Šiluminės talpos apibrėžimas fizikoje. Trumpa teorinė informacija

Vidinės energijos pokytis atliekant darbą pasižymi darbo kiekiu, t.y. darbas yra vidinės energijos kitimo matas šis procesas. Kūno vidinės energijos pokytis šilumos perdavimo metu apibūdinamas dydžiu, vadinamu šilumos kiekiu.

yra kūno vidinės energijos pokytis šilumos perdavimo procese neatliekant darbo. Šilumos kiekis nurodomas raide K .

Darbas, vidinė energija o šilumos kiekis matuojamas tais pačiais vienetais – džauliais ( J), kaip ir bet kuri energija.

Atliekant šiluminius matavimus, specialus energijos vienetas anksčiau buvo naudojamas kaip šilumos kiekio vienetas - kalorijos ( išmatos), lygus šilumos kiekis, reikalingas 1 gramui vandens pašildyti 1 laipsniu Celsijaus (tiksliau, nuo 19,5 iki 20,5 ° C). Šis vienetas, visų pirma, šiuo metu naudojamas apskaičiuojant šilumos suvartojimą (šilumos energiją) daugiabučiuose namuose. Eksperimentiškai buvo nustatytas mechaninis šilumos ekvivalentas – santykis tarp kalorijų ir džaulio: 1 cal = 4,2 J.

Kai kūnas perduoda tam tikrą šilumos kiekį neatlikdamas darbo, jo vidinė energija padidėja, jei kūnas išskiria tam tikrą šilumos kiekį, tada jo vidinė energija mažėja.

Jei į du identiškus indus supilsite 100 g vandens, į vieną ir 400 g į kitą, tos pačios temperatūros ir pastatysite ant identiškų degiklių, tai pirmame inde vanduo užvirs anksčiau. Taigi, nei daugiau masės kūnas, taip daugiau jai reikia šilumos, kad sušiltų. Tas pats ir su vėsinimu.

Šilumos kiekis, reikalingas kūnui pašildyti, taip pat priklauso nuo medžiagos, iš kurios pagamintas kūnas, rūšies. Šią šilumos kiekio, reikalingo kūnui pašildyti, priklausomybę nuo medžiagos tipo apibūdina fizikinis dydis, vadinamas specifinė šiluminė talpa medžiagų.

- Tai fizinis kiekis, lygus šilumos kiekiui, kuris turi būti perduotas 1 kg medžiagos, kad ji pašildytų 1 °C (arba 1 K). 1 kg medžiagos, atvėsus 1 °C, išskiria tiek pat šilumos.

Savitoji šiluminė talpa nurodoma raide Su. Savitosios šiluminės galios vienetas yra 1 J/kg °C arba 1 J/kg °K.

Medžiagų savitoji šiluminė talpa nustatoma eksperimentiniu būdu. Skysčiai turi didesnę savitąją šiluminę talpą nei metalai; Vanduo turi didžiausią savitąją šilumą, auksas – labai mažą.

Kadangi šilumos kiekis lygus kūno vidinės energijos pokyčiui, tai galima sakyti, kad savitoji šiluminė talpa parodo, kiek pasikeičia vidinė energija 1 kg medžiaga, kai jos temperatūra pasikeičia 1 °C. Visų pirma, 1 kg švino vidinė energija padidėja 140 J, kai kaitinama 1 °C, ir sumažėja 140 J, kai atšaldoma.

Q = c ∙ m (t 2 - t 1)

Ta pati formulė naudojama apskaičiuojant šilumos kiekį, kurį kūnas išskiria vėsdamas. Tik tokiu atveju iš pradinės temperatūros reikia atimti galutinę temperatūrą, t.y. iš didesnę vertę atimti mažesnę temperatūrą.

Tai yra temos santrauka „Šilumos kiekis. Specifinė šiluma". Pasirinkite kitus veiksmus:

• Eikite į kitą santrauką:

Kūno šiluminė talpa yra fizikinis dydis, nustatomas pagal šilumos kiekio, kurį kūnas sugeria kaitinant, ir jo temperatūros pokyčio santykį:

Kūno šiluminės talpos fizinė reikšmė: kūno šiluminė talpa lygi šilumos kiekiui, kurį kūnas sugeria kaitinant arba išsiskiria, kai jį atvėsina 1K.

Kadangi šiluminės galios yra kintamos, skiriamos vidutinės ir tikrosios šilumos talpos. Vidutinė šiluminė galia yra šilumos kiekio santykis q , pridedama prie vienetinio medžiagos (dujų) kiekio, iki jos temperatūros pokyčio nuo t 1 į t 2 su sąlyga, kad temperatūrų skirtumas t 2 –t 1 yra baigtinis dydis. Vidutinė masė, tūris ir molinės šilumos talpos atitinkamai žymimos c m , c m 'Ir m . Iš vidutinės šiluminės talpos apibrėžimo išplaukia, kad jei dujų temperatūra pakyla nuo t 1 į t 2 tada jo vidutinė šiluminė talpa [kJ/(kg*K)]

Tikroji šiluminė talpa suprantama kaip dujų šiluminė talpa, atitinkanti be galo mažą dujų temperatūros pokytį, atitinkantį be galo mažą temperatūros pokytį dt , t.y.

c = dq/dt,

kur dq = cdt.

