Energijos perdavimo iš vieno kūno į kitą neatliekant darbo procesas vadinamas šilumos mainai arba šilumos perdavimas. Šilumos mainai vyksta tarp skirtingų temperatūrų kūnų. Užmezgus kontaktą tarp skirtingos temperatūros kūnų, dalis vidinės energijos iš aukštesnės temperatūros kūno perduodama žemesnės temperatūros kūnui. Energija, perduodama kūnui dėl šilumos mainų, vadinama šilumos kiekis.
Specifinė medžiagos šiluminė talpa:
Jeigu šilumos perdavimo proceso nelydi darbas, tai, remiantis pirmuoju termodinamikos dėsniu, šilumos kiekis lygus kūno vidinės energijos pokyčiui: .
Vidutinė molekulių atsitiktinio transliacinio judėjimo energija yra proporcinga absoliučiai temperatūrai. Kūno vidinės energijos pokytis yra lygus visų atomų ar molekulių, kurių skaičius proporcingas kūno masei, energijos pokyčių algebrinei sumai, todėl vidinės energijos pokytis, taigi, 2008 m. šilumos kiekis proporcingas masei ir temperatūros pokyčiui:
Proporcingumo koeficientas šioje lygtyje vadinamas specifinė medžiagos šiluminė talpa. Savitoji šiluminė talpa parodo, kiek šilumos reikia 1 kg medžiagos pašildyti 1 K.
Darbas termodinamikos srityje:
Mechanikoje darbas apibrėžiamas kaip jėgos ir poslinkio modulių bei kampo tarp jų kosinuso sandauga. Darbas atliekamas, kai judantį kūną veikia jėga ir lygi jo kinetinės energijos pokyčiui.
Termodinamikoje nenagrinėjamas viso kūno judėjimas, kalbama apie makroskopinio kūno dalių judėjimą viena kitos atžvilgiu. Dėl to keičiasi kūno tūris, tačiau jo greitis išlieka lygus nuliui. Darbas termodinamikoje apibrėžiamas taip pat, kaip ir mechanikoje, tačiau yra lygus ne kūno kinetinės, o vidinės energijos pokyčiui.
Atliekant darbą (suspaudimą ar plėtimąsi), kinta vidinė dujų energija. To priežastis yra: elastingų dujų molekulių susidūrimų su judančiu stūmokliu metu keičiasi jų kinetinė energija.
Apskaičiuokime dujų atliekamą darbą plėtimosi metu. Dujos veikia stūmoklį 
, Kur 
- dujų slėgis ir 
- paviršiaus plotas 
stūmoklis Kai dujos plečiasi, stūmoklis juda jėgos kryptimi 
trumpas atstumas 
. Jei atstumas mažas, tada dujų slėgis gali būti laikomas pastoviu. Dujų atliekamas darbas yra toks:
Kur 
- dujų kiekio pasikeitimas.
Dujų plėtimosi procese jis daro teigiamą darbą, nes jėgos ir poslinkio kryptis sutampa. Plėtimo proceso metu dujos išskiria energiją aplinkiniams kūnams.
Išorinių kūnų darbas su dujomis skiriasi nuo dujų atliekamo darbo tik ženklu 
, kadangi stiprybė 
, veikiantis dujas, yra priešinga jėgai 
, su kuria dujos veikia stūmoklį, ir yra jam lygios pagal modulį (trečiasis Niutono dėsnis); ir judėjimas išlieka toks pat. Todėl išorinių jėgų darbas yra lygus:
.
Pirmasis termodinamikos dėsnis:
Pirmasis termodinamikos dėsnis yra energijos tvermės dėsnis, išplečiamas šiluminiams reiškiniams. Energijos tvermės dėsnis: Energija gamtoje neatsiranda iš nieko ir neišnyksta: energijos kiekis nekinta, ji tik pereina iš vienos formos į kitą.
Termodinamika laiko kūnus, kurių svorio centras išlieka beveik nepakitęs. Tokių kūnų mechaninė energija išlieka pastovi, o keistis gali tik vidinė energija.
Vidinė energija gali keistis dviem būdais: šilumos perdavimo ir darbo. Bendru atveju vidinė energija kinta ir dėl šilumos perdavimo, ir dėl atlikto darbo. Pirmasis termodinamikos dėsnis suformuluotas būtent tokiems bendriems atvejams:
Sistemos vidinės energijos pokytis pereinant iš vienos būsenos į kitą yra lygus išorinių jėgų darbo ir sistemai perduodamos šilumos kiekio sumai:
Jei sistema yra izoliuota, joje nedirbama ir ji nekeičia šilumos su aplinkiniais kūnais. Pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį izoliuotos sistemos vidinė energija išlieka nepakitusi.
Atsižvelgiant į tai 
, pirmąjį termodinamikos dėsnį galima parašyti taip:
Šilumos kiekis, perduotas sistemai, eina pakeisti jos vidinę energiją ir atlikti sistemos darbus išoriniuose kūnuose.
Antrasis termodinamikos dėsnis: Neįmanoma perduoti šilumos iš šaltesnės sistemos į karštesnę, jei abiejose sistemose ar aplinkiniuose kūnuose nevyksta kiti vienu metu vykstantys pokyčiai.
