Процесът на предаване на енергия от едно тяло на друго без извършване на работа се нарича топлообменили пренос на топлина. Топлообменът се осъществява между тела с различна температура. Когато се установи контакт между тела с различна температура, част от вътрешната енергия се прехвърля от тяло с по-висока температура към тяло с по-ниска температура. Енергията, предадена на тялото в резултат на топлообмен, се нарича количество топлина.
Специфичен топлинен капацитет на веществото:
Ако процесът на пренос на топлина не е придружен от работа, тогава, въз основа на първия закон на термодинамиката, количеството топлина е равно на промяната на вътрешната енергия на тялото: .
Средната енергия на случайното транслационно движение на молекулите е пропорционална на абсолютната температура. Промяната във вътрешната енергия на тялото е равна на алгебричната сума на промените в енергията на всички атоми или молекули, чийто брой е пропорционален на масата на тялото, следователно промяната на вътрешната енергия и, следователно, количеството топлина е пропорционално на масата и промяната в температурата:
Коефициентът на пропорционалност в това уравнение се нарича специфичен топлинен капацитет на веществото. Специфичният топлинен капацитет показва колко топлина е необходима за загряване на 1 kg вещество с 1 K.
Работа по термодинамика:
В механиката работата се определя като произведението на модулите на силата и преместването и косинуса на ъгъла между тях. Работа се извършва, когато върху движещо се тяло действа сила и е равна на изменението на кинетичната му енергия.
В термодинамиката движението на тялото като цяло не се разглежда, а за движението на части от макроскопично тяло една спрямо друга. В резултат на това обемът на тялото се променя, но скоростта му остава равна на нула. Работата в термодинамиката се определя по същия начин, както в механиката, но е равна на изменението не на кинетичната енергия на тялото, а на неговата вътрешна енергия.
Когато се извършва работа (компресия или разширение), вътрешната енергия на газа се променя. Причината за това е: по време на еластични сблъсъци на газови молекули с движещо се бутало, тяхната кинетична енергия се променя.
Нека изчислим работата, извършена от газа по време на разширение. Газът упражнява сила върху буталото 
, Където 
- налягане на газа и 
- площ 
бутало Когато газът се разширява, буталото се движи по посока на силата 
кратко разстояние 
. Ако разстоянието е малко, тогава налягането на газа може да се счита за постоянно. Работата, извършена от газа, е:
Където 
- промяна в обема на газа.
В процеса на разширяване на газа той извършва положителна работа, тъй като посоката на силата и изместването съвпадат. По време на процеса на разширяване газът освобождава енергия към околните тела.
Работата, извършена от външни тела върху газ, се различава от работата, извършена от газ, само по знак 
, тъй като силата 
, действаща на газа, е противоположна на силата 
, с който газът действа върху буталото и е равен на него по модул (трети закон на Нютон); и движението остава същото. Следователно работата на външните сили е равна на:
.
Първи закон на термодинамиката:
Първият закон на термодинамиката е законът за запазване на енергията, разширен върху топлинните явления. Закон за запазване на енергията: Енергията в природата не възниква от нищото и не изчезва: количеството енергия е непроменено, то само преминава от една форма в друга.
Термодинамиката разглежда тела, чийто център на тежестта остава практически непроменен. Механичната енергия на такива тела остава постоянна и само вътрешната енергия може да се промени.
Вътрешната енергия може да се промени по два начина: пренос на топлина и работа. В общия случай вътрешната енергия се променя както поради пренос на топлина, така и поради извършена работа. Първият закон на термодинамиката е формулиран точно за такива общи случаи:
Промяната във вътрешната енергия на системата по време на нейния преход от едно състояние в друго е равна на сумата от работата на външните сили и количеството топлина, предадена на системата:
Ако системата е изолирана, тогава върху нея не се извършва работа и тя не обменя топлина с околните тела. Според първия закон на термодинамиката вътрешната енергия на изолирана система остава непроменена.
Като се има предвид това 
, първият закон на термодинамиката може да бъде написан по следния начин:
Количеството топлина, предадено на системата, отива за промяна на нейната вътрешна енергия и за извършване на работа върху външни тела от системата.
Втори закон на термодинамиката: Невъзможно е да се пренесе топлина от по-студена система към по-гореща при липса на други едновременни промени в двете системи или в околните тела.
