kurį organizmas gauna, kai jo temperatūra pakyla, galima apskaičiuoti taip:

kur t 2, t 1 kūno temperatūra prieš ir po kaitinimo. Atkreipkite dėmesį, kad apskaičiuojant skirtumą () galima pakeisti temperatūras tiek Celsijaus laipsniais, tiek kelvinais.

Formulė šilumos kiekiui fazių virsmų metu

Medžiagos perėjimą iš vienos fazės į kitą lydi tam tikro šilumos kiekio absorbcija arba išsiskyrimas, kuris vadinamas fazinio virsmo šiluma.

Taigi, norint perkelti medžiagos elementą iš kietos būsenos į skystį, jam turėtų būti suteiktas šilumos kiekis (), lygus:

kur yra savitoji sintezės šiluma, dm yra kūno masės elementas. Reikėtų atsižvelgti į tai, kad kūno temperatūra turi būti lygi atitinkamos medžiagos lydymosi temperatūrai. Kristalizacijos metu išsiskiria šiluma, lygi (4).

Šilumos kiekį (garavimo šilumą), reikalingą skysčiui paversti garais, galima rasti taip:

kur r yra savitoji garavimo šiluma. Kai garai kondensuojasi, išsiskiria šiluma. Garavimo šiluma lygi vienodų medžiagų masių kondensacijos šilumai.

Šilumos kiekio matavimo vienetai

Pagrindinis šilumos kiekio matavimo vienetas SI sistemoje yra: [Q]=J

Papildomas sistemos šilumos vienetas, kuris dažnai randamas techniniuose skaičiavimuose. [Q] = kalorijos (kalorijos). 1 cal = 4,1868 J.

Problemų sprendimo pavyzdžiai

Pavyzdys

Pratimai. Kokius vandens tūrius reikia sumaišyti, kad gautume 200 litrų vandens, kurio temperatūra t = 40C, jei vienos masės vandens temperatūra t 1 = 10 C, antros masės vandens temperatūra t 2 = 60 C ?

Sprendimas. Parašykime šilumos balanso lygtį tokia forma:

čia Q=cmt – šilumos kiekis, paruoštas sumaišius vandenį; Q 1 = cm 1 t 1 - vandens dalies, kurios temperatūra t 1 ir masė m 1, šilumos kiekis; Q 2 = cm 2 t 2 - vandens dalies, kurios temperatūra t 2 ir masė m 2, šilumos kiekis.

Iš (1.1) lygties išplaukia:

Sujungdami šaltą (V 1) ir karštą (V 2) vandens dalis į vieną tūrį (V), galime daryti prielaidą, kad:

Taigi, gauname lygčių sistemą:

Išsprendę gauname:

Balione esančių dujų vidinę energiją galite keisti ne tik dirbdami, bet ir kaitindami dujas (43 pav.). Jei sutvarkysite stūmoklį, dujų tūris nepasikeis, tačiau padidės temperatūra, taigi ir vidinė energija.
Energijos perdavimo iš vieno kūno į kitą procesas neatliekant darbo vadinamas šilumos mainais arba šilumos perdavimu.

Energija, perduodama kūnui dėl šilumos mainų, vadinama šilumos kiekiu.Šilumos kiekis taip pat vadinamas energija, kurią kūnas išskiria šilumos mainų metu.

Šilumos perdavimo molekulinis vaizdas.Šilumos mainų metu ties riba tarp kūnų vyksta lėtai judančių šalto kūno molekulių sąveika su greičiau judančiomis karšto kūno molekulėmis. Dėl to molekulių kinetinės energijos išsilygina ir šalto kūno molekulių greičiai didėja, o karšto – mažėja.

Šilumos mainų metu energija nevirsta iš vienos formos į kitą: dalis karšto kūno vidinės energijos perduodama šaltam kūnui.