Šilumos talpa– tai šilumos kiekis, kurį organizmas sugeria kaitinant 1 laipsniu.
Kūno šiluminė talpa žymima didžiąja lotyniška raide SU.
Nuo ko priklauso kūno šiluminė talpa? Visų pirma, nuo jo masės. Aišku, kad pašildyti, pavyzdžiui, 1 kilogramą vandens reikės daugiau šilumos nei pašildyti 200 gramų.
O kaip dėl medžiagos tipo? Padarykime eksperimentą. Paimkime du vienodus indus ir, į vieną iš jų supylę 400 g sveriančio vandens, o į kitą – 400 g sveriančio augalinio aliejaus, pradėsime juos šildyti identiškais degikliais. Stebėdami termometro rodmenis pamatysime, kad aliejus greitai įkaista. Norint pašildyti vandenį ir aliejų iki vienodos temperatūros, vandenį reikia kaitinti ilgiau. Tačiau kuo ilgiau šildome vandenį, tuo daugiau šilumos jis gauna iš degiklio.
Taigi, norint pašildyti tą pačią skirtingų medžiagų masę iki vienodos temperatūros, reikia skirtingų šilumos kiekių. Kūnui sušildyti reikalingas šilumos kiekis, taigi ir jo šiluminė talpa, priklauso nuo medžiagos, iš kurios kūnas susideda, rūšies.
Taigi, pavyzdžiui, norint padidinti 1 kg sveriančio vandens temperatūrą 1°C, reikia 4200 J šilumos kiekio, o tos pačios masės saulėgrąžų aliejaus pašildyti 1°C šilumos kiekio, lygaus Reikia 1700 J.
Vadinamas fizikinis dydis, parodantis, kiek šilumos reikia pašildyti 1 kg medžiagos 1 ºС specifinė šiluminė talpašios medžiagos.
Kiekviena medžiaga turi savo specifinę šiluminę talpą, kuri žymima lotyniška raide c ir matuojama džauliais kilogramui laipsnio (J/(kg °C)).
Tos pačios medžiagos savitoji šiluminė talpa skirtingose agregacijos būsenose (kietos, skystos ir dujinės) skiriasi. Pavyzdžiui, vandens savitoji šiluminė galia yra 4200 J/(kg °C), o ledo savitoji šiluminė talpa – 2100 J/(kg °C); kieto aliuminio savitoji šiluminė talpa yra 920 J/(kg - °C), o skysto - 1080 J/(kg - °C).
Atkreipkite dėmesį, kad vandens savitoji šiluminė talpa yra labai didelė. Todėl vanduo jūrose ir vandenynuose, vasarą įkaistantis, sugeria iš oro didelį šilumos kiekį. Dėl šios priežasties tose vietose, kurios yra prie didelių vandens telkinių, vasara nėra tokia karšta, kaip toli nuo vandens.
Šilumos kiekio, reikalingo kūnui sušildyti arba jo išskiriamo aušinimo metu, apskaičiavimas.
Iš to, kas išdėstyta pirmiau, aišku, kad šilumos kiekis, reikalingas kūnui sušildyti, priklauso nuo medžiagos, iš kurios kūnas susideda, rūšies (t.y. jos specifinės šiluminės talpos) ir nuo kūno masės. Taip pat aišku, kad šilumos kiekis priklauso nuo to, kiek laipsnių ketiname padidinti kūno temperatūrą.
Taigi, norint nustatyti šilumos kiekį, reikalingą kūnui pašildyti arba jo išskiriamą aušinimo metu, reikia padauginti kūno savitąją šiluminę talpą iš jo masės ir skirtumo tarp galutinės ir pradinės temperatūros:
K= cm (t 2 - t 1),
Kur K- šilumos kiekis, c- savitoji šiluminė galia, m- kūno masė, t 1- pradinė temperatūra, t 2- galutinė temperatūra.
Kai kūnas įkaista t 2> t 1 ir todėl K >0 . Kai kūnas atvėsta t 2i< t 1 ir todėl K< 0 .
Jei žinoma viso kūno šiluminė talpa SU, K nustatoma pagal formulę: Q = C (t 2 - t 1).
22) Lydymasis: apibrėžimas, lydymosi arba kietėjimo šilumos kiekio apskaičiavimas, savitoji lydymosi šiluma, t 0 (Q) grafikas.
Termodinamika
Molekulinės fizikos šaka, tirianti energijos perdavimą, vienos rūšies energijos virsmo kita dėsningumus. Skirtingai nuo molekulinės kinetinės teorijos, termodinamika neatsižvelgia į medžiagų ir mikroparametrų vidinę struktūrą.
Termodinaminė sistema
Tai rinkinys kūnų, kurie keičiasi energija (darbo ar šilumos pavidalu) tarpusavyje arba su aplinka. Pavyzdžiui, vanduo virdulyje atvėsta, o šiluma keičiasi tarp vandens ir virdulio bei virdulio šilumos su aplinka. Balionas su dujomis po stūmokliu: stūmoklis atlieka darbą, dėl kurio dujos gauna energiją ir keičiasi jų makroparametrai.