Топлинен капацитет- това е количеството топлина, погълнато от тялото при нагряване с 1 градус.
Топлинният капацитет на тялото се обозначава с главна латинска буква СЪС.
От какво зависи топлинният капацитет на тялото? На първо място, от неговата маса. Ясно е, че загряването например на 1 килограм вода ще изисква повече топлина, отколкото загряването на 200 грама.
Какво ще кажете за вида на веществото? Нека направим експеримент. Нека вземем два еднакви съда и като налеем вода с тегло 400 g в единия от тях и растително масло с тегло 400 g в другия, ще започнем да ги нагряваме с еднакви горелки. Като наблюдаваме показанията на термометъра, ще видим, че маслото се загрява бързо. За да загреете вода и масло до еднаква температура, водата трябва да се загрява по-дълго. Но колкото по-дълго нагряваме водата, толкова повече топлина получава тя от горелката.
По този начин са необходими различни количества топлина, за да се нагрее една и съща маса от различни вещества до една и съща температура. Количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото и следователно неговият топлинен капацитет зависят от вида на веществото, от което е съставено тялото.
Така например, за да се повиши температурата на вода с тегло 1 kg с 1°C, е необходимо количество топлина, равно на 4200 J, а за да се нагрее същата маса слънчогледово масло с 1°C, количество топлина, равно на Необходими са 1700 J.
Физическата величина, показваща колко топлина е необходима за нагряване на 1 kg вещество с 1 ºС, се нарича специфичен топлинен капацитетот това вещество.
Всяко вещество има свой специфичен топлинен капацитет, който се обозначава с латинската буква c и се измерва в джаули на килограм градус (J/(kg °C)).
Специфичният топлинен капацитет на едно и също вещество в различни агрегатни състояния (твърдо, течно и газообразно) е различен. Например специфичният топлинен капацитет на водата е 4200 J/(kg °C), а специфичният топлинен капацитет на леда е 2100 J/(kg °C); алуминият в твърдо състояние има специфичен топлинен капацитет 920 J/(kg - °C), а в течно състояние - 1080 J/(kg - °C).
Имайте предвид, че водата има много висок специфичен топлинен капацитет. Следователно водата в моретата и океаните, нагрявайки се през лятото, поглъща голямо количество топлина от въздуха. Благодарение на това на местата, които се намират в близост до големи водни басейни, лятото не е толкова горещо, колкото на места, далеч от водата.
Изчисляване на количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото или отделено от него при охлаждане.
От горното става ясно, че количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото, зависи от вида на веществото, от което се състои тялото (т.е. неговия специфичен топлинен капацитет) и от масата на тялото. Също така е ясно, че количеството топлина зависи от това с колко градуса ще повишим телесната температура.
Така че, за да определите количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото или освободено от него по време на охлаждане, трябва да умножите специфичния топлинен капацитет на тялото по неговата маса и по разликата между крайната и началната температура:
Q= см (t 2 -t 1),
Където Q- количество топлина, ° С- специфичен топлинен капацитет, м- телесна маса, t 1- начална температура, t 2- крайна температура.
Когато тялото се загрее t 2> t 1и следователно Q >0 . Когато тялото се охлади t 2i< t 1и следователно Q< 0 .
Ако е известен топлинният капацитет на цялото тяло СЪС, Qопределя се по формулата: Q = C (t 2 - t 1).
22) Топене: определение, изчисляване на количеството топлина за топене или втвърдяване, специфична топлина на топене, графика на t 0 (Q).
Термодинамика
Клон от молекулярната физика, който изучава преноса на енергия, моделите на трансформация на един вид енергия в друг. За разлика от молекулярно-кинетичната теория, термодинамиката не взема предвид вътрешната структура на веществата и микропараметрите.
Термодинамична система
Това е съвкупност от тела, които обменят енергия (под формата на работа или топлина) помежду си или с околната среда. Например, водата в чайника се охлажда и се обменя топлина между водата и чайника и топлината на чайника с околната среда. Цилиндър с газ под буталото: буталото извършва работа, в резултат на което газът получава енергия и неговите макропараметри се променят.
Количество топлина
Това енергия, които системата получава или отдава по време на процеса на топлообмен. Обозначена със символа Q, тя се измерва, както всяка енергия, в джаули.
