Opredelitev toplotne kapacitete v fiziki. Kratke teoretične informacije

Za spremembo notranje energije z delom je značilna količina dela, tj. delo je merilo za spremembo notranje energije v ta proces. Sprememba notranje energije telesa med prenosom toplote je označena z količino, ki jo imenujemo količina toplote.

je sprememba notranje energije telesa med procesom prenosa toplote brez opravljanja dela. Količina toplote je označena s črko Q .

služba, notranja energija in količina toplote se merita v istih enotah - jouli ( J), kot vsaka vrsta energije.

Pri toplotnih meritvah se je prej kot enota za količino toplote uporabljala posebna enota za energijo - kalorija ( blato), enako količina toplote, ki je potrebna za segrevanje 1 grama vode za 1 stopinjo Celzija (natančneje od 19,5 do 20,5 ° C). Zlasti ta enota se trenutno uporablja pri izračunu porabe toplote (toplotne energije) v večstanovanjskih stavbah. Eksperimentalno je bil ugotovljen mehanski ekvivalent toplote - razmerje med kalorijo in joulom: 1 cal = 4,2 J.

Ko telo prenese določeno količino toplote, ne da bi pri tem opravilo delo, se njegova notranja energija poveča, če telo odda določeno količino toplote, se njegova notranja energija zmanjša.

Če v dve enaki posodi, eno in 400 g vode, nalijete 100 g vode pri enaki temperaturi in ju postavite na enaka gorilnika, bo voda v prvi posodi prej zavrela. Torej, kot več mase telo, torej več potrebuje toploto, da se ogreje. Enako je s hlajenjem.

Količina toplote, ki je potrebna za ogrevanje telesa, je odvisna tudi od vrste snovi, iz katere je telo sestavljeno. Za to odvisnost količine toplote, potrebne za segrevanje telesa, od vrste snovi je značilna fizikalna količina, imenovana specifično toplotno kapaciteto snovi.

- To fizikalna količina, ki je enaka količini toplote, ki jo je treba prenesti na 1 kg snovi, da se segreje za 1 °C (ali 1 K). Enako količino toplote sprosti 1 kg snovi, ko se ohladi za 1 °C.

Specifična toplotna kapaciteta je označena s črko z. Enota specifične toplotne kapacitete je 1 J/kg °C ali 1 J/kg °K.

Specifično toplotno kapaciteto snovi določimo eksperimentalno. Tekočine imajo večjo specifično toplotno kapaciteto kot kovine; Voda ima največjo specifično toploto, zlato ima zelo majhno specifično toploto.

Ker je količina toplote enaka spremembi notranje energije telesa, lahko rečemo, da specifična toplotna kapaciteta kaže, za koliko se spremeni notranja energija. 1 kg snov, ko se njena temperatura spremeni za 1 °C. Predvsem se notranja energija 1 kg svinca pri segrevanju za 1 °C poveča za 140 J, pri ohlajanju pa zmanjša za 140 J.

Q = c ∙ m (t 2 - t 1)

Po isti formuli izračunamo količino toplote, ki jo telo odda pri ohlajanju. Samo v tem primeru je treba končno temperaturo odšteti od začetne temperature, tj. od večja vrednost odštejte nižjo temperaturo.

To je povzetek teme "Količina toplote. Specifična toplota". Izberite naslednje korake:

• Pojdi na naslednji povzetek:

Toplotna zmogljivost telesa je fizikalna količina, ki jo določa razmerje med količino toplote, ki jo telo absorbira pri segrevanju, in spremembo njegove temperature:

Fizikalni pomen toplotne kapacitete telesa: toplotna kapaciteta telesa je enaka količini toplote, ki jo telo sprejme pri segrevanju ali sprosti, ko se ohladi za 1K.

Ker so toplotne kapacitete spremenljive, ločimo povprečne in prave toplotne kapacitete. Povprečna toplotna kapaciteta je razmerje med količino toplote q , dodan enoti količine snovi (plina), do spremembe njene temperature od t 1 do t 2 pod pogojem, da temperaturna razlika t 2 –t 1 je končna količina. Povprečna masa, prostornina in molska toplotna kapaciteta so označene z c m , c m 'In m . Iz definicije povprečne toplotne kapacitete sledi, da če se temperatura plina poveča od t 1 do t 2 potem njegova povprečna toplotna kapaciteta [kJ/(kg*K)]

Pravo toplotno kapaciteto razumemo kot toplotno kapaciteto plina, ki ustreza neskončno majhni spremembi temperature plina, ki ustreza neskončno majhni spremembi temperature dt , tj.

c = dq/dt,

kjer dq = cdt.