Šilumos kiekis
Tai energijos, kurią sistema gauna arba išleidžia šilumos mainų proceso metu. Žymimas simboliu Q, jis, kaip ir bet kuri energija, matuojama džauliais.
Dėl įvairių šilumos mainų procesų perduodama energija nustatoma savaip.
Šildymas ir vėsinimas
Šiam procesui būdingas sistemos temperatūros pokytis. Šilumos kiekis nustatomas pagal formulę
Medžiagos savitoji šiluminė talpa su matuojamas šilumos kiekiu, reikalingu sušilti masės vienetųšios medžiagos 1 tūkst. Norint pašildyti 1 kg stiklinės arba 1 kg vandens, reikia skirtingų energijos kiekių. Savitoji šiluminė talpa yra žinomas dydis, jau apskaičiuotas visoms medžiagoms, žr. vertę fizinėse lentelėse.
C medžiagos šiluminė talpa- tai šilumos kiekis, kurio reikia kūnui sušildyti, neatsižvelgiant į jo masę 1K.
Lydymasis ir kristalizacija
Lydymasis yra medžiagos perėjimas iš kietos būsenos į skystą. Atvirkštinis perėjimas vadinamas kristalizacija.
Energija, kuri sunaudojama medžiagos kristalinei gardelei sunaikinti, nustatoma pagal formulę
Specifinė lydymosi šiluma yra žinoma kiekvienos medžiagos vertė, žr. fizinėse lentelėse.
Garinimas (garinimas arba virinimas) ir kondensacija
Garinimas – tai medžiagos perėjimas iš skystos (kietos) būsenos į dujinę. Atvirkštinis procesas vadinamas kondensacija.
Specifinė garavimo šiluma yra žinoma kiekvienos medžiagos vertė, žr. fizinėse lentelėse.
Degimas
Šilumos kiekis, išsiskiriantis medžiagai degant
Savitoji degimo šiluma yra žinoma kiekvienos medžiagos vertė, žr.
Uždarai ir adiabatiškai izoliuotai kūnų sistemai tenkinama šilumos balanso lygtis. Visų šilumos mainuose dalyvaujančių kūnų duodamų ir gaunamų šilumos kiekių algebrinė suma lygi nuliui:
Q 1 +Q 2 +...+Q n =0
23) Skysčių sandara. Paviršiaus sluoksnis. Paviršiaus įtempimo jėga: pasireiškimo, skaičiavimo, paviršiaus įtempimo koeficiento pavyzdžiai.
Retkarčiais bet kuri molekulė gali persikelti į netoliese esančią laisvą vietą. Tokie šuoliai skysčiuose pasitaiko gana dažnai; todėl molekulės nėra susietos su konkrečiais centrais, kaip kristaluose, ir gali judėti per visą skysčio tūrį. Tai paaiškina skysčių sklandumą. Dėl stiprios sąveikos tarp arti esančių molekulių jos gali sudaryti vietines (nestabilias) tvarkingas grupes, turinčias kelias molekules. Šis reiškinys vadinamas uždaryti tvarką(3.5.1 pav.).
Koeficientas β vadinamas tūrio plėtimosi temperatūros koeficientas . Šis skysčių koeficientas yra dešimtis kartų didesnis nei kietųjų medžiagų. Vandeniui, pavyzdžiui, esant 20 °C temperatūrai β in ≈ 2 10 – 4 K – 1, plienui β st ≈ 3,6 10 – 5 K – 1, kvarciniam stiklui β kv ≈ 9 10 – 6 K - 1 .
Vandens šiluminis plėtimasis turi įdomią ir svarbią gyvybei Žemėje anomaliją. Esant žemesnei nei 4 °C temperatūrai, temperatūrai mažėjant vanduo plečiasi (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Kai vanduo užšąla, jis plečiasi, todėl ledas lieka plūduriuoti užšąlančio vandens telkinio paviršiuje. Užšąlančio vandens temperatūra po ledu yra 0 °C. Tankesniuose vandens sluoksniuose rezervuaro dugne temperatūra siekia apie 4 °C. Dėl to užšąlančių rezervuarų vandenyje gali egzistuoti gyvybė.
Įdomiausia skysčių savybė yra buvimas laisvas paviršius . Skystis, skirtingai nei dujos, neužpildo viso indo, į kurį jis pilamas, tūrio. Tarp skysčio ir dujų (arba garų) susidaro sąsaja, kuri yra ypatingomis sąlygomis, palyginti su likusiu skysčiu. Reikėtų nepamiršti, kad dėl itin mažo gniuždomumo susidaro tankesnis paviršinis sluoksnis. nesukelia jokių pastebimų skysčio tūrio pokyčių. Jei molekulė juda iš paviršiaus į skystį, tarpmolekulinės sąveikos jėgos atliks teigiamą darbą. Priešingai, norint ištraukti tam tikrą molekulių skaičių iš skysčio gylio į paviršių (t. y. padidinti skysčio paviršiaus plotą), išorinės jėgos turi atlikti teigiamą darbą Δ A išorinis, proporcingas pokyčiui Δ S paviršiaus plotas:
Iš mechanikos žinoma, kad sistemos pusiausvyros būsenos atitinka mažiausią jos potencialios energijos vertę. Iš to išplaukia, kad laisvas skysčio paviršius linkęs mažinti jo plotą. Dėl šios priežasties laisvas skysčio lašas įgauna sferinę formą. Skystis elgiasi taip, tarsi jėgos, veikiančios tangentiškai jo paviršių, sutrauktų (trauktų) šį paviršių. Šios jėgos vadinamos paviršiaus įtempimo jėgos .