В резултат на различни процеси на топлообмен, енергията, която се пренася, се определя по свой начин.
Отопление и охлаждане
Този процес се характеризира с промяна в температурата на системата. Количеството топлина се определя по формулата
Специфичен топлинен капацитет на вещество сизмерено чрез количеството топлина, необходимо за загряване единици за масаот това вещество с 1K. Загряването на 1 kg стъкло или 1 kg вода изисква различни количества енергия. Специфичният топлинен капацитет е известна величина, вече изчислена за всички вещества; вижте стойността във физическите таблици.
Топлинен капацитет на веществото С- това е количеството топлина, което е необходимо за нагряване на тяло, без да се взема предвид неговата маса с 1K.
Топене и кристализация
Топенето е преход на вещество от твърдо в течно състояние. Обратният преход се нарича кристализация.
Енергията, която се изразходва за разрушаването на кристалната решетка на дадено вещество, се определя от формулата
Специфичната топлина на топене е известна стойност за всяко вещество; вижте стойността във физическите таблици.
Изпаряване (изпаряване или кипене) и кондензация
Изпаряването е преминаването на вещество от течно (твърдо) състояние в газообразно състояние. Обратният процес се нарича кондензация.
Специфичната топлина на изпарение е известна стойност за всяко вещество; вижте стойността във физическите таблици.
Изгаряне
Количеството топлина, отделено при изгаряне на дадено вещество
Специфичната топлина на изгаряне е известна стойност за всяко вещество; вижте стойността във физическите таблици.
За затворена и адиабатично изолирана система от тела уравнението на топлинния баланс е изпълнено. Алгебричната сума на количествата топлина, отдадена и получена от всички тела, участващи в топлообмена, е равна на нула:
Q 1 +Q 2 +...+Q n =0
23) Структурата на течностите. Повърхностен слой. Сила на повърхностно напрежение: примери за проявление, изчисляване, коефициент на повърхностно напрежение.
От време на време всяка молекула може да се премести на близко свободно място. Такива скокове в течностите се случват доста често; следователно молекулите не са свързани със специфични центрове, както в кристалите, и могат да се движат в целия обем на течността. Това обяснява течливостта на течностите. Поради силното взаимодействие между близко разположени молекули, те могат да образуват локални (нестабилни) подредени групи, съдържащи няколко молекули. Това явление се нарича затворете поръчката(фиг. 3.5.1).
Коефициентът β се нарича температурен коефициент на обемно разширение . Този коефициент за течности е десетки пъти по-голям от този за твърди тела. За вода, например, при температура 20 °C β in ≈ 2 10 – 4 K – 1, за стомана β st ≈ 3,6 10 – 5 K – 1, за кварцово стъкло β kv ≈ 9 10 – 6 K - 1 .
Термичното разширение на водата има интересна и важна аномалия за живота на Земята. При температури под 4 °C водата се разширява при понижаване на температурата (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Когато водата замръзне, тя се разширява, така че ледът остава да плава на повърхността на замръзнало водно тяло. Температурата на замръзване на водата под леда е 0 °C. В по-плътните водни слоеве на дъното на водоема температурата е около 4 °C. Благодарение на това животът може да съществува във водата на замръзващи резервоари.
Най-интересната характеристика на течностите е наличието свободна повърхност . Течността, за разлика от газовете, не запълва целия обем на съда, в който се излива. Между течността и газа (или парата) се образува граница, която е в специални условия в сравнение с останалата част от течността. Трябва да се има предвид, че поради изключително ниската свиваемост, наличието на по-плътно опакован повърхностен слой. не води до забележима промяна в обема на течността. Ако една молекула се движи от повърхността в течността, силите на междумолекулно взаимодействие ще вършат положителна работа. Напротив, за да издърпате определен брой молекули от дълбините на течността към повърхността (т.е. да увеличите повърхността на течността), външните сили трябва да извършат положителна работа Δ Авъншен, пропорционален на изменението Δ Сплощ:
От механиката е известно, че равновесните състояния на системата съответстват на минималната стойност на нейната потенциална енергия. От това следва, че свободната повърхност на течността се стреми да намали своята площ. Поради тази причина свободната капка течност придобива сферична форма. Течността се държи така, сякаш сили, действащи тангенциално на нейната повърхност, свиват (дърпат) тази повърхност. Тези сили се наричат сили на повърхностно напрежение .