Specifinė šiluma– tai įvairių medžiagų gebėjimas sugerti šilumą kaitinant. Medžiagos savitoji šiluminė talpa nustatoma pagal šilumos kiekio, kurį ji gauna kaitinant, santykį su medžiagos mase ir jos temperatūros pokyčiu, jei:

santykis, išreiškiantis ryšį tarp molinių šiluminių pajėgumų Cp ir CV, turi tokią formą (Mayerio formulė): Cp = CV + R. ARBA DAUGIAU IŠPLĖSTI Idealių dujų šiluminė talpa Jei dėl šilumos mainų tam tikras šilumos kiekis perduodama kūnui, tada keičiasi vidinė kūno energija ir jo temperatūra. Šilumos kiekis Q, reikalingas 1 kg medžiagos pašildyti 1 K, vadinamas savitoji medžiagos šiluminė talpa c. c = Q/(mΔT). Daugeliu atvejų patogu naudoti molinę šiluminę talpą C: C = M c, kur M yra molinė masė medžiagų. Tokiu būdu nustatyta šiluminė talpa nėra vienareikšmė medžiagos charakteristika. Pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį, kūno vidinės energijos kitimas priklauso ne tik nuo gaunamos šilumos kiekio, bet ir nuo kūno atliekamo darbo. Priklausomai nuo sąlygų, kuriomis buvo atliktas šilumos perdavimo procesas, kūnas gali atlikti įvairių darbų. Todėl toks pat šilumos kiekis, perduodamas kūnui, gali sukelti skirtingus jo vidinės energijos ir atitinkamai temperatūros pokyčius. Šis dviprasmiškumas nustatant šiluminę galią būdingas tik dujinėms medžiagoms. Kaitinant skysčius ir kietas medžiagas, jų tūris praktiškai nesikeičia, o plėtimosi darbas yra lygus nuliui. Todėl visas kūno gaunamas šilumos kiekis atitenka jo vidinei energijai keisti. Skirtingai nuo skysčių ir kietų medžiagų, dujos gali labai pakeisti savo tūrį ir atlikti darbą šilumos perdavimo metu. Todėl dujinės medžiagos šiluminė talpa priklauso nuo termodinaminio proceso pobūdžio. Paprastai laikomos dvi dujų šiluminės talpos reikšmės: CV – molinė šiluminė talpa izochoriniame procese (V = const) ir Cp – molinė šiluminė talpa izobariniame procese (p = const). Procese esant pastoviam tūriui dujos neveikia: A = 0. Iš pirmojo termodinamikos dėsnio 1 moliui dujų išplaukia QV = CVΔT = ΔU. Dujų vidinės energijos pokytis ΔU yra tiesiogiai proporcingas jų temperatūros pokyčiui ΔT. Procesui adresu pastovus slėgis pirmasis termodinamikos dėsnis duoda: Qp = ΔU + p(V2 – V1) = CVΔT + pΔV, kur ΔV – idealių dujų 1 molio tūrio pokytis, kai jų temperatūra pasikeičia ΔT. Iš to seka: Santykį ΔV / ΔT galima rasti iš idealių dujų būsenos lygties, parašytos 1 moliui: pV = RT, kur R yra universali dujų konstanta. Esant p = const Taigi ryšys, išreiškiantis ryšį tarp molinių šilumos talpų Cp ir CV, turi tokią formą (Mayerio formulė): Cp = CV + R.

Dujų konstanta skaitine prasme lygi 1 molio idealių dujų plėtimosi darbui esant pastoviam slėgiui kaitinant 1 K. R = pV/T = 1,01 10 5 22,4 10-3/273 [Pa m 3 /mol]/ K = 8,31 (44) Dl/ (mol K)

Universali dujų konstanta yra universali, pagrindinė fizinė konstanta R, lygi Boltzmanno konstantos k ir Avogadro konstantos sandaugai

Fizinė prasmė: Dujų konstanta i skaitine prasme lygus vieno molio idealių dujų plėtimosi darbui izobariniame procese, temperatūrai padidėjus 1 K

GHS sistemoje dujų konstanta yra lygi:

Specifinė dujų konstanta yra lygi:

Adiabatinis eksponentas(kartais vadinamas koeficientasPoisson) - šilumos talpos esant pastoviam slėgiui () ir šilumos talpos pastovaus tūrio () santykis. Kartais tai dar vadinama veiksnys izentropinis plėtiniai. Paskirta Graikiškas laiškas(gama) arba (kappa). Raidės simbolis pirmiausia naudojamas chemijos inžinerijos disciplinose. Šilumos inžinerijoje naudojama lotyniška raidė.

Dujų mišinys yra kelių skirtingų dujų rinkinys, kurios nagrinėjamomis sąlygomis nevykdo cheminių reakcijų viena su kita.

Dujų mišinys yra vienalytė termodinaminė sistema (joje nėra sąsajų, skiriančių makroskopines sistemos dalis, kurios skiriasi viena nuo kitos savo savybėmis ir sudėtimi).

Dalinis slėgis I-ųjų dujų mišinyje Pi yra slėgis, kuriame šios dujos būtų, jei visos kitos dujos būtų pašalintos iš mišinio, o V ir T liktų tokie patys.

Daltono dėsnis – chemiškai tarpusavyje nesąveikaujančių dujų mišinio slėgis yra lygus šių dujų dalinių slėgių sumai.