Šilumos kiekis ir šiluminė talpa. Iš VII klasės fizikos kurso žinoma, kad norint sušildyti m masės kūną nuo temperatūros t 1 iki temperatūros t 2 reikia jį informuoti apie šilumos kiekį

Q = cm(t 2 – t 1) = cmΔt. (4.5)

Kai kūnas vėsta, jo amžinoji temperatūra t 2 yra mažesnė už pradinę temperatūrą t 1, o kūno išskiriamas šilumos kiekis yra neigiamas.
Koeficientas c formulėje (4.5) vadinamas specifinė šiluminė talpa. Savitoji šiluminė talpa – tai šilumos kiekis, kurį gauna arba išskiria 1 kg medžiagos, kai jos temperatūra pasikeičia 1 K.

Savitoji šiluminė talpa išreiškiama džauliais, padalijus iš kilogramo, padauginta iš kelvinų. Skirtingiems kūnams reikia skirtingo energijos kiekio, kad temperatūra padidėtų 1 K. Taigi vandens savitoji šiluminė talpa yra 4190 J/(kg K), o vario – 380 J/(kg K).

Specifinė šiluminė talpa priklauso ne tik nuo medžiagos savybių, bet ir nuo šilumos perdavimo proceso. Jei kaitinsite dujas esant pastoviam slėgiui, jos išsiplės ir veiks. Norint pašildyti dujas 1°C esant pastoviam slėgiui, joms reikės perduoti daugiau šilumos nei kaitinti esant pastoviam tūriui.

Skysti ir kietieji kūnai kaitinant šiek tiek plečiasi, o jų savitosios šiluminės talpos esant pastoviam tūriui ir pastoviam slėgiui mažai skiriasi.

Savitoji garavimo šiluma. Kad skystis virstų garais, į jį turi būti perduotas tam tikras šilumos kiekis. Skysčio temperatūra šios transformacijos metu nekinta. Skysčio pavertimas garais pastovioje temperatūroje nepadidėja molekulių kinetinė energija, bet kartu didėja jų potenciali energija. Juk vidutinis atstumas tarp dujų molekulių yra daug kartų didesnis nei tarp skysčio molekulių. Be to, padidėjus tūriui medžiagai pereinant iš skystos į dujinę būseną, reikia dirbti prieš išorines slėgio jėgas.

Šilumos kiekis, reikalingas 1 kg skysčio paversti garais pastovioje temperatūroje, vadinamas specifine garavimo šiluma.

Šis kiekis žymimas raide r ir išreiškiamas džauliais kilogramui.

Savitoji vandens garavimo šiluma yra labai didelė: 2,256 · 10 6 J/kg esant 100°C temperatūrai. Kitų skysčių (alkoholio, eterio, gyvsidabrio, žibalo ir kt.) savitoji garavimo šiluma yra 3-10 kartų mažesnė.

Norint m masės skystį paversti garais, reikalingas šilumos kiekis, lygus:

Kondensuojantis garams išsiskiria tiek pat šilumos

Savitoji lydymosi šiluma. Q k = –rm. (4.7)

Kai kristalinis kūnas ištirpsta, visa jam tiekiama šiluma eina molekulių potencialios energijos didinimui. Molekulių kinetinė energija nekinta, nes lydymas vyksta pastovioje temperatūroje.

Šilumos kiekis λ (lambda), reikalingas 1 kg kristalinės medžiagos lydymosi temperatūroje paversti skysčiu toje pačioje temperatūroje, vadinamas specifine lydymosi šiluma.

Norint išlydyti m masės kristalinį kūną, reikalingas šilumos kiekis, lygus:

Kai kristalizuojasi 1 kg medžiagos, išsiskiria lygiai tiek pat šilumos. Ledo lydymosi savitoji šiluma gana didelė: 3,4 · 10 5 J/kg.

Qpl = λm. (4.8)

Kūno kristalizacijos metu išsiskiriančios šilumos kiekis yra lygus:

Q cr = – λm. (4.9)