Esant paviršiaus įtempimo jėgoms, skysčio paviršius atrodo kaip elastinga ištempta plėvelė, tik tas skirtumas, kad plėvelės elastingumo jėgos priklauso nuo jos paviršiaus ploto (t. y. nuo plėvelės deformacijos) ir paviršiaus įtempimo. pajėgos nepriklausykite ant skysčio paviršiaus ploto.
Kai kurie skysčiai, pavyzdžiui, muiluotas vanduo, gali sudaryti plonas plėveles. Gerai žinomi muilo burbulai turi taisyklingą sferinę formą – tai taip pat parodo paviršiaus įtempimo jėgų poveikį. Jei vielinį rėmą, kurio viena iš kraštų yra judama, nuleisite į muilo tirpalą, tada visas rėmas bus padengtas skysčio plėvele (3.5.3 pav.).
Paviršiaus įtempimo jėgos linkusios sumažinti plėvelės paviršių. Norint subalansuoti judamą rėmo pusę, ją reikia paveikti išorine jėga, jei, veikiant jėgai, skersinis pasislenka Δ x, tada bus atliktas darbas Δ A vn = F vn Δ x = Δ E p = σΔ S, kur Δ S = 2LΔ x– abiejų muilo plėvelės pusių paviršiaus ploto padidėjimas. Kadangi jėgų ir moduliai yra vienodi, galime rašyti:
|
Taigi paviršiaus įtempimo koeficientas σ gali būti apibrėžtas kaip paviršiaus įtempimo jėgos, veikiančios paviršių ribojančios linijos ilgio vienetą, modulis.
Dėl paviršiaus įtempimo jėgų skysčio lašeliuose ir muilo burbulų viduje susidaro perteklinis slėgis Δ p. Jei mintyse nupjaunate sferinį spindulio lašą Rį dvi dalis, tada kiekviena iš jų turi būti pusiausvyroje, veikiant paviršiaus įtempimo jėgoms, veikiančioms į 2π ilgio pjūvio ribą R ir perteklinio slėgio jėgos, veikiančios plotą π R 2 sekcijos (3.5.4 pav.). Pusiausvyros sąlyga parašyta kaip
Jei šios jėgos yra didesnės už sąveikos jėgas tarp paties skysčio molekulių, tada skysčio sušlapina kietos medžiagos paviršius. Šiuo atveju skystis artėja prie kietosios medžiagos paviršiaus tam tikru aštriu kampu θ, būdingu tam tikrai skysčio ir kietos medžiagos porai. Kampas θ vadinamas kontaktinis kampas . Jeigu skysčių molekulių sąveikos jėgos viršija jų sąveikos su kietosiomis molekulėmis jėgas, tai kontaktinis kampas θ pasirodo bukas (3.5.5 pav.). Šiuo atveju jie sako, kad skystis nesušlapina kietos medžiagos paviršius. At visiškas drėkinimasθ = 0, at visiškas nedrėkimasθ = 180°.
Kapiliariniai reiškiniai vadinamas skysčio pakilimu arba kritimu mažo skersmens vamzdeliuose - kapiliarai. Drėkinantys skysčiai kapiliarais kyla į viršų, o nedrėkantys skysčiai leidžiasi žemyn.
Fig. 3.5.6 pavaizduotas tam tikro spindulio kapiliarinis vamzdelis r, apatiniame gale nuleistas į drėkinamąjį skystį, kurio tankis ρ. Viršutinis kapiliaro galas yra atviras. Skysčio kilimas kapiliare tęsiasi tol, kol gravitacijos jėga, veikianti skysčio stulpelį kapiliare, tampa lygi rezultato dydžiui. F n paviršiaus įtempimo jėgos, veikiančios išilgai skysčio sąlyčio su kapiliaro paviršiumi ribos: F t = F n, kur F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.
Tai reiškia:
Visiškai nesudrėkinus θ = 180°, cos θ = –1, todėl h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Vanduo beveik visiškai sušlapina švarų stiklo paviršių. Priešingai, gyvsidabris visiškai nesudrėkina stiklo paviršiaus. Todėl gyvsidabrio lygis stikliniame kapiliare nukrenta žemiau indo lygio.
24) Garinimas: apibrėžimas, rūšys (garinimas, virimas), garavimo ir kondensacijos šilumos kiekio apskaičiavimas, savitoji garavimo šiluma.
Garavimas ir kondensacija. Garavimo reiškinio paaiškinimas remiantis idėjomis apie medžiagos molekulinę struktūrą. Savitoji garavimo šiluma. Jo vienetai.