Specifična toplota- to je sposobnost različnih snovi, da pri segrevanju absorbirajo toploto. Specifična toplotna kapaciteta snovi je določena z razmerjem med količino toplote, ki jo prejme pri segrevanju, in maso snovi ter spremembo njene temperature, če:

razmerje, ki izraža razmerje med molskima toplotnima kapacitetama Cp in CV ima obliko (Mayerjeva formula): Cp = CV + R. ALI BOLJ RAZŠIRJENO Toplotna kapaciteta idealnega plina Če se zaradi izmenjave toplote izloči določena količina toplote. se prenese na telo, potem se notranja energija telesa in njegova temperatura spremenita. Količina toplote Q, potrebna za segrevanje 1 kg snovi za 1 K, se imenuje specifična toplotna kapaciteta snovi c. c = Q / (mΔT). V mnogih primerih je priročno uporabiti molsko toplotno kapaciteto C: C = M c, kjer je M molska masa snovi. Tako določena toplotna kapaciteta ni enoznačna lastnost snovi. Po prvem zakonu termodinamike sprememba notranje energije telesa ni odvisna samo od količine prejete toplote, ampak tudi od dela, ki ga telo opravi. Odvisno od pogojev, pod katerimi je potekal proces prenosa toplote, je telo lahko opravilo različna dela. Zato lahko enaka količina toplote, prenesena na telo, povzroči različne spremembe njegove notranje energije in posledično temperature. Ta dvoumnost pri določanju toplotne kapacitete je značilna le za plinaste snovi. Ko se tekočine in trdne snovi segrevajo, se njihova prostornina praktično ne spremeni in delo ekspanzije se izkaže za nič. Zato gre celotna količina toplote, ki jo prejme telo, za spremembo njegove notranje energije. Za razliko od tekočin in trdnih snovi lahko plin med prenosom toplote močno spremeni svojo prostornino in opravi delo. Zato je toplotna kapaciteta plinaste snovi odvisna od narave termodinamičnega procesa. Običajno se upoštevata dve vrednosti toplotne kapacitete plinov: CV – molska toplotna kapaciteta v izohornem procesu (V = const) in Cp – molarna toplotna kapaciteta v izobaričnem procesu (p = const). V procesu pri konstantni prostornini plin ne deluje: A = 0. Iz prvega zakona termodinamike za 1 mol plina sledi QV = CVΔT = ΔU. Sprememba ΔU notranje energije plina je premo sorazmerna s spremembo ΔT njegove temperature. Za postopek pri stalen pritisk prvi zakon termodinamike daje: Qp = ΔU + p(V2 – V1) = CVΔT + pΔV, kjer je ΔV sprememba prostornine 1 mola idealnega plina, ko se njegova temperatura spremeni za ΔT. Sledi: Razmerje ΔV / ΔT je mogoče najti iz enačbe stanja idealnega plina, zapisane za 1 mol: pV = RT, kjer je R univerzalna plinska konstanta. Pri p = const Tako ima razmerje, ki izraža razmerje med molarnima toplotnima kapacitetama Cp in CV, obliko (Mayerjeva formula): Cp = CV + R.

Plinska konstanta je numerično enaka ekspanzijskemu delu 1 mola idealnega plina pod stalnim tlakom, ko se segreje za 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)

Univerzalna plinska konstanta je univerzalna, osnovna fizikalna konstanta R, enaka zmnožku Boltzmannove konstante k in Avogadrove konstante

Fizični pomen: Plinska konstanta i je številčno enako ekspanzijskemu delu enega mola idealnega plina v izobaričnem procesu s povišanjem temperature za 1 K

V sistemu GHS je plinska konstanta enaka:

Specifična plinska konstanta je enaka:

Adiabatni eksponent(včasih imenovano koeficientPoisson) - razmerje med toplotno kapaciteto pri konstantnem tlaku () in toplotno kapaciteto pri konstantnem volumnu (). Včasih se imenuje tudi dejavnik izentropsko razširitve. Določeno grška črka(gama) ali (kapa). Simbol črke se uporablja predvsem v disciplinah kemijskega inženirstva. V toplotni tehniki se uporablja latinica.

Mešanica plinov je skupek več različnih plinov, ki pod obravnavanimi pogoji med seboj ne kemijsko reagirajo.

Mešanica plinov je homogen termodinamični sistem (znotraj katerega ni vmesnikov, ki ločujejo makroskopske dele sistema, ki se med seboj razlikujejo po lastnostih in sestavi).

Delni tlak Pi i-tega plina v zmesi je tlak, pod katerim bi bil ta plin, če bi iz zmesi odstranili vse druge pline, V in T pa bi ostala enaka.

Daltonov zakon – Tlak mešanice plinov, ki med seboj kemično ne delujejo, je enak vsoti parcialnih tlakov teh plinov.