Norėdami suprasti, kas tai yra Daltono dėsnis, pagalvokime apie orą patalpoje. Tai kelių dujų mišinys: azoto (80%), deguonies (20%). Kiekvienos iš šių dujų dalinis slėgis yra slėgis, kurį dujos turėtų, jei jos vienos užimtų visą tūrį. Pavyzdžiui, jei visos dujos, išskyrus azotą, būtų pašalintos iš patalpos, likusių dujų slėgis būtų lygus daliniam azoto slėgiui. Daltono dėsnis teigia, kad bendras slėgis visų dujų, paimtų kartu, yra lygi kiekvienos dujos atskirai dalinių slėgių sumai. (Griežtai kalbant, dėsnis taikomas tik idealioms dujoms, tačiau gana gerai jis apibūdina ir tikras dujas.)

Pirmasis termodinamikos dėsnis yra energijos tvermės ir transformacijos dėsnio apibendrinimas termodinamine sistema. Jis suformuluotas taip:

Keisti ΔU neizoliuotos termodinaminės sistemos vidinė energija yra lygi šilumos kiekio skirtumuiK , perkelta į sistemą, ir darbasA , tobula išorinių kūnų sistema.

Santykis, išreiškiantis pirmąjį termodinamikos dėsnį, dažnai rašomas kitokia forma:

Sistemos gaunamas šilumos kiekis pakeičiamas jos vidine energija ir atlieka išorinių kūnų darbus.

Pirmasis termodinamikos dėsnis yra eksperimentinių faktų apibendrinimas. Pagal šį dėsnį energija negali būti sukurta ar sunaikinta; ji perduodama iš vienos sistemos į kitą ir transformuojama iš vienos formos į kitą. Svarbi pasekmė Pirmasis termodinamikos dėsnis yra teiginys apie tai, kad neįmanoma sukurti mašinos, galinčios atlikti naudingą darbą, nenaudodamos energijos iš išorės ir be jokių pakeitimų pačioje mašinoje. Ši hipotetinė mašina buvo vadinama pirmos rūšies amžinasis variklis (perpetuum mobile). . Daugybė bandymų sukurti tokią mašiną visada baigėsi nesėkme. Bet kuri mašina gali atlikti teigiamą darbą A virš išorinių kūnų tik dėl tam tikro šilumos kiekio gavimo K nuo aplinkinių kūnų arba mažėjantis Δ U jūsų vidinė energija.

Pirmąjį termodinamikos dėsnį taikykime izoprocesams dujose.

IN izochorinis procesas (V= const) dujos neveikia, A= 0. Todėl

Pirmasis izobarinio proceso termodinamikos dėsnis suteikia:

K = U (T 2) – U (T 1) + p (V 2 – V 1) = Δ U + p Δ V.

1. Su izobariniu plėtimu K> 0 – dujos sugeria šilumą, o dujos atlieka teigiamą darbą. Esant izobariniam suspaudimui K < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T 2 < T 1 ; U < 0.

   mažėja vidinė energija, Δ IN izoterminis procesas U = 0.

dujų temperatūra nekinta, todėl nekinta ir dujų vidinė energija Δ

Pirmasis izoterminio proceso termodinamikos dėsnis išreiškiamas ryšiu KŠilumos kiekis , gautas iš dujų izoterminio plėtimosi proceso metu, virsta darbu išoriniuose kūnuose. Izoterminio suspaudimo metu dirbti išorinės jėgos

, susidaręs virš dujų, virsta šiluma, kuri perduodama aplinkiniams kūnams. Kartu su izochoriniais, izobariniais ir izoterminiais procesais termodinamika dažnai atsižvelgia į procesus, kurie vyksta nesant šilumos mainų su aplinkiniais kūnais. Laivai su karščiui nepralaidžiomis sienelėmis vadinami adiabatiniai apvalkalai , o tokiuose induose vykstantys dujų plėtimosi ar suspaudimo procesai vadinami.

mažėja vidinė energija, Δ adiabatinisK adiabatinis procesas

yra energijos kiekis, kurį galima paversti šiluma esant tam tikrai temperatūrai ir slėgiui. Entalpijos vienetai yra Didžiosios Britanijos šiluminis vienetas arba Džaulis, reiškiantis energiją, ir Btu/lbm arba J/kg specifinei energijai.

11 klausimas

Vidinė kūno energija

- chaotiško molekulių judėjimo kinetinės energijos, palyginti su kūno masės centru, ir potencialios molekulių sąveikos tarpusavyje (bet ne su kitų kūnų molekulėmis) energijos suma. Priklauso nuo temperatūros ir tūrio.

Kūno energiją galime pakeisti dirbdami su ja. Pavyzdžiui, pripučiant dviračio padangą, siurblys įkaista. Kai kurie žmonės mano, kad dėl to, kad stūmoklis trinasi į siurblio sieneles, o to priežastis yra tai, kad mes suspaudžiame dujas, dirbame su jais, o tai eina link vidinės energijos didinimo ir tai pasireiškia kaip temperatūros padidėjimas. Yra dar vienas būdas pakeisti vidinę kūno energiją neatliekant darbo – šilumos perdavimas.