Наличието на сили на повърхностно напрежение прави повърхността на течността да изглежда като еластичен разтегнат филм, с единствената разлика, че еластичните сили във филма зависят от неговата повърхност (т.е. от това как филмът е деформиран) и повърхностното напрежение сили не зависятвърху повърхността на течността.
Някои течности, като сапунена вода, имат способността да образуват тънки филми. Добре познатите сапунени мехури имат правилна сферична форма - това също показва ефекта на силите на повърхностното напрежение. Ако спуснете телена рамка, една от чиято страна е подвижна, в сапунен разтвор, тогава цялата рамка ще бъде покрита с филм от течност (фиг. 3.5.3).
Силите на повърхностно напрежение имат тенденция да намаляват повърхността на филма. За да се балансира подвижната страна на рамката, към нея трябва да се приложи външна сила, ако под въздействието на сила напречната греда се премести с Δ х, тогава ще бъде извършена работа Δ А vn = Е vn Δ х = Δ E стр = σΔ С, където Δ С = 2ЛΔ х– увеличаване на повърхността на двете страни на сапунения филм. Тъй като модулите на силите и са еднакви, можем да напишем:
|
По този начин коефициентът на повърхностно напрежение σ може да се определи като модул на силата на повърхностното напрежение, действаща на единица дължина на линията, ограничаваща повърхността.
Поради действието на силите на повърхностното напрежение в капките течност и вътре в сапунените мехурчета възниква свръхналягане Δ стр. Ако мислено изрежете сферична капка с радиус Рна две половини, тогава всяка от тях трябва да бъде в равновесие под действието на силите на повърхностно напрежение, приложени към границата на среза с дължина 2π Ри сили на свръхналягане, действащи върху площта π Р 2 секции (фиг. 3.5.4). Условието за равновесие се записва като
Ако тези сили са по-големи от силите на взаимодействие между молекулите на самата течност, тогава течността мокриповърхност на твърдо тяло. В този случай течността се доближава до повърхността на твърдото тяло под определен остър ъгъл θ, характерен за дадена двойка течност-твърдо тяло. Ъгълът θ се нарича контактен ъгъл . Ако силите на взаимодействие между течните молекули надвишават силите на тяхното взаимодействие с твърдите молекули, тогава контактният ъгъл θ се оказва тъп (фиг. 3.5.5). В този случай казват, че течността не мокриповърхност на твърдо тяло. При пълно намокрянеθ = 0, при пълно ненамокрянеθ = 180°.
Капилярни явлениянаречено покачване или спадане на течност в тръби с малък диаметър - капиляри. Омокрящите течности се издигат през капилярите, а немокрящите се спускат.
На фиг. 3.5.6 показва капилярна тръба с определен радиус r, спуснат в долния край в омокряща течност с плътност ρ. Горният край на капиляра е отворен. Покачването на течността в капиляра продължава, докато силата на гравитацията, действаща върху колоната течност в капиляра, стане равна по големина на резултантната Е n сили на повърхностно напрежение, действащи по протежение на границата на контакт на течността с повърхността на капиляра: Е t = Е n, където Е t = мг = ρ чπ r 2 ж, Е n = σ2π r cos θ.
Това предполага:
При пълно ненамокряне θ = 180°, cos θ = –1 и следователно, ч < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Водата почти напълно намокря чистата стъклена повърхност. Напротив, живакът не намокря напълно стъклената повърхност. Поради това нивото на живак в стъклената капилярка пада под нивото в съда.
24) Изпаряване: определение, видове (изпарение, кипене), изчисляване на количеството топлина за изпаряване и кондензация, специфична топлина на изпаряване.
Изпарение и кондензация. Обяснение на явлението изпарение въз основа на идеи за молекулярната структура на материята. Специфична топлина на изпарение. Неговите единици.
Явлението превръщане на течността в пара се нарича изпаряване.
Изпарение - процесът на изпаряване, протичащ от открита повърхност.
Молекулите на течността се движат с различни скорости. Ако някоя молекула се окаже на повърхността на течност, тя може да преодолее привличането на съседни молекули и да излети от течността. Изхвърлените молекули образуват пара. Останалите молекули на течността променят скоростта си при сблъсък. В същото време някои молекули придобиват скорост, достатъчна, за да излетят от течността. Този процес продължава, така че течностите се изпаряват бавно.