Da bi razumeli, kaj je Daltonov zakon, za to upoštevajmo zrak v prostoru. Je mešanica več plinov: dušik (80 %), kisik (20 %). Parcialni tlak vsakega od teh plinov je tlak, ki bi ga plin imel, če bi sam zasedel celotno prostornino. Na primer, če bi iz prostora odstranili vse pline razen dušika, bi bil tlak tistega, kar je ostalo, parcialni tlak dušika. Daltonov zakon navaja, da skupni tlak vseh plinov skupaj je enak vsoti parcialnih tlakov vsakega plina posebej. (Strogo gledano zakon velja samo za idealne pline, vendar v dokaj dobrem približku opisuje tudi realne pline.)

Prvi zakon termodinamike je posplošitev zakona o ohranitvi in ​​transformaciji energije za termodinamični sistem. Formulirano je takole:

Spremenite ΔU notranja energija neizoliranega termodinamičnega sistema je enaka razliki med količino toploteQ , preneseno v sistem, in deloA , popoln sistem nad zunanjimi telesi.

Razmerje, ki izraža prvi zakon termodinamike, je pogosto zapisano v drugačni obliki:

Količina toplote, ki jo prejme sistem, gre za spreminjanje njegove notranje energije in opravljanje dela na zunanjih telesih.

Prvi zakon termodinamike je posplošitev eksperimentalnih dejstev. Po tem zakonu energije ni mogoče ustvariti ali uničiti; prenaša se iz enega sistema v drugega in preoblikuje iz ene oblike v drugo. Pomembna posledica Prvi zakon termodinamike je izjava o nemožnosti ustvarjanja stroja, ki bi lahko opravljal koristno delo brez porabe energije od zunaj in brez kakršnih koli sprememb v samem stroju. Ta hipotetični stroj se je imenoval večni gibalnik (perpetuum mobile) prve vrste . Številni poskusi izdelave takšnega stroja so se vedno končali neuspešno. Vsak stroj lahko opravlja pozitivno delo A nad zunanjimi telesi le zaradi prejema določene količine toplote Q od okoliških teles ali zmanjševanje Δ U svojo notranjo energijo.

Uporabimo prvi zakon termodinamike za izoprocese v plinih.

IN izohorni proces (V= const) plin ne opravi nobenega dela, A= 0. Zato je

Prvi zakon termodinamike za izobarni proces daje:

Q = U (T 2) – U (T 1) + str (V 2 – V 1) = Δ U + str Δ V.

1. Z izobarično ekspanzijo Q> 0 – plin absorbira toploto in plin opravi pozitivno delo. Pod izobarično kompresijo Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T 2 < T 1 ; U < 0.

   notranja energija se zmanjša, Δ IN izotermični proces U = 0.

temperatura plina se ne spremeni, zato se tudi notranja energija plina, Δ, ne spremeni

Prvi zakon termodinamike za izotermičen proces je izražen z razmerjem Q Količina toplote , ki ga dobi plin med procesom izotermnega raztezanja, se spremeni v delo na zunanjih telesih. Med izotermnim stiskanjem delajte zunanje sile

, ki nastane nad plinom, se spremeni v toploto, ki se prenaša na okoliška telesa. Poleg izohoričnih, izobaričnih in izotermičnih procesov termodinamika pogosto obravnava tudi procese, ki nastanejo v odsotnosti izmenjave toplote z okoliškimi telesi. Posode s toplotno neprepustnimi stenami se imenujejo adiabatske lupine , procese širjenja ali stiskanja plina v takih posodah pa imenujemo.

notranja energija se zmanjša, Δ adiabatskiQ adiabatski proces

je količina energije, ki je na voljo za pretvorbo v toploto pri določeni temperaturi in tlaku. Enote entalpije so britanska toplotna enota ali Joule za energijo in Btu/lbm ali J/kg za specifično energijo.

11 vprašanje

Notranja telesna energija

- vsota kinetične energije kaotičnega gibanja molekul glede na središče mase telesa in potencialne energije interakcije molekul med seboj (vendar ne z molekulami drugih teles). Odvisno od temperature in volumna.

Energijo telesa lahko spremenimo z delom na njem. Na primer, pri polnjenju pnevmatike kolesa se črpalka segreje. Nekateri mislijo, da zaradi tega, ker se bat drgne ob stene črpalke, razlog za to pa je, da stisnemo plin, nanj opravljamo delo, ki gre v smeri povečanja notranje energije in to se kaže kot zvišanje temperature. Obstaja še en način za spreminjanje notranje energije telesa brez dela - prenos toplote.

Prenos toplote

• Prenos toplote
• - metoda prenosa notranje energije telesa brez opravljanja dela.
• Prenos toplote se lahko prenaša na tri načine:

toplotna prevodnost;

konvekcija; različna okolja: čiste snovi s spremembo agregatnega stanja delovnih medijev ipd. Odvisno od tega poteka prenos toplote različno in ga opisujejo različne enačbe.