Šilumos perdavimas

• Šilumos perdavimas
• - būdas perduoti vidinę kūno energiją neatliekant darbo.
• Šilumos perdavimas gali būti atliekamas trimis būdais:

šilumos laidumas;

konvekcija; skirtingos aplinkos: grynos medžiagos pasikeitus bendrai darbo laikmenų būsenai ar be jo ir pan. Priklausomai nuo to, šilumos perdavimas vyksta skirtingai ir apibūdinamas skirtingomis lygtimis.

Šilumos laidumas

Šilumos perdavimo pagal šilumos laidumą procesas vyksta kūnams ar jų dalelėms tiesiogiai kontaktuojant su skirtingos temperatūros ir yra molekulinis šilumos perdavimo procesas dėl molekulių vibracijos. Didesnę vibracijos amplitudę turinčios molekulės verčia dažniau vibruoti kaimynines molekules, kurių vibracijos amplitudė yra mažesnė.

Kai kūnas įkaista kinetinė energija jo molekulių daugėja, o karštesnės kūno dalies dalelės, susidūrusios su kaimyninėmis molekulėmis, perduoda joms dalį savo kinetinės energijos. Tokiu atveju karštesnės kūno vietos atšąla, o mažiau įkaistančios.

Konvekcija

Konvekcija – tai šilumos perdavimas judant ar sumaišant visą netolygiai įkaitusių skysčių ar dujų masę. Šiuo atveju šilumos perdavimas tiesiogiai priklauso nuo skysčio ar dujų judėjimo greičio.

Konvekcinis šilumos perdavimas- vienu metu šilumos perdavimas konvekcija ir šilumos laidumas. Inžineriniuose skaičiavimuose dažnai nustatomas konvekcinis šilumos perdavimas tarp skysčio ar dujų srautų ir paviršiaus. kietas. Šis konvekcinio šilumos perdavimo procesas vadinamas konvekciniu šilumos perdavimu arba tiesiog šilumos perdavimu.

Radiacija

Radiacija ( šiluminė spinduliuotė, spinduliuotė) yra šilumos perdavimo į kūno vidinę energiją procesas elektromagnetines bangas.

Šis procesas vyksta trimis etapais:

• dalies vieno kūno vidinės energijos pavertimas elektromagnetinių bangų energija;
• elektromagnetinių bangų sklidimas erdvėje;
• kito kūno spinduliuotės energijos sugėrimas.

Radiacijos laidumo šilumos perdavimas- jungties šilumos mainai pagal spinduliuotę ir šilumos laidumą.

Šilumos kiekis

Šilumos kiekis (Q)- energija, perduodama kūnui šilumos perdavimo proceso metu, vadinama šilumos kiekiu ir matuojama [J].

Jeigu fizinė būsena medžiaga nesikeičia (nekeičia potenciali energija molekulių sąveika tarpusavyje, o kinetinė keičiasi), tada vidinės energijos pokytis siejamas su vidinės temperatūros pokyčiu.

Q ~ ΔT
Gaunamas šilumos kiekis yra tiesiogiai proporcingas kūno temperatūros skirtumui.

Proporcingumo koeficientas priklauso nuo kūno, masės ir tūrio ir yra kūno charakteristika. Jei paimame stiklinę vandens ir padidiname temperatūrą 1 Kelvinu, tai mums reikia vieno šilumos kiekio. Jei imsime jūrą, tada mums reikės visai kitokio šilumos kiekio.

Q = СΔТ
C – kūno šiluminė talpa.

Kūno šiluminė talpa- fizinis dydis, skaitiniu požiūriu lygus šilumos kiekiui, kurį organizmas turi perduoti, kad temperatūra pakiltų 1 kelvinu.

Specifinė šiluma

Kūno šiluminė talpa tiesiogiai priklauso nuo kūno masės, t.y. tai yra materijos savybė.

C = cm, с = С/m, [c] = [J/kg*K]
C – savitoji šiluminė talpa (medžiagos šiluminė talpa).

Atitinkamai šilumos kiekio formulę galima parašyti tokia forma.

Q = cmΔТ
c - medžiagos šiluminė talpa
m - kūno svoris
ΔT – temperatūros skirtumas

Specifinė šiluma medžiagų- fizikinis dydis, skaitiniu būdu lygus šilumos kiekiui, kuris turi būti perduotas vienam kg medžiagos, kad jos temperatūra padidėtų 1 Kelvinu.

Šilumos talpa – tai gebėjimas sugerti tam tikrą šilumos kiekį kaitinimo metu arba išleisti jį aušinant. Kūno šiluminė talpa yra be galo mažo šilumos kiekio, kurį kūnas gauna, ir atitinkamo jo temperatūros rodiklių padidėjimo santykis. Vertė matuojama J/K. Praktikoje naudojama kiek kitokia reikšmė – savitoji šiluminė talpa.

Apibrėžimas

Ką reiškia specifinė šiluminė talpa? Tai kiekis, susijęs su medžiagos kiekio vienetu. Atitinkamai, medžiagos kiekis gali būti matuojamas kubiniais metrais, kilogramais ar net moliais. Nuo ko tai priklauso? Fizikoje šiluminė talpa tiesiogiai priklauso nuo ko kiekybinis vienetas tai reiškia, todėl išskiria molinę, masinę ir tūrinę šiluminę talpą. IN statybos pramone tu nepasimatysi moliniai matavimai, bet su kitais – labai dažnai.