* Скоростта на изпарение зависи от вида на течността. Тези течности, чиито молекули се привличат с по-малка сила, се изпаряват по-бързо.
*Изпарението може да се случи при всяка температура. Но при високи температури изпарението става по-бързо .
* Скоростта на изпарение зависи от неговата повърхност.
*При вятър (въздушен поток) изпарението става по-бързо.
По време на изпарението вътрешната енергия намалява, т.к По време на изпаряване течността напуска бързи молекули, следователно средната скорост на останалите молекули намалява. Това означава, че ако няма приток на енергия отвън, тогава температурата на течността намалява.
Явлението на превръщането на парата в течност се нарича кондензация.
Съпровожда се с освобождаване на енергия.
Кондензацията на пара обяснява образуването на облаци. Водната пара, издигаща се над земята, образува облаци в горните студени слоеве на въздуха, които се състоят от малки капки вода.
Специфична топлина на изпарение – физически стойност, показваща колко топлина е необходима за превръщане на течност с тегло 1 kg в пара без промяна на температурата.
Ud. топлина на изпарение означава се с буквата L и се измерва в J/kg
Ud. топлина на изпаряване на вода: L=2,3×10 6 J/kg, алкохол L=0,9×10 6
Количество топлина, необходимо за превръщане на течността в пара: Q = Lm
« Физика - 10 клас"
При какви процеси протичат агрегатните преобразувания на материята?
Как можете да промените агрегатното състояние на дадено вещество?
Можете да промените вътрешната енергия на всяко тяло, като извършвате работа, нагрявате или, обратно, охлаждате го.
И така, при изковаване на метал се извършва работа и той се нагрява, в същото време металът може да се нагрява върху горящ пламък.
Освен това, ако буталото е фиксирано (фиг. 13.5), тогава обемът на газа не се променя при нагряване и не се извършва работа. Но температурата на газа и следователно вътрешната му енергия се увеличава.
Вътрешната енергия може да се увеличава и намалява, така че количеството топлина може да бъде положително или отрицателно.
Процесът на прехвърляне на енергия от едно тяло към друго без извършване на работа се нарича топлообмен.
Количествената мярка за промяната на вътрешната енергия по време на пренос на топлина се нарича количество топлина.
Молекулярна картина на топлообмена.
По време на топлообмен на границата между телата възниква взаимодействието на бавно движещи се молекули на студено тяло с бързо движещи се молекули на горещо тяло. В резултат на това кинетичните енергии на молекулите се изравняват и скоростите на молекулите на студено тяло се увеличават, а тези на нагорещено тяло намаляват.
По време на топлообмена енергията не се преобразува от една форма в друга; част от вътрешната енергия на по-нагрято тяло се прехвърля към по-малко нагрято тяло.
Количество топлина и топлинен капацитет.
Вече знаете, че за да загреете тяло с маса m от температура t 1 до температура t 2, е необходимо да му предадете количество топлина:
Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)
Когато тялото се охлади, неговата крайна температура t 2 се оказва по-ниска от началната температура t 1 и количеството топлина, отделено от тялото, е отрицателно.
Коефициентът c във формула (13.5) се нарича специфичен топлинен капацитетвещества.
Специфична топлина- това е количество, числено равно на количеството топлина, което вещество с тегло 1 kg получава или отделя, когато температурата му се промени с 1 K.
Специфичният топлинен капацитет на газовете зависи от процеса, чрез който се осъществява преносът на топлина. Ако нагреете газ при постоянно налягане, той ще се разшири и ще върши работа. За да се нагрее газ с 1 °C при постоянно налягане, той трябва да предаде повече топлина, отколкото да се нагрее при постоянен обем, когато газът само ще се нагрее.
Течностите и твърдите вещества се разширяват леко при нагряване. Техните специфични топлинни мощности при постоянен обем и постоянно налягане се различават малко.
Специфична топлина на изпарение.
За да се превърне течността в пара по време на процеса на кипене, трябва да й се предаде определено количество топлина. Температурата на течността не се променя, когато кипи. Превръщането на течността в пара при постоянна температура не води до увеличаване на кинетичната енергия на молекулите, но е съпроводено с увеличаване на потенциалната енергия на тяхното взаимодействие. В крайна сметка средното разстояние между молекулите на газа е много по-голямо, отколкото между молекулите на течността.