Toplotna prevodnost

Proces prenosa toplote s toplotno prevodnostjo poteka z neposrednim stikom teles ali delcev teles z različne temperature in je molekularni proces prenosa toplote zaradi nihanja molekul. Molekule z večjo amplitudo nihanja povzročajo pogostejše tresenje sosednjih molekul z manjšo amplitudo nihanja.

Ko se telo segreje kinetična energija njegovih molekul se poveča, delci bolj vročega dela telesa pa ob trku s sosednjimi molekulami predajo del svoje kinetične energije. V tem primeru se bolj vroči deli telesa ohlajajo, manj ogreti pa segrevajo.

Konvekcija

Konvekcija je prenos toplote pri premikanju ali mešanju celotne mase neenakomerno segretih tekočin ali plinov. V tem primeru je prenos toplote neposredno sorazmeren s hitrostjo gibanja tekočine ali plina.

Konvekcijski prenos toplote- hkratni prenos toplote s konvekcijo in toplotno prevodnostjo. V inženirskih izračunih se pogosto določa konvektivni prenos toplote med tokovi tekočine ali plina in površino. trdna. Ta proces konvektivnega prenosa toplote imenujemo konvektivni prenos toplote ali preprosto prenos toplote.

sevanje

sevanje ( toplotno sevanje, sevanje) je proces prenosa toplote na notranjo energijo telesa v obliki elektromagnetni valovi.

Ta proces poteka v treh fazah:

• pretvorba dela notranje energije enega telesa v energijo elektromagnetnega valovanja;
• širjenje elektromagnetnega valovanja v prostoru;
• absorpcijo energije sevanja s strani drugega telesa.

Prenos toplote s sevanjem- skupna izmenjava toplote s sevanjem in toplotno prevodnostjo.

Količina toplote

Količina toplote (Q)- energija, ki se preda telesu med procesom prenosa toplote, se imenuje količina toplote in se meri v [J].

če fizično stanje snov se ne spremeni (se ne spremeni potencialna energija interakcija molekul med seboj, kinetična pa se spremeni), potem je sprememba notranje energije povezana s spremembo notranje temperature.

Q ~ ΔT
Količina prejete toplote je premo sorazmerna z razliko v telesni temperaturi.

Proporcionalni koeficient je odvisen od telesa, mase in prostornine in je značilnost telesa. Če vzamemo kozarec vode in zvišamo temperaturo za 1 Kelvin, potem potrebujemo eno količino toplote. Če vzamemo morje, potem bomo potrebovali čisto drugo količino toplote.

Q = СΔТ
C je toplotna kapaciteta telesa.

Toplotna zmogljivost telesa- fizikalna količina, ki je številčno enaka količini toplote, ki jo mora telo sporočiti, da poveča svojo temperaturo za 1 Kelvin.

Specifična toplota

Toplotna kapaciteta telesa je neposredno odvisna od mase telesa, tj. to je lastnost materije.

C = cm, с=С/m, [c] = [J/kg*K]
C je specifična toplotna kapaciteta (toplotna kapaciteta snovi).

V skladu s tem lahko formulo za količino toplote zapišemo v naslednji obliki.

Q = cmΔT
c je toplotna kapaciteta snovi
m - telesna teža
ΔT - temperaturna razlika

Specifična toplota snovi- fizikalna količina, ki je številčno enaka količini toplote, ki jo je treba privesti enemu kg snovi, da se njena temperatura poveča za 1 Kelvin.

Toplotna kapaciteta je sposobnost absorbiranja določene količine toplote med segrevanjem ali sprostitve med ohlajanjem. Toplotna kapaciteta telesa je razmerje med neskončno majhno količino toplote, ki jo telo prejme, in ustreznim povečanjem njegovih temperaturnih indikatorjev. Vrednost se meri v J/K. V praksi se uporablja nekoliko drugačna vrednost - specifična toplotna kapaciteta.

Opredelitev

Kaj pomeni specifična toplotna kapaciteta? To je količina, povezana s količino na enoto snovi. V skladu s tem se lahko količina snovi meri v kubičnih metrih, kilogramih ali celo molih. Od česa je to odvisno? V fiziki je toplotna kapaciteta neposredno odvisna od tega, kaj količinska enota nanaša se na molsko, masno in volumetrično toplotno kapaciteto in zato razlikuje med njo. IN gradbeništvo ne boš hodil molarne meritve, vendar z drugimi - zelo pogosto.

Kaj vpliva na specifično toplotno kapaciteto?

Veste, kaj je toplotna zmogljivost, vendar še ni jasno, katere vrednosti vplivajo na indikator. Na vrednost specifične toplotne kapacitete neposredno vpliva več komponent: temperatura snovi, tlak in druge termodinamične značilnosti.