Reiškinys, kai skystis virsta garais, vadinamas garinimas.
Garavimas - garavimo procesas, vykstantis nuo atviro paviršiaus.
Skysčių molekulės juda skirtingu greičiu. Jei kuri nors molekulė atsiduria skysčio paviršiuje, ji gali įveikti gretimų molekulių trauką ir išskristi iš skysčio. Išstumtos molekulės sudaro garus. Likusios skysčio molekulės susidūrimo metu keičia greitį. Tuo pačiu metu kai kurios molekulės įgyja pakankamai greitį, kad galėtų išskristi iš skysčio. Šis procesas tęsiasi, todėl skysčiai išgaruoja lėtai.
*Garavimo greitis priklauso nuo skysčio rūšies. Tie skysčiai, kurių molekulės pritraukiamos mažesne jėga, išgaruoja greičiau.
*Išgaruoti gali bet kokioje temperatūroje. Tačiau esant aukštai temperatūrai, garavimas vyksta greičiau .
*Išgaravimo greitis priklauso nuo jo paviršiaus ploto.
*Su vėju (oro srautu) garavimas vyksta greičiau.
Garuojant mažėja vidinė energija, nes Garuojant skystis palieka greitas molekules, todėl likusių molekulių vidutinis greitis mažėja. Tai reiškia, kad jei nėra energijos antplūdžio iš išorės, tada skysčio temperatūra mažėja.
Garų virtimo skysčiu reiškinys vadinamas kondensacija.
Jį lydi energijos išlaisvinimas.
Garų kondensacija paaiškina debesų susidarymą. Vandens garai, kylantys virš žemės, sudaro debesis viršutiniuose šaltuose oro sluoksniuose, kuriuos sudaro maži vandens lašeliai.
Savitoji garavimo šiluma – fizinis reikšmė, rodanti, kiek šilumos reikia 1 kg sveriančiam skysčiui paversti garais nekeičiant temperatūros.
Ud. garavimo šiluma žymimas raide L ir matuojamas J/kg
Ud. vandens garavimo šiluma: L=2,3×10 6 J/kg, alkoholio L=0,9×10 6
Šilumos kiekis, reikalingas skysčiui paversti garais: Q = Lm
« Fizika – 10 kl.
Kokiuose procesuose vyksta agreguotos medžiagos transformacijos?
Kaip galite pakeisti medžiagos agregacijos būseną?
Bet kurio kūno vidinę energiją galite pakeisti dirbdami, šildydami arba, atvirkščiai, vėsindami.
Taigi, kaliojant metalą, atliekamas darbas ir jis įkaista, tuo pačiu metalas gali būti kaitinamas virš degančios liepsnos.
Taip pat jei stūmoklis yra fiksuotas (13.5 pav.), tai kaitinant dujų tūris nekinta ir darbas neatliekamas. Tačiau didėja dujų temperatūra, taigi ir jų vidinė energija.
Vidinė energija gali didėti ir mažėti, todėl šilumos kiekis gali būti teigiamas arba neigiamas.
Energijos perdavimo iš vieno kūno į kitą neatliekant darbo procesas vadinamas šilumos mainai.
Vadinamas kiekybinis vidinės energijos pokyčio šilumai perdavimo metu matas šilumos kiekis.
Šilumos perdavimo molekulinis vaizdas.
Šilumos mainų metu ties riba tarp kūnų vyksta lėtai judančių šalto kūno molekulių sąveika su greitai judančiomis karšto kūno molekulėmis. Dėl to molekulių kinetinės energijos išsilygina ir šalto kūno molekulių greičiai didėja, o karšto – mažėja.
Šilumos mainų metu energija nevirsta iš vienos formos į kitą, dalis labiau įkaitinto kūno vidinės energijos perduodama mažiau įkaitusiam kūnui.
Šilumos kiekis ir šiluminė galia.
Jūs jau žinote, kad norint pašildyti m masės kūną nuo temperatūros t 1 iki temperatūros t 2, būtina jam perduoti tam tikrą šilumos kiekį:
Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)
Kai kūnas atvėsta, jo galutinė temperatūra t 2 pasirodo esanti mažesnė už pradinę temperatūrą t 1, o kūno išskiriamas šilumos kiekis yra neigiamas.
Koeficientas c formulėje (13.5) vadinamas specifinė šiluminė talpa medžiagų.
Specifinė šiluma- tai kiekis, skaitiniu būdu lygus šilumos kiekiui, kurį 1 kg sverianti medžiaga gauna arba išskiria, kai jos temperatūra pasikeičia 1 K.
Specifinė dujų šiluminė talpa priklauso nuo šilumos perdavimo proceso. Jei kaitinsite dujas esant pastoviam slėgiui, jos išsiplės ir veiks. Norint pašildyti dujas 1 °C esant pastoviam slėgiui, joms reikia perduoti daugiau šilumos nei kaitinant pastoviu tūriu, kai dujos tik įkais.
Skysčiai ir kietos medžiagos kaitinant šiek tiek plečiasi. Jų savitosios šiluminės talpos esant pastoviam tūriui ir pastoviam slėgiui mažai skiriasi.