Количество, числено равно на количеството топлина, необходимо за превръщане на течност с тегло 1 kg в пара при постоянна температура, се нарича специфична топлина на изпарение.
Процесът на изпаряване на течност протича при всяка температура, докато най-бързите молекули напускат течността и тя се охлажда по време на изпаряване. Специфичната топлина на изпарение е равна на специфичната топлина на изпарение.
Тази стойност се обозначава с буквата r и се изразява в джаули на килограм (J/kg).
Специфичната топлина на изпаряване на водата е много висока: r H20 = 2,256 10 6 J/kg при температура 100 °C. За други течности, например алкохол, етер, живак, керосин, специфичната топлина на изпаряване е 3-10 пъти по-малка от тази на водата.
За да се превърне течност с маса m в пара, е необходимо количество топлина, равно на:
Q p = rm. (13.6)
Когато парата кондензира, се отделя същото количество топлина:
Q k = -rm. (13.7)
Специфична топлина на топене.
Когато кристално тяло се стопи, цялата топлина, която му се подава, отива за увеличаване на потенциалната енергия на взаимодействие между молекулите. Кинетичната енергия на молекулите не се променя, тъй като топенето се извършва при постоянна температура.
Стойност, числено равна на количеството топлина, необходимо за превръщане на кристално вещество с тегло 1 kg при точката на топене в течност, се нарича специфична топлина на топенеи се обозначава с буквата λ.
Когато вещество с тегло 1 kg кристализира, се отделя точно толкова топлина, колкото се абсорбира при топенето.
Специфичната топлина на топене на леда е доста висока: 3,34 10 5 J/kg.
„Ако ледът нямаше висока топлина на топене, тогава през пролетта цялата маса лед трябваше да се стопи за няколко минути или секунди, тъй като топлината непрекъснато се прехвърля към леда от въздуха. Последствията от това биха били ужасни; в края на краищата, дори в сегашната ситуация, големи наводнения и силни водни потоци възникват, когато големи масиви от лед или сняг се топят. Р. Блек, XVIII век.
За да се разтопи кристално тяло с маса m, е необходимо количество топлина, равно на:
Qpl = λm. (13.8)
Количеството топлина, отделена при кристализацията на тялото, е равно на:
Q cr = -λm (13.9)
Уравнение на топлинния баланс.
Нека разгледаме топлообмена в система, състояща се от няколко тела, които първоначално имат различни температури, например топлообменът между вода в съд и гореща желязна топка, спусната във водата. Съгласно закона за запазване на енергията количеството топлина, отдадено от едно тяло, е числено равно на количеството топлина, получено от друго.
Количеството отдадена топлина се счита за отрицателно, количеството получена топлина се счита за положително. Следователно общото количество топлина Q1 + Q2 = 0.
Ако се извършва топлообмен между няколко тела в изолирана система, тогава
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Уравнение (13.10) се нарича уравнение на топлинния баланс.
Тук Q 1 Q 2, Q 3 са количествата топлина, получена или отдадена от телата. Тези количества топлина се изразяват с формула (13.5) или формули (13.6)-(13.9), ако по време на топлообменния процес настъпват различни фазови трансформации на веществото (топене, кристализация, изпаряване, кондензация).
Вътрешната енергия на тялото се променя, когато се извършва работа или се пренася топлина. При явлението пренос на топлина вътрешната енергия се пренася чрез проводимост, конвекция или излъчване.
Всяко тяло, когато се нагрява или охлажда (чрез пренос на топлина), получава или губи известно количество енергия. Въз основа на това е обичайно това количество енергия да се нарича количеството топлина.
Така, количеството топлина е енергията, която дадено тяло отдава или получава по време на процеса на пренос на топлина.
Колко топлина е необходима за загряване на вода? Използвайки прост пример, можете да разберете, че загряването на различни количества вода ще изисква различни количества топлина. Да кажем, че вземаме две епруветки с 1 литър вода и 2 литра вода. В кой случай ще е необходима повече топлина? Във втория, където има 2 литра вода в епруветка. Загряването на втората епруветка ще отнеме повече време, ако ги нагреем със същия източник на огън.