Z višanjem temperature produkta se poveča njegova specifična toplotna kapaciteta, vendar imajo nekatere snovi v tej odvisnosti popolnoma nelinearno krivuljo. Na primer, s povečanjem temperaturnih kazalnikov od nič do sedemintrideset stopinj se specifična toplotna kapaciteta vode začne zmanjševati, in če je meja med sedemintrideset in sto stopinjami, se bo kazalnik, nasprotno, zmanjšal povečanje.

Treba je omeniti, da je parameter odvisen tudi od tega, kako se lahko spremenijo termodinamične lastnosti izdelka (tlak, prostornina itd.). Na primer, specifična toplotna kapaciteta pri stabilnem tlaku in pri stabilni prostornini bo različna.

Kako izračunati parameter?

Vas zanima kakšna je toplotna kapaciteta? Formula za izračun je naslednja: C=Q/(m·ΔT). Kakšni pomeni so to? Q je količina toplote, ki jo izdelek prejme pri segrevanju (ali jo izdelek sprosti med ohlajanjem). m je masa produkta, ΔT pa razlika med končno in začetno temperaturo produkta. Spodaj je tabela toplotne kapacitete nekaterih materialov.

Kaj lahko rečemo o izračunu toplotne kapacitete?

Izračun toplotne kapacitete ni najlažja naloga, še posebej, če uporabljate izključno termodinamične metode, natančneje je nemogoče narediti. Zato fiziki uporabljajo metode statistična fizika ali poznavanje mikrostrukture izdelkov. Kako narediti izračune za plin? Iz izračuna se izračuna toplotna kapaciteta plina povprečna energija toplotno gibanje posameznih molekul v snovi. Molekulska gibanja so lahko translacijska ali rotacijska, znotraj molekule pa je lahko cel atom ali nihanje atomov. Klasična statistika pravi, da za vsako stopnjo svobode vrtenja in translacijska gibanja je v molski vrednosti, ki je enaka R/2, za vsako vibracijsko prostostno stopnjo pa je vrednost enaka R. To pravilo imenujemo tudi zakon enakomernosti.

V tem primeru ima delec enoatomskega plina samo tri translacijske prostostne stopnje, zato bi morala biti njegova toplotna kapaciteta enaka 3R/2, kar se odlično ujema z eksperimentom. Vsako molekulo dvoatomnega plina odlikujejo tri translacijske, dve rotacijski in ena vibracijska prostostna stopnja, kar pomeni, da bo zakon enakomernosti enak 7R/2, izkušnje pa so pokazale, da je toplotna kapaciteta mola dvoatomnega plina pri navadni temperaturi je 5R/2. Zakaj je prišlo do takšnega neskladja med teorijami? Vse to je posledica dejstva, da bo treba pri določanju toplotne zmogljivosti upoštevati različne kvantne učinke, z drugimi besedami, uporabite kvantno statistiko. Kot lahko vidite, je toplotna zmogljivost precej zapleten koncept.

Kvantna mehanika pravi, da ima lahko vsak sistem delcev, ki vibrira ali se vrti, vključno z molekulo plina, določene diskretne vrednosti energije. Če energija toplotnega gibanja v nameščenem sistemu ne zadošča za vzbujanje nihanj zahtevane frekvence, potem ta nihanja ne prispevajo k toplotni kapaciteti sistema.

V trdnih snoveh je toplotno gibanje atomov šibka vibracija blizu določenih ravnotežnih položajev, to velja za vozlišča kristalna mreža. Atom ima tri nihajne prostostne stopnje in po zakonu je molarna toplotna kapaciteta trdnega telesa enaka 3nR, kjer je n število atomov v molekuli. V praksi je ta vrednost meja, h kateri teži toplotna kapaciteta telesa pri visokih temperaturah. Vrednost je dosežena z običajnimi temperaturnimi spremembami za številne elemente, to velja za kovine, pa tudi za preproste spojine. Določena je tudi toplotna kapaciteta svinca in drugih snovi.

Kaj pa nizke temperature?

Kaj je toplotna kapaciteta že vemo, če pa govorimo o nizke temperature, kako se bo potem vrednost izračunala? če govorimo o o indikatorjih nizke temperature, potem se toplotna kapaciteta trdnega telesa nato izkaže za sorazmerno T 3 ali tako imenovani Debyejev zakon toplotne kapacitete. Glavni kriterij, ki omogoča razlikovanje visoka zmogljivost temperature od nizkih, jih je običajno primerjati s tistimi, značilnimi za določeno snov parameter - to je lahko karakteristična ali Debyejeva temperatura q D. Predstavljena vrednost je določena s spektrom nihanja atomov v izdelku in je bistveno odvisna od kristalne strukture.