Savitoji garavimo šiluma.
Kad virimo metu skystis virstų garais, į jį turi būti perduotas tam tikras šilumos kiekis. Skysčio temperatūra jam verdant nekinta. Skysčio pavertimas garais pastovioje temperatūroje nepadidėja molekulių kinetinė energija, bet kartu padidėja jų sąveikos potenciali energija. Juk vidutinis atstumas tarp dujų molekulių yra daug didesnis nei tarp skysčių molekulių.
Dydis, skaičiais lygus šilumos kiekiui, reikalingam 1 kg sveriančiam skysčiui pastovioje temperatūroje paversti garais vadinamas specifinė garavimo šiluma.
Skysčio garavimo procesas vyksta bet kokioje temperatūroje, o greičiausios molekulės palieka skystį, o garuodamas jis atvėsta. Savitoji garavimo šiluma lygi savitajai garavimo šilumai.
Ši vertė žymima raide r ir išreiškiama džauliais kilogramui (J/kg).
Savitoji vandens garavimo šiluma yra labai didelė: r H20 = 2,256 10 6 J/kg esant 100 °C temperatūrai. Kitų skysčių, pavyzdžiui, alkoholio, eterio, gyvsidabrio, žibalo, savitoji garavimo šiluma yra 3–10 kartų mažesnė nei vandens.
Norint paversti m masės skystį garais, reikalingas šilumos kiekis, lygus:
Q p = rm. (13.6)
Kai kondensuojasi garai, išsiskiria tiek pat šilumos:
Q k = -rm. (13.7)
Savitoji lydymosi šiluma.
Kai kristalinis kūnas ištirpsta, visa jam tiekiama šiluma eina, kad padidėtų potenciali molekulių sąveikos energija. Molekulių kinetinė energija nekinta, nes lydymas vyksta pastovioje temperatūroje.
Reikšmė, skaitinė lygi šilumos kiekiui, kurio reikia kristalinei medžiagai, sveriančia 1 kg lydymosi taške, paversti skysčiu. specifinė lydymosi šiluma ir žymimi raide λ.
Kristalizuojasi 1 kg sveriančiai medžiagai, išsiskiria lygiai tiek pat šilumos, kiek sugeria lydymosi metu.
Ledo lydymosi savitoji šiluma gana didelė: 3,34 10 5 J/kg.
„Jei ledas neturėtų didelės lydymosi šilumos, tai pavasarį visa ledo masė turėtų ištirpti per kelias minutes ar sekundes, nes šiluma ledui nuolat perduodama iš oro. To pasekmės būtų siaubingos; juk net ir dabartinėje situacijoje tirpstant didelėms ledo ar sniego masėms kyla dideli potvyniai ir stiprūs vandens srautai“. R. Juodasis, XVIII a.
Norint išlydyti m masės kristalinį kūną, reikalingas šilumos kiekis, lygus:
Qpl = λm. (13.8)
Kūno kristalizacijos metu išsiskiriančios šilumos kiekis yra lygus:
Q cr = -λm (13,9)
Šilumos balanso lygtis.
Panagrinėkime šilumos mainus sistemoje, kurią sudaro keli kūnai, kurių temperatūra iš pradžių skiriasi, pavyzdžiui, šilumos mainai tarp vandens inde ir į vandenį nuleisto karšto geležies rutulio. Pagal energijos tvermės dėsnį, vieno kūno išskiriamas šilumos kiekis skaitine prasme yra lygus kito kūno gaunamai šilumos kiekiui.
Suteiktas šilumos kiekis laikomas neigiamu, gautas šilumos kiekis – teigiamas. Todėl bendras šilumos kiekis Q1 + Q2 = 0.
Jei šilumos mainai vyksta tarp kelių izoliuotoje sistemoje esančių kūnų, tai
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Lygtis (13.10) vadinama šilumos balanso lygtis.
Čia Q 1 Q 2, Q 3 yra šilumos kiekis, kurį gauna arba išskiria kūnai. Šie šilumos kiekiai išreiškiami formule (13.5) arba formulėmis (13.6)-(13.9), jeigu šilumos mainų procese vyksta įvairios medžiagos fazinės transformacijos (lydymasis, kristalizacija, garavimas, kondensacija).
Kūno vidinė energija keičiasi dirbant ar perduodant šilumą. Šilumos perdavimo reiškinyje vidinė energija perduodama laidumo, konvekcijos arba spinduliavimo būdu.
Kiekvienas kūnas, kaitinamas arba vėsinamas (per šilumos perdavimą), įgyja arba praranda tam tikrą energijos kiekį. Remiantis tuo, įprasta šį energijos kiekį vadinti šilumos kiekiu.
Taigi, šilumos kiekis – tai energija, kurią kūnas atiduoda arba gauna šilumos perdavimo proceso metu.
Kiek šilumos reikia vandeniui pašildyti? Naudodamiesi paprastu pavyzdžiu galite suprasti, kad norint pašildyti skirtingus vandens kiekius, reikės skirtingų šilumos kiekių. Tarkime, paimame du mėgintuvėlius su 1 litru vandens ir 2 litrais vandens. Kokiu atveju reikės daugiau šilumos? Antrajame, kur mėgintuvėlyje yra 2 litrai vandens. Antrasis mėgintuvėlis įkais ilgiau, jei šildysime juos tuo pačiu ugnies šaltiniu.