По този начин количеството топлина зависи от телесната маса. Колкото по-голяма е масата, толкова по-голямо количество топлина е необходимо за нагряване и съответно толкова повече време отнема охлаждането на тялото.
От какво друго зависи количеството топлина? Естествено, от разликата в телесните температури. Но това не е всичко. В крайна сметка, ако се опитаме да загреем вода или мляко, ще ни трябва различно време. Тоест, оказва се, че количеството топлина зависи от веществото, от което се състои тялото.
В резултат на това се оказва, че количеството топлина, което е необходимо за нагряване или количеството топлина, което се отделя при охлаждане на тялото, зависи от неговата маса, от изменението на температурата и от вида на веществото, от което е тялото. композиран.
Как се измерва количеството топлина?
Отзад единица топлинато е общоприето 1 джаул. Преди появата на мерната единица за енергия, учените са считали количеството топлина за калории. Тази мерна единица обикновено се съкращава като "J"
Калория- това е количеството топлина, необходимо за загряване на 1 грам вода с 1 градус по Целзий. Съкратената форма на измерване на калории е "cal".
1 кал = 4,19 J.
Моля, имайте предвид, че в тези енергийни единици е обичайно да се посочва хранителната стойност на храните в kJ и kcal.
1 ккал = 1000 кал.
1 kJ = 1000 J
1 kcal = 4190 J = 4,19 kJ
Какво е специфичен топлинен капацитет
Всяко вещество в природата има свои собствени свойства и нагряването на всяко отделно вещество изисква различно количество енергия, т.е. количество топлина.
Специфичен топлинен капацитет на веществото- това е количество, равно на количеството топлина, което трябва да се предаде на тяло с маса 1 килограм, за да се загрее до температура 1 0 С
Специфичният топлинен капацитет се обозначава с буквата c и има измерена стойност J/kg*
Например, специфичният топлинен капацитет на водата е 4200 J/kg* 0 С. Тоест това е количеството топлина, което трябва да се предаде на 1 кг вода, за да се загрее с 1 0 С
Трябва да се помни, че специфичният топлинен капацитет на веществата в различни агрегатни състояния е различен. Тоест да загреете леда с 1 0 C ще изисква различно количество топлина.
Как да изчислим количеството топлина за нагряване на тяло
Например, необходимо е да се изчисли количеството топлина, което трябва да се изразходва, за да се загреят 3 kg вода от температура 15 0 С до температура 85 0 C. Знаем специфичния топлинен капацитет на водата, тоест количеството енергия, необходимо за загряване на 1 kg вода с 1 градус. Тоест, за да разберете количеството топлина в нашия случай, трябва да умножите специфичния топлинен капацитет на водата по 3 и по броя на градусите, с които искате да повишите температурата на водата. Това е 4200*3*(85-15) = 882 000.
В скоби изчисляваме точния брой градуси, като изваждаме първоначалния от крайния необходим резултат
И така, за да загреете 3 кг вода от 15 до 85 0 C, имаме нужда от 882 000 J топлина.
Количеството топлина се обозначава с буквата Q, формулата за изчисляването му е следната:
Q=c*m*(t 2 -t 1).
Анализ и решаване на проблеми
Проблем 1. Колко топлина е необходима за загряване на 0,5 kg вода от 20 до 50 0 С
дадени:
m = 0,5 кг.,
s = 4200 J/kg* 0 C,
t 1 = 20 0 C,
t 2 = 50 0 С.
Определихме специфичния топлинен капацитет от таблицата.
Решение:
2 -t 1 ).
Заменете стойностите:
Q=4200*0,5*(50-20) = 63 000 J = 63 kJ.
Отговор: Q=63 kJ.
Задача 2.Какво количество топлина е необходимо за нагряване на алуминиев прът с тегло 0,5 kg на 85 0 C?
дадени:
m = 0,5 кг.,
s = 920 J/kg* 0 C,
t 1 = 0 0 C,
t 2 = 85 0 С.
Решение:
количеството топлина се определя по формулата Q=c*m*(t 2 -t 1 ).
Заменете стойностите:
Q=920*0,5*(85-0) = 39 100 J = 39,1 kJ.
Отговор: Q= 39,1 kJ.