V kovinah prevodni elektroni prispevajo k toplotni kapaciteti. Ta del toplotna kapaciteta se izračuna s Fermi-Diracovo statistiko, ki upošteva elektrone. Elektronska toplotna kapaciteta kovine, ki je sorazmerna z običajno toplotno kapaciteto, je razmeroma majhna vrednost in prispeva k toplotni kapaciteti kovine le pri temperaturah blizu absolutna ničla. Nato postane toplotna kapaciteta mreže zelo majhna in jo lahko zanemarimo.

Masna toplotna zmogljivost

Masna specifična toplotna kapaciteta je količina toplote, ki jo je treba dodati enoti mase snovi, da segreje izdelek na enoto temperature. Določeno dano vrednostčrko C in se meri v joulih, deljeno s kilogramom na kelvin - J/(kg K). To je vse za masno toplotno kapaciteto.

Kaj je volumetrična toplotna zmogljivost?

Volumetrična toplotna kapaciteta je določena količina toplote, ki jo je treba dodati enoti prostornine izdelka, da se segreje na enoto temperature. Izmerjeno ta indikator v džulih deljeno z kubični meter na kelvin ali J/(m³ K). V mnogih gradbenih referenčnih knjigah se upošteva masna specifična toplotna zmogljivost v delu.

Praktična uporaba toplotne moči v gradbeništvu

Pri gradnji toplotno odpornih sten se aktivno uporabljajo številni toplotno intenzivni materiali. To je izjemno pomembno za hiše, za katere je značilno periodično ogrevanje. Na primer štedilnik. Toplotno intenzivni izdelki in stene, zgrajene iz njih, odlično akumulirajo toploto, jo shranijo med ogrevalnimi obdobji in postopoma oddajajo toploto po izklopu sistema, kar vam omogoča vzdrževanje sprejemljive temperature ves dan.

Torej, več toplote kot je shranjeno v strukturi, bolj udobna in stabilna bo temperatura v prostorih.

Omeniti velja, da imata običajna opeka in beton, ki se uporabljata pri gradnji hiš, bistveno nižjo toplotno kapaciteto kot ekspandirani polistiren. Če vzamemo ecowool, ima trikrat večjo toplotno kapaciteto kot beton. Treba je opozoriti, da v formuli za izračun toplotne kapacitete ni zaman prisotna masa. Zahvaljujoč veliki, ogromni masi betona ali opeke v primerjavi z ecowool, omogoča, da kamnite stene konstrukcij akumulirajo ogromne količine toplote in izravnajo vsa dnevna temperaturna nihanja. Samo nizka masa izolacija v vseh okvirnih hišah je kljub dobri toplotni zmogljivosti najšibkejše področje vseh okvirnih tehnologij. Odločiti se ta problem, so v vseh hišah nameščeni impresivni hranilniki toplote. kaj je To so strukturni deli, ki se razlikujejo velika masa z dovolj dobro delovanje toplotna kapaciteta.

Primeri hranilnikov toplote v resničnem življenju

Kaj bi lahko bilo? Na primer, nekatere notranje opečne stene, velika peč ali kamin, betonski estrihi.

Pohištvo v vsaki hiši ali stanovanju je odličen hranilnik toplote, saj lahko vezane plošče, iverne plošče in les dejansko shranijo trikrat več toplote na kilogram teže kot razvpita opeka.

Ali obstajajo kakšne slabosti toplotnih akumulatorjev? Seveda je glavna pomanjkljivost tega pristopa, da je treba hranilnik toplote načrtovati v fazi izdelave modela okvirne hiše. To je posledica dejstva, da je težak, in to bo treba upoštevati pri ustvarjanju temeljev, nato pa si predstavljajte, kako bo ta predmet vključen v notranjost. Vredno je povedati, da boste morali upoštevati ne le maso, pri svojem delu boste morali oceniti obe lastnosti: maso in toplotno kapaciteto. Če na primer za hranilnik toplote uporabite zlato z neverjetno težo dvajset ton na kubični meter, bo izdelek deloval po potrebi le triindvajset odstotkov bolje kot betonska kocka, ki tehta dve toni in pol.

Katera snov je najbolj primerna za hranilnik toplote?

Najboljši izdelek za hranilnik toplote sploh ni beton in opeka! Baker, bron in železo se dobro spopadajo s to nalogo, vendar so zelo težki. Nenavadno je, da je najboljši akumulator toplote voda! Tekočina ima impresivno toplotno kapaciteto, največjo med snovmi, ki so nam na voljo. Večja toplotna zmogljivost samo za plina helij (5190 J/(kg K) in vodik (14300 J/(kg K), vendar ju je v praksi problematično uporabiti. Po želji in potrebi si oglejte tabelo toplotnih kapacitet snovi, ki jih potrebujete.