Taigi šilumos kiekis priklauso nuo kūno masės. Kuo didesnė masė, tuo didesnis šilumos kiekis reikalingas šildymui ir atitinkamai ilgiau užtrunka atvėsinti kūną.
Nuo ko dar priklauso šilumos kiekis? Natūralu, kad nuo kūno temperatūrų skirtumo. Bet tai dar ne viskas. Juk jei bandysime pašildyti vandenį ar pieną, mums prireiks skirtingo laiko. Tai yra, paaiškėja, kad šilumos kiekis priklauso nuo medžiagos, iš kurios susideda kūnas.
Dėl to paaiškėja, kad šilumos kiekis, reikalingas šildymui arba šilumos kiekis, kuris išsiskiria kūnui vėsstant, priklauso nuo jo masės, nuo temperatūros pokyčio ir nuo medžiagos, kurios organizme yra. sudarytas.
Kaip matuojamas šilumos kiekis?
Už nugaros šilumos vienetas tai visuotinai priimta 1 džaulis. Prieš atsirandant energijos matavimo vienetui, mokslininkai šilumos kiekį laikė kalorijomis. Šis matavimo vienetas paprastai yra sutrumpintas kaip „J“
Kalorijų– tiek šilumos reikia 1 gramui vandens pašildyti 1 laipsniu Celsijaus. Sutrumpinta kalorijų matavimo forma yra „cal“.
1 cal = 4,19 J.
Atkreipkite dėmesį, kad šiuose energijos vienetuose įprasta nurodyti maisto produktų maistinę vertę kJ ir kcal.
1 kcal = 1000 cal.
1 kJ = 1000 J
1 kcal = 4190 J = 4,19 kJ
Kas yra specifinė šilumos talpa
Kiekviena medžiaga gamtoje turi savo savybių, o kiekvienai atskirai medžiagai pašildyti reikia skirtingo energijos kiekio, t.y. šilumos kiekis.
Medžiagos savitoji šiluminė talpa- tai kiekis, lygus šilumos kiekiui, kurį reikia perduoti 1 kilogramo masės kūnui, kad jis būtų įkaitintas iki 1 0 C
Savitoji šiluminė talpa žymima raide c, o matavimo vertė yra J/kg*
Pavyzdžiui, vandens savitoji šiluminė galia yra 4200 J/kg* 0 C. Tai yra šilumos kiekis, kurį reikia perduoti 1 kg vandens, kad jis pašildytų 1 0 C
Reikėtų prisiminti, kad skirtingų agregacijos būsenų medžiagų savitoji šiluminė talpa skiriasi. Tai yra, šildyti ledą 1 0 C reikės kitokio šilumos kiekio.
Kaip apskaičiuoti šilumos kiekį kūnui sušildyti
Pavyzdžiui, reikia apskaičiuoti šilumos kiekį, kurį reikia išleisti norint pašildyti 3 kg vandens nuo 15 ° C. 0 C iki 85 laipsnių 0 C. Žinome vandens savitąją šiluminę talpą, tai yra energijos kiekį, kurio reikia 1 laipsniu pašildyti 1 kg vandens. Tai yra, norint sužinoti šilumos kiekį mūsų atveju, vandens savitąją šiluminę galią reikia padauginti iš 3 ir iš laipsnių skaičiaus, kuriuo norima padidinti vandens temperatūrą. Taigi tai yra 4200*3*(85-15) = 882 000.
Skliausteliuose apskaičiuojame tikslų laipsnių skaičių, iš galutinio reikiamo rezultato atimdami pradinį
Taigi, norint pašildyti 3 kg vandens nuo 15 iki 85 0 C, mums reikia 882 000 J šilumos.
Šilumos kiekis žymimas raide Q, jo apskaičiavimo formulė yra tokia:
Q=c*m*(t 2 -t 1).
Problemų analizė ir sprendimas
1 problema. Kiek šilumos reikia pašildyti 0,5 kg vandens nuo 20 iki 50 0 C
Duota:
m = 0,5 kg.,
s = 4200 J/kg* 0 C,
t 1 = 20 0 C,
t 2 = 50 0 C.
Konkrečią šiluminę talpą nustatėme iš lentelės.
Sprendimas:
2 -t 1).
Pakeiskite reikšmes:
Q=4200*0,5*(50-20) = 63 000 J = 63 kJ.
Atsakymas: Q = 63 kJ.
2 užduotis. Kiek šilumos reikia norint pašildyti 0,5 kg sveriantį aliuminio strypą 85 0 C?
Duota:
m = 0,5 kg.,
s = 920 J/kg* 0 C,
t 1 = 0 0 C,
t 2 = 85 0 C.
Sprendimas:
šilumos kiekis nustatomas pagal formulę Q=c*m*(t 2 -t 1).
Pakeiskite reikšmes:
Q = 920 * 0,5 * (85-0) = 39 100 J = 39,1 kJ.