Можете да промените вътрешната енергия на газа в цилиндъра не само чрез извършване на работа, но и чрез нагряване на газа (фиг. 43). Ако фиксирате буталото, обемът на газа няма да се промени, но температурата и следователно вътрешната енергия ще се увеличат.
Процесът на предаване на енергия от едно тяло на друго без извършване на работа се нарича топлообмен или топлообмен.
Енергията, предадена на тялото в резултат на топлообмен, се нарича количество топлина. Количеството топлина се нарича още енергията, която тялото отделя по време на топлообмена.
Молекулярна картина на топлообмена.По време на топлообмен на границата между телата възниква взаимодействието на бавно движещи се молекули на студено тяло с по-бързо движещи се молекули на горещо тяло. В резултат на това кинетичните енергии
молекулите се подреждат и скоростите на молекулите на студено тяло се увеличават, а тези на горещо тяло намаляват.
По време на топлообмена енергията не се преобразува от една форма в друга: част от вътрешната енергия на горещото тяло се прехвърля към студеното тяло.
Количество топлина и топлинен капацитет.От курса по физика от VII клас е известно, че за да се нагрее тяло с маса от температура до температура, е необходимо да му се каже количеството топлина
Когато тялото се охлади, неговата крайна температура е по-ниска от първоначалната и количеството топлина, отделена от тялото, е отрицателно.
Коефициентът c във формула (4.5) се нарича специфичен топлинен капацитет. Специфичният топлинен капацитет е количеството топлина, което 1 kg вещество получава или отдава, когато температурата му се промени с 1 K-
Специфичният топлинен капацитет се изразява в джаули, разделени на килограм, умножен по келвин. Различните тела изискват различни количества енергия, за да повишат температурата с I K. По този начин специфичният топлинен капацитет на водата и медта
Специфичният топлинен капацитет зависи не само от свойствата на веществото, но и от процеса, при който се осъществява преносът на топлина, ако нагреете газ при постоянно налягане, той ще се разшири и ще извърши работа. За да се нагрее газ с 1 °C при постоянно налягане, ще трябва да му се предаде повече топлина, отколкото да се нагрее при постоянен обем.
Течните и твърдите тела се разширяват леко при нагряване и техният специфичен топлинен капацитет при постоянен обем и постоянно налягане се различава малко.
Специфична топлина на изпарение. За да се превърне течност в пара, трябва да й се предаде определено количество топлина. Температурата на течността не се променя по време на тази трансформация. Превръщането на течност в пара при постоянна температура не води до увеличаване на кинетичната енергия на молекулите, но е съпроводено с увеличаване на тяхната потенциална енергия. В крайна сметка средното разстояние между молекулите на газа е многократно по-голямо от това между молекулите на течността. В допълнение, увеличаването на обема по време на прехода на веществото от течно към газообразно състояние изисква да се извърши работа срещу силите на външното налягане.
Количеството топлина, необходимо за превръщането на 1 kg течност в пара при постоянна температура, се нарича
специфична топлина на изпарение. Това количество се обозначава с буква и се изразява в джаули на килограм
Специфичната топлина на изпаряване на водата е много висока: при температура 100°C. За други течности (алкохол, етер, живак, керосин и др.) специфичната топлина на изпарение е 3-10 пъти по-малка.
За да се превърне течна маса в пара, е необходимо количество топлина, равно на:
Когато парата кондензира, се отделя същото количество топлина:
Специфична топлина на топене.Когато едно кристално тяло се разтопи, цялата топлина, подадена към него, отива за увеличаване на потенциалната енергия на молекулите. Кинетичната енергия на молекулите не се променя, тъй като топенето се извършва при постоянна температура.
Количеството топлина А, необходимо за превръщането на 1 kg кристално вещество при точката на топене в течност със същата температура, се нарича специфична топлина на топене.
Когато 1 kg вещество кристализира, се отделя точно толкова топлина. Специфичната топлина на топене на леда е доста висока:
За да се разтопи кристално тяло с маса, е необходимо количество топлина, равно на:
Количеството топлина, отделена при кристализацията на тялото, е равно на:
1. Как се нарича количеството топлина? 2. От какво зависи специфичният топлинен капацитет на веществата? 3. Какво се нарича специфична топлина на изпаряване? 4. Как се нарича специфичната топлина на топене? 5. В какви случаи количеството предадена топлина е отрицателно?