Kas turi įtakos specifinei šiluminei galiai?

Jūs žinote, kas yra šiluminė talpa, bet kokios reikšmės turi įtakos indikatoriui, dar neaišku. Savitosios šiluminės talpos vertę tiesiogiai veikia keli komponentai: medžiagos temperatūra, slėgis ir kitos termodinaminės charakteristikos.

Didėjant gaminio temperatūrai, jo savitoji šiluminė talpa didėja, tačiau tam tikros medžiagos turi visiškai netiesinę šios priklausomybės kreivę. Pavyzdžiui, temperatūros rodikliams padidėjus nuo nulio iki trisdešimt septynių laipsnių, vandens savitoji šiluminė talpa pradeda mažėti, o jei riba yra nuo trisdešimt septynių iki šimto laipsnių, indikatorius, priešingai, padidinti.

Verta paminėti, kad parametras priklauso ir nuo to, kaip leidžiama keisti gaminio termodinamines charakteristikas (slėgį, tūrį ir kt.). Pavyzdžiui, savitoji šiluminė talpa esant pastoviam slėgiui ir esant stabiliam tūriui skirsis.

Kaip apskaičiuoti parametrą?

Domina kokia šiluminė talpa? Skaičiavimo formulė yra tokia: C=Q/(m·ΔT). Kokios tai reikšmės? Q – šilumos kiekis, kurį gaminys gauna kaitinamas (arba gaminys išskiria jį vėsdamas). m – gaminio masė, o ΔT – skirtumas tarp galutinės ir pradinės gaminio temperatūrų. Žemiau yra kai kurių medžiagų šiluminės talpos lentelė.

Ką galima pasakyti apie šilumos talpos apskaičiavimą?

Apskaičiuoti šiluminę galią nėra pati lengviausia užduotis, ypač jei naudojate tik termodinaminius metodus, tiksliau to padaryti neįmanoma. Štai kodėl fizikai naudoja metodus statistinė fizika arba produktų mikrostruktūros išmanymas. Kaip atlikti dujų skaičiavimus? Dujų šiluminė talpa apskaičiuojama iš skaičiavimo vidutinė energija atskirų molekulių šiluminis judėjimas medžiagoje. Molekuliniai judesiai gali būti transliaciniai arba sukamieji, o molekulės viduje gali būti visas atomas arba atomų vibracija. Klasikinė statistika sako, kad kiekvienam sukimosi laisvės laipsniui ir transliaciniai judesiai yra moline verte, kuri lygi R/2, o kiekvieno virpesio laisvės laipsnio reikšmė lygi R. Ši taisyklė dar vadinama lygiavertiškumo dėsniu.

Šiuo atveju monoatominių dujų dalelė turi tik tris transliacijos laisvės laipsnius, todėl jos šiluminė talpa turėtų būti lygi 3R/2, o tai puikiai sutampa su eksperimentu. Kiekviena dviatomių dujų molekulė išsiskiria trimis transliaciniais, dviem sukimosi ir vienu virpesių laisvės laipsniais, o tai reiškia, kad pusiausvyros dėsnis bus lygus 7R/2, o patirtis parodė, kad dviatomių dujų molio šiluminė talpa įprastoje temperatūroje yra 5R/2. Kodėl tarp teorijų atsirado toks neatitikimas? Visa tai yra dėl to, kad nustatant šiluminę galią reikės atsižvelgti į skirtingus kvantiniai efektai, kitaip tariant, naudokite kvantinę statistiką. Kaip matote, šilumos talpa yra gana sudėtinga sąvoka.

Kvantinė mechanika teigia, kad bet kuri vibruojančių ar besisukančių dalelių sistema, įskaitant dujų molekulę, gali turėti tam tikrų diskrečiųjų vertybių energijos. Jeigu šiluminio judėjimo energijos įrengtoje sistemoje nepakanka, kad sužadintų reikiamo dažnio virpesius, tai šie svyravimai neprisideda prie sistemos šiluminės talpos.

Kietosiose medžiagose atomų terminis judėjimas yra silpnos vibracijos šalia tam tikrų pusiausvyros padėčių, tai taikoma mazgams kristalinė gardelė. Atomas turi tris vibracinius laisvės laipsnius ir pagal įstatymą kieto kūno molinė šiluminė talpa yra lygi 3nR, kur n yra molekulėje esančių atomų skaičius. Praktiškai ši vertė yra riba, iki kurios kūno šiluminė talpa yra linkusi aukštoje temperatūroje. Vertė pasiekiama esant normaliam daugelio elementų temperatūros pokyčiui, tai taikoma metalams, taip pat paprastiems junginiams. Taip pat nustatoma švino ir kitų medžiagų šiluminė talpa.

O kaip su žema temperatūra?

Mes jau žinome, kas yra šiluminė talpa, bet jei kalbame apie žemos temperatūros, kaip tada bus skaičiuojama vertė? Jeigu mes kalbame apie apie žemos temperatūros rodiklius, tada kieto kūno šiluminė talpa pasirodo proporcinga T 3 arba vadinamasis Debio šiluminės talpos dėsnis. Pagrindinis kriterijus, leidžianti atskirti didelio našumo temperatūra nuo žemos, įprasta jas lyginti su būdingomis tam tikra medžiaga parametras – tai gali būti charakteristika arba Debye temperatūra q D. Pateikta vertė nustatoma pagal gaminyje esančių atomų virpesių spektrą ir labai priklauso nuo kristalų struktūros.