Atsakymas: Q= 39,1 kJ.
Balione esančių dujų vidinę energiją galite keisti ne tik dirbdami, bet ir kaitindami dujas (43 pav.). Jei sutvarkysite stūmoklį, dujų tūris nepasikeis, tačiau padidės temperatūra, taigi ir vidinė energija.
Energijos perdavimo iš vieno kūno į kitą procesas neatliekant darbo vadinamas šilumos mainais arba šilumos perdavimu.
Energija, perduodama kūnui dėl šilumos mainų, vadinama šilumos kiekiu. Šilumos kiekis taip pat vadinamas energija, kurią kūnas išskiria šilumos mainų metu.
Šilumos perdavimo molekulinis vaizdas.Šilumos mainų metu ties riba tarp kūnų vyksta lėtai judančių šalto kūno molekulių sąveika su greičiau judančiomis karšto kūno molekulėmis. Dėl to kinetinės energijos
molekulės susilygina ir šalto kūno molekulių greičiai didėja, o karšto – mažėja.
Šilumos mainų metu energija nevirsta iš vienos formos į kitą: dalis karšto kūno vidinės energijos perduodama šaltam kūnui.
Šilumos kiekis ir šiluminė galia. Iš VII klasės fizikos kurso žinoma, kad norint pašildyti masės kūną nuo temperatūros iki temperatūros, reikia jam pasakyti šilumos kiekį
Kai kūnas vėsta, jo galutinė temperatūra yra žemesnė nei pradinė, o kūno išskiriamas šilumos kiekis yra neigiamas.
Koeficientas c formulėje (4.5) vadinamas savituoju šiluminiu pajėgumu. Savitoji šiluminė talpa – tai šilumos kiekis, kurį gauna arba atsisako 1 kg medžiagos, kai jos temperatūra pasikeičia 1 K-
Savitoji šiluminė talpa išreiškiama džauliais, padalijus iš kilogramo, padauginta iš kelvinų. Skirtingiems kūnams reikia skirtingo energijos kiekio, kad temperatūra padidėtų I K. Taigi vandens ir vario savitoji šiluminė talpa
Specifinė šiluminė talpa priklauso ne tik nuo medžiagos savybių, bet ir nuo šilumos perdavimo proceso Jei kaitinsite dujas esant pastoviam slėgiui, jos išsiplės ir veiks. Norint pašildyti dujas 1 °C esant pastoviam slėgiui, joms reikės perduoti daugiau šilumos nei kaitinti esant pastoviam tūriui.
Skysti ir kietieji kūnai kaitinant šiek tiek plečiasi, o jų savitosios šiluminės talpos esant pastoviam tūriui ir pastoviam slėgiui mažai skiriasi.
Savitoji garavimo šiluma. Kad skystis virstų garais, į jį turi būti perduotas tam tikras šilumos kiekis. Skysčio temperatūra šios transformacijos metu nekinta. Skysčio pavertimas garais pastovioje temperatūroje nepadidėja molekulių kinetinė energija, bet kartu didėja jų potenciali energija. Juk vidutinis atstumas tarp dujų molekulių yra daug kartų didesnis nei tarp skysčių molekulių. Be to, padidėjus tūriui medžiagai pereinant iš skystos į dujinę būseną, reikia dirbti prieš išorinio slėgio jėgas.
Vadinamas šilumos kiekis, reikalingas 1 kg skysčio paversti garais pastovioje temperatūroje
specifinė garavimo šiluma. Šis kiekis žymimas raide ir išreiškiamas džauliais kilogramui
Savitoji vandens garavimo šiluma yra labai didelė: 100°C temperatūroje. Kitų skysčių (alkoholio, eterio, gyvsidabrio, žibalo ir kt.) savitoji garavimo šiluma yra 3-10 kartų mažesnė.
Norint paversti skystą masę garais, reikalingas šilumos kiekis, lygus:
Kai kondensuojasi garai, išsiskiria tiek pat šilumos:
Savitoji lydymosi šiluma. Kai kristalinis kūnas ištirpsta, visa jam tiekiama šiluma eina molekulių potencialios energijos didinimui. Molekulių kinetinė energija nekinta, nes lydymas vyksta pastovioje temperatūroje.
Šilumos A kiekis, reikalingas 1 kg kristalinės medžiagos lydymosi temperatūroje paversti tos pačios temperatūros skysčiu, vadinamas specifine lydymosi šiluma.
Kai kristalizuojasi 1 kg medžiagos, išsiskiria lygiai tiek pat šilumos. Ledo lydymosi savitoji šiluma yra gana didelė:
Norint išlydyti kristalinį masės kūną, reikalingas šilumos kiekis, lygus:
Kūno kristalizacijos metu išsiskiriančios šilumos kiekis yra lygus:
1. Kaip vadinamas šilumos kiekis? 2. Nuo ko priklauso medžiagų savitoji šiluminė talpa? 3. Kas vadinama specifine garavimo šiluma? 4. Kaip vadinama savitoji sintezės šiluma? 5. Kokiais atvejais perduodamos šilumos kiekis yra neigiamas?