Toplotno kapaciteto telesa označuje količina toplote , potrebno za segrevanje tega telesa za eno stopinjo (J/deg). Če je za povečanje temperature telesa za T stopinj potrebno sporočiti ΔQ džulov, potem je povprečna toplotna kapaciteta telesa v intervalu ΔT določena kot:

Toplotna kapaciteta telesa je sorazmerna z njegovo maso in odvisna od snovi telesa. Specifična toplotna kapaciteta Csp določene snovi (les, železo, zrak itd.) je označena s količino toplote na stopinjo in se meri v J/kg deg. Specifična toplota.

Za pline je priročno uporabiti molsko toplotno kapaciteto (C mol ali preprosto C), ki jo označuje količina toplote, ki je potrebna za segrevanje enega kilomola dane snovi za eno stopinjo.

To je očitno

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

Ker 1 kilomol katerega koli plina vsebuje enako število molekul, povprečna kinetična energija molekul pa ni odvisna od njihove mase, lahko pričakujemo, da bodo molarne toplotne kapacitete vseh dovolj redčenih plinov enake.

Toplotna kapaciteta telesa je bistveno odvisna od tega, kako se spreminjajo stanja telesa med segrevanjem. Za poenostavitev razmislimo o idealnem monoatomskem plinu. Če segrevamo plin, zaprt v zaprti prostornini, V = const (slika 1, a), potem bo vsa dovedena toplota ΔQ šla samo za povečanje notranje energije plina. Potem bo imel prvi zakon termodinamike pri ΔA = 0 obliko: ΔQ = ΔU.

V tem primeru se bo temperatura plina povečevala skladno z naraščanjem njegove notranje energije, kar pomeni, da je temperatura idealnega plina sorazmerna z njegovo notranjo energijo. Sorazmerno s temperaturo se bo povečal tudi tlak plina R. Označimo toplotno kapaciteto plina pri stalni prostornini s C.

Če želimo, da se med segrevanjem ohranja tlak, je treba plinu omogočiti, da se razširi. Da bi to naredili, postavimo plin v valj z batom, ki je podvržen stalnemu tlaku P = const (slika 1, b). Ker notranja energija U idealnega plina ni odvisna od njegove prostornine, bo količina toplote, potrebna za njeno povečanje, ostala enaka. Ko pa se plin segreje na isto temperaturo, se zdaj del dovedene toplote porabi za delo proti zunanjim silam med raztezanjem plina. Posledično bo treba za segrevanje plina na enako temperaturo kot v prejšnjem primeru (V = const) porabiti več toplote. Tako je toplotna kapaciteta ΔQ/ΔT plina pri konstantnem tlaku, ki jo označimo s C p. , bo večji od C V .

Ta primer je zelo pomemben. Kaže, da je količina toplote ΔQ, ki je potrebna za segrevanje plina za ΔT stopinj, bistveno odvisna od dodatnih pogojev - narave meritev drugih mikroskopskih parametrov, ki določajo stanje plina, to je P. in V. Poleg obravnavanih procesov značilen po najpreprostejših dodatni pogoji V = const in P. = const, lahko upoštevamo številne druge, ki ustrezajo razne spremembe V in R. pri segrevanju. Vsak proces bo imel svojo toplotno kapaciteto C.

Vrednosti C r. in C v za idealni plin sta povezana s preprostim razmerjem:

Od r. – С v = R (2)

Ta odnos se imenuje zakon Roberta Mayerja, ki ga je dobil leta 1842.

Pri idealnem plinu molarna toplotna kapaciteta pri konstantnem tlaku presega molsko toplotno kapaciteto pri stalni prostornini za vrednost R, to je za 8,31 kJ/kmol deg.

Univerzalna plinska konstanta R je številčno enaka ekspanzijskemu delu kilomola idealnega plina, ko se pri konstantnem tlaku segreje za eno stopinjo.

Izkušnje kažejo, da v vseh primerih pretvorba mehanske energije v toplotno energijo in obratno vedno poteka v strogo enakovrednih količinah. Ker je toplotno gibanje na koncu tudi mehansko gibanje posamezne molekule (samo ne usmerjene, ampak kaotične), potem je treba med vsemi temi transformacijami upoštevati zakon o ohranjanju energije, pri čemer je treba upoštevati energijo ne le zunanjih, ampak tudi notranjih gibanj. Ta splošna formulacija tega zakona se imenuje prvi zakon termodinamike in je zapisan kot:

ΔQ = ΔU + ΔA, tj.

Količina toplote, ki je predana telesu (ΔQ), gre za povečanje notranje energije (ΔU) in za opravljanje dela s toploto (ΔA).