Metaluose laidumo elektronai daro tam tikrą indėlį į šilumos talpą. Ši dalisšilumos talpa apskaičiuojama naudojant Fermi-Dirac statistiką, kurioje atsižvelgiama į elektronus. Metalo elektroninė šiluminė talpa, proporcinga įprastai šiluminei galiai, yra santykinai maža reikšmė ir prisideda prie metalo šiluminės talpos tik esant artimai temperatūrai. absoliutus nulis. Tada grotelių šiluminė talpa tampa labai maža ir gali būti nepaisoma.

Masės šiluminė talpa

Masės savitoji šiluminė talpa – tai šilumos kiekis, kurį reikia pridėti prie medžiagos masės vieneto, kad produktas pašildytų vienetine temperatūra. Paskirta duota vertė raidė C ir matuojama džauliais, padalijus iš kilogramo kelvinui – J/(kg K). Tai viskas dėl masinės šilumos talpos.

Kas yra tūrinė šilumos talpa?

Tūrinė šiluminė galia – tai tam tikras šilumos kiekis, kurį reikia tiekti gaminio tūrio vienetui, kad jis būtų šildomas pagal temperatūros vienetą. Išmatuota šis rodiklis džauliais padalytas iš kubinis metras vienam kelvinui arba J/(m³ K). Daugelyje statybos žinynų atsižvelgiama į masės savitąją šilumos talpą darbe.

Praktinis šiluminės galios pritaikymas statybos pramonėje

Karščiui atsparių sienų statyboje aktyviai naudojama daug šilumai intensyvių medžiagų. Tai itin svarbu namams, kuriems būdingas periodinis šildymas. Pavyzdžiui, viryklė. Intensyvūs šilumai gaminiai ir iš jų pastatytos sienos puikiai kaupia šilumą, kaupia ją šildymo periodais ir išjungus sistemą palaipsniui išskiria šilumą, taip leisdamos palaikyti priimtiną temperatūrą visą dieną.

Taigi, kuo daugiau šilumos bus sukaupta konstrukcijoje, tuo patogesnė ir stabilesnė bus temperatūra patalpose.

Verta paminėti, kad namo statyboje naudojamos paprastos plytos ir betonas turi žymiai mažesnę šiluminę galią nei putų polistirenas. Jei imtume ekovatą, ji turi tris kartus didesnę šiluminę talpą nei betonas. Reikėtų pažymėti, kad ne veltui šiluminės talpos skaičiavimo formulėje yra masė. Dėl didelės, milžiniškos betono ar plytų masės, palyginti su ekovata, ji leidžia akmeninėms konstrukcijų sienoms sukaupti didžiulius šilumos kiekius ir išlygina visus paros temperatūros svyravimus. Tik maža masė izoliacija visuose karkasiniuose namuose, nepaisant geros šilumos talpos, yra silpniausia sritis iš visų karkasinių technologijų. Norėdami nuspręsti šią problemą, visuose namuose sumontuoti įspūdingi šilumos akumuliatoriai. kas tai? Tai konstrukcinės dalys, kurios skiriasi didelė masė su pakankamai geras rodiklisšiluminė talpa.

Šilumos akumuliatorių pavyzdžiai realiame gyvenime

Kas tai galėtų būti? Pavyzdžiui, kai kurios vidinės plytų sienos, didelė krosnis ar židinys, betoniniai lygintuvai.

Baldai bet kuriame name ar bute yra puikus šilumos akumuliatorius, nes fanera, medžio drožlių plokštės ir mediena iš tikrųjų gali sukaupti tris kartus daugiau šilumos vienam svorio kilogramui nei liūdnai pagarsėjusi plyta.

Ar yra šilumos akumuliatorių trūkumų? Žinoma, pagrindinis šio požiūrio trūkumas yra tas, kad šilumos akumuliatorių reikia projektuoti karkasinio namo modelio kūrimo etape. Taip yra dėl to, kad jis yra sunkus, į tai reikės atsižvelgti kuriant pamatą, o tada įsivaizduokite, kaip šis objektas bus integruotas į interjerą. Verta pasakyti, kad savo darbe turėsite atsižvelgti ne tik į masę, bet ir į abi charakteristikas: masę ir šiluminę talpą. Pavyzdžiui, jei kaip šilumos akumuliatorių naudojate auksą, kurio kubinis metras sveria neįtikėtinai dvidešimt tonų, gaminys veiks taip, kaip reikia, tik dvidešimt trim procentais geriau nei betoninis kubas, sveriantis dvi su puse tonos.

Kokia medžiaga labiausiai tinka šilumos akumuliatoriui?

Geriausias produktasšilumos akumuliatoriui tai visai ne betonas ir plyta! Varis, bronza ir geležis puikiai susidoroja su šia užduotimi, tačiau yra labai sunkūs. Kaip bebūtų keista, bet geriausias šilumos akumuliatorius yra vanduo! Skystis turi įspūdingą šiluminę talpą, didžiausią iš mums prieinamų medžiagų. Didesnė šilumos talpa tik helio dujoms (5190 J/(kg K) ir vandeniliui (14300 J/(kg K), bet jas sunku naudoti praktikoje. Jei norite ir reikia), žiūrėkite Jums reikalingų medžiagų šiluminės talpos lentelę.