Če pa je posoda s plinom, ki se širi, toplotno izolirana od okolja, potem ne bo izmenjave toplote, tj. ΔQ = 0. Proces, ki poteka pod tem pogojem, se imenuje adiabatski. Enačba prvega zakona termodinamike za adiabatni proces bo potem imela obliko:

ΔQ = 0 0 = ΔU + ΔA ali ΔA = - ΔU. (3)

Posledično se med adiabatnim procesom delo opravi samo zaradi notranje energije plina. Med adiabatnim širjenjem plin deluje, njegova notranja energija in s tem temperatura padeta. Med adiabatno kompresijo je plinsko delo negativno ( zunanje okolje opravi delo na plinu), se povečata notranja energija in temperatura plina.

Toplotna kapaciteta med adiabatnim procesom bo enaka 0, tj.

Enačba, ki opisuje adiabatni proces, ima obliko:

PV γ = const; kjer je γ = СР /С V. (4)

Ker je С Р >С V , potem je γ>1 in je krivulja, prikazana z enačbo (4), strmejša od izoterme (slika 2). Količino dela, ki ga opravi adiabatni proces, je mogoče posebej enostavno izračunati z uporabo enačbe (3):

Za enoatomni plin C = 12,5 kJ/k mol deg, C r. =C v + =20,8 kJ/k mol deg in adiabatni eksponent γ=C P /C v =1,67.

Za dvoatomne pline pri navadnih temperaturah

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

Za večatomske pline je γ še bližje enoti.

V motorjih z visoko hitrostjo notranje zgorevanje in ko plini tečejo skozi šobe reaktivni motorji proces širjenja plina poteka tako hitro, da ga lahko štejemo za praktično adiabatnega in

izračunajte z enačbo /4/.

Izkušnje tudi kažejo, da za zvočne vibracije z minimalnimi frekvencami se med enim nihanjem /~0,1 s/temperatura med stisnjenimi/ in tako ogretimi/ in izpraznjenimi / in tako ohlajenimi/ območji valovanja nima časa izravnati. V praksi lahko proces širjenja zvoka štejemo za adiabatnega, zato je hitrost širjenja zvoka v idealen plin je določen z izrazom:

Od tu ga je enostavno najti:

Tako se določitev γ zmanjša na merjenje hitrosti zvoka in absolutna temperatura zrak. V tem delu je hitrost zvoka določena z metodo stoječih valov - Kundtova metoda.

II. OPIS EKSPERIMENTALNE NAPRAVE.

Shema eksperimentalna postavitev je prikazano na sliki 3. Telefon T, ki prejme električni signal iz generatorja 1, oddaja zvočne valove v cev 2. Ko doseže mikrofon M, se zvočni val pretvori v napetost, ki se dovaja navpični odklonski plošči elektronskega osciloskopa 3 Napetost se dovaja neposredno na vodoravne odklonske plošče X iz izhodnih sponk zvočnega generatorja. Telefon je togo pritrjen na levi konec cevi, mikrofon pa se lahko prosto premika znotraj njega.

Fazni zamik signala, ki prispe na plošče Y glede na signal, doveden na plošče X, je odvisen od časa, ki ga potrebuje zvok, da prepotuje razdaljo med mikrofonom in telefonom, in se lahko uporabi za določitev valovne dolžine λ. Ko vklopite namestitev, mora biti na zaslonu osciloskopa vidna elipsa. Če spremenite razdaljo med mikrofonom in telefonom, lahko elipso spremenite v ravno črto. Če zdaj premaknemo mikrofon za λ/2, se bo na zaslonu ponovno pojavila ravna črta, ki tokrat poteka skozi druge kvadrante. Z nadaljnjim premikom bo ravna črta spet spremenila svojo smer itd. Tako lahko z uporabo številk, imenovanih Lissajousove številke, neposredno izmerite dolžino zvočni val v zraku in s formulo določi hitrost zvoka, kjer je frekvenca generatorja v Hz.

III. POSTOPEK IZVAJANJA MERITEV.

1. Vklopite osciloskop in pustite, da se segreva 10 minut.

2. Vklopi in nastavi generator zvoka na frekvenco /frekvenca, ki jo nastavi učitelj/ Nastavi izhodno napetost generatorja na 1,5 V.

3. Indikator mikrofonske palice 5 nastavite na skrajni desni položaj skale 4 /sl./ in na zaslonu osciloskopa se prikaže Lissajousova figura /elipsa ali premica/.

4. Premaknite palico z mikrofonom v levo, pritrdite položaj palice mikrofona / /, pri katerem se elipsa spremeni v jasno ravno črto, ki ustreza vozliščem stoječi val/šteto v cm na lestvici 4/.

5. Izračunajte razliko med vozlišči, ki je polovica valovne dolžine.

11. Pripravite zaključke.

IV. TESTNA VPRAŠANJA.

Glej delo št. 10.