Kūno šiluminė talpa apibūdinama šilumos kiekiu , būtinas norint įkaitinti šį kūną vienu laipsniu (J/deg). Jei norint padidinti kūno temperatūrą T laipsniais, būtina jį informuoti ΔQ džauliais, tai vidutinė kūno šiluminė talpa intervale ΔT nustatoma taip:

Kūno šiluminė talpa yra proporcinga jo masei ir priklauso nuo kūno medžiagos. Tam tikros medžiagos (medžio, geležies, oro ir kt.) savitoji šiluminė talpa Csp apibūdinama šilumos kiekiu viename laipsnyje ir matuojama J/kg deg. Specifinė šiluma.

Dujoms patogu naudoti molinę šiluminę talpą (C molis arba tiesiog C), apibūdinamą šilumos kiekiu, kurio reikia vienam kilomoliui tam tikros medžiagos pašildyti vienu laipsniu.

Tai akivaizdu

C beat /J/kg * deg/ * μ/kg/kmol/ = C /J/kmol * deg/.

Kadangi 1 kilomole bet kokių dujų yra tiek pat molekulių, o vidutinė molekulių kinetinė energija nepriklauso nuo jų masės, galime tikėtis, kad visų pakankamai išretintų dujų molinės šiluminės talpos turėtų būti vienodos.

Kūno šiluminė talpa labai priklauso nuo to, kaip keičiasi kūno būsenos šildymo proceso metu. Paprastumo dėlei apsvarstykime idealias monoatomines dujas. Jei kaitinsime dujas, uždarytas uždarame tūryje, V = const (1 pav., a), tai visa tiekiama šiluma ΔQ eis tik padidinti dujų vidinę energiją. Tada pirmasis termodinamikos dėsnis, kai ΔA = 0, turės tokią formą: ΔQ = ΔU.

Šiuo atveju dujų temperatūra padidės atsižvelgiant į jų vidinės energijos padidėjimą, o tai reiškia, kad idealių dujų temperatūra yra proporcinga jų vidinei energijai. Dujų slėgis R. taip pat proporcingai padidės temperatūrai. Pažymime pastovaus tūrio dujų šiluminę talpą C.

Jei norime, kad šildymo proceso metu būtų palaikomas slėgis, reikia leisti dujoms plėstis. Tam dujas dedame į cilindrą su stūmokliu, kuriam veikia pastovus slėgis P = const (1 pav., b). Kadangi idealių dujų vidinė energija U nepriklauso nuo jų tūrio, šilumos kiekis, reikalingas jai padidinti, išliks toks pat. Tačiau kai dujos įkaitinamos iki tokios pat temperatūros, dalis tiekiamos šilumos dabar išleidžiama darbui prieš išorines jėgas dujų plėtimosi metu. Vadinasi, norint pašildyti dujas iki tokios pat temperatūros kaip ir ankstesniu atveju (V = const), reikės išleisti daugiau šilumos. Taigi dujų šiluminė talpa ΔQ/ΔT esant pastoviam slėgiui, kurią žymime C p. , bus didesnis nei C V .

Šis pavyzdys labai svarbus. Tai rodo, kad šilumos kiekis ΔQ, reikalingas dujoms pašildyti ΔT laipsniais, labai priklauso nuo papildomų sąlygų – kitų mikroskopinių parametrų, lemiančių dujų būseną, matavimų pobūdžio, t.y. P. ir V. Be nagrinėjamų procesų būdingas paprasčiausias papildomos sąlygos V = const ir P. = const, galime apsvarstyti daugybę kitų, kurie atitinka įvairūs pokyčiai V ir R. kai pašildomi. Kiekvienas procesas turės savo šilumos talpą C.

Vertės C r. ir C v idealioms dujoms yra susiję paprastu ryšiu:

Iš r. – С v = R (2)

Šis santykis vadinamas Roberto Mayerio įstatymu, kurį jis gavo 1842 m.

Idealioms dujoms molinė šiluminė talpa esant pastoviam slėgiui viršija molinę šiluminę talpą esant pastoviam tūriui reikšme R, ty 8,31 kJ/kmol deg.

Universali dujų konstanta R yra skaitine prasme lygi idealių dujų kilomolio plėtimosi darbui, kai jos įkaitinamos vienu laipsniu esant pastoviam slėgiui.

Patirtis rodo, kad visais atvejais mechaninės energijos pavertimas šilumine energija ir atvirkščiai visada vyksta griežtai lygiaverčiais kiekiais. Kadangi terminis judėjimas galiausiai taip pat mechaninis judėjimas atskiros molekulės (tik ne nukreiptos, o chaotiškos), tuomet visų šių virsmų metu reikia laikytis energijos tvermės dėsnio, atsižvelgiant ne tik į išorinių, bet ir į vidinių judesių energiją. Ši bendra šio dėsnio formuluotė vadinama pirmuoju termodinamikos dėsniu ir parašyta taip:

ΔQ = ΔU + ΔA, t.y.

Kūnui perduodamos šilumos kiekis (ΔQ) eina vidinei energijai (ΔU) didinti ir darbui su šiluma (ΔA) atlikti.

Tačiau jei indas su besiplečiančiomis dujomis yra termiškai izoliuotas nuo aplinkos, šilumos mainai nebus, ty ΔQ = 0. Procesas, vykstantis tokiomis sąlygomis, vadinamas adiabatiniu. Tada adiabatinio proceso pirmojo termodinamikos dėsnio lygtis bus tokia:

ΔQ = 0 0 = ΔU + ΔA arba ΔA = - ΔU. (3)

Vadinasi, adiabatinio proceso metu darbas atliekamas tik dėl vidinės dujų energijos. Adiabatinio plėtimosi metu dujos veikia, o jų vidinė energija, taigi, ir temperatūros kritimas. Adiabatinio suspaudimo metu dujų darbas yra neigiamas ( išorinę aplinką atlieka darbus su dujomis), didėja dujų vidinė energija ir temperatūra.

Šiluminė talpa adiabatinio proceso metu bus lygi 0, t.y.

Adiabatinį procesą apibūdinanti lygtis yra tokia:

PV γ = const; kur γ = С Р /С V. (4)

Kadangi С Р >С V , tai γ>1 ir (4) lygtimi pavaizduota kreivė yra statesnė už izotermą (2 pav.). Adiabatinio proceso atlikto darbo kiekį galima ypač lengvai apskaičiuoti naudojant (3) lygtį:

Vienatominėms dujoms C = 12,5 kJ/k mol deg, C r. =C v + =20,8 kJ/k mol deg, o adiabatinis rodiklis γ=C P /C v =1,67.

Dviatominėms dujoms įprastoje temperatūroje

g=29,1/20,8=1,4.

Daugiaatominėms dujoms γ yra dar arčiau vienybės.

Greitaeigiuose varikliuose vidaus degimas o kai dujos teka pro purkštukus reaktyviniai varikliai dujų plėtimosi procesas vyksta taip greitai, kad jį galima laikyti praktiškai adiabatiniu ir

apskaičiuokite pagal lygtį /4/.

Patirtis taip pat rodo, kad garso vibracijos su minimaliais dažniais, vieno svyravimo metu /~0,1 s/temperatūra tarp suspaustų/ ir tokiu būdu įkaitusių/ ir išleidžiamų/taip atšaldomų/ bangos sričių nespėja išsilyginti. Praktiškai garso sklidimo procesas gali būti laikomas adiabatiniu, taigi garso sklidimo greitis idealios dujos nustatoma pagal išraišką:

Tai lengva rasti iš čia:

Taigi, γ nustatymas yra susijęs su garso greičio matavimu ir absoliuti temperatūra oro. Šiame darbe garso greitis nustatomas stovinčios bangos metodu – Kundto metodu.

II. EKSPERIMENTINĖS ĮRENGIMO APRAŠYMAS.

Schema eksperimentinė sąranka 3 pav. Telefonas T, gavęs elektros signalą iš generatoriaus 1, skleidžia garso bangas į vamzdį 2. Pasiekus mikrofoną M garso banga paverčiama įtampa, kuri tiekiama į elektroninio osciloskopo 3 vertikalias nukreipimo plokštes. Įtampa tiekiama tiesiai į horizontaliąsias nukreipimo plokštes X iš garso generatoriaus išėjimo gnybtų. Telefonas yra tvirtai pritvirtintas prie kairiojo vamzdelio galo, o mikrofonas gali laisvai judėti jo viduje.

Signalo, patenkančio į Y plokštes, fazės poslinkis į X plokštes tiekiamo signalo atžvilgiu priklauso nuo laiko, per kurį garsas nukeliauja atstumą tarp mikrofono ir telefono, ir gali būti naudojamas bangos ilgiui λ nustatyti. Kai įjungiate diegimą, Ellis turėtų būti matomas osciloskopo ekrane. Pakeitus atstumą tarp mikrofono ir telefono, elipsę galite paversti tiesia linija. Jei dabar perkelsime mikrofoną λ/2, ekrane vėl atsiras tiesi linija, šį kartą einanti per kitus kvadrantus. Tolesniam poslinkiui tiesia linija vėl pakeis kryptį ir pan. Taigi, naudodami figūras, vadinamas Lissajous figūromis, galite tiesiogiai išmatuoti ilgį garso banga ore ir pagal formulę nustatykite garso greitį, kur yra generatoriaus dažnis Hz.

III MATAVIMŲ ATLIKIMO TVARKA.

1. Įjunkite osciloskopą ir leiskite jam sušilti 10 minučių.

2. Įjunkite ir sureguliuokite garso generatorių pagal dažnį /mokytojo nustatytą dažnį/ Generatoriaus išėjimo įtampą nustatykite į 1,5 V.

3. Nustatykite mikrofono strypo indikatorių 5 į kraštutinę dešinę skalės 4 padėtį /pav./ ir osciloskopo ekrane atsiras Lissajous figūra /elipsė arba tiesi linija/.

4. Perkeldami strypą su mikrofonu į kairę, nustatykite mikrofono strypo / / padėtį, kurioje elipsė virsta aiškia tiesia linija, atitinkančia mazgus stovinti banga/skaičiuokite cm 4 balų skalėje/.

5. Apskaičiuokite skirtumą tarp mazgų taškų, kuris yra pusė bangos ilgio.

11.Padarykite išvadas.

IV. TESTO KLAUSIMAI.

Žiūrėti darbą Nr.10.