Изчисляване на количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото или отделено от него при охлаждане. Количество топлина. Специфична топлина

1. Промяната на вътрешната енергия при извършване на работа се характеризира с количеството работа, т.е. работата е мярка за промяната на вътрешната енергия в даден процес. Изменението на вътрешната енергия на тялото при топлообмен се характеризира с величина, наречена количество топлина.

Количеството топлина е промяната във вътрешната енергия на тялото по време на процеса на пренос на топлина без извършване на работа.

Количеството топлина се обозначава с буквата ​\(Q\) ​. Тъй като количеството топлина е мярка за промяната във вътрешната енергия, нейната единица е джаул (1 J).

Когато тялото предаде определено количество топлина, без да извършва работа, вътрешната му енергия се увеличава; ако тялото отдаде определено количество топлина, тогава вътрешната му енергия намалява.

2. Ако налеете 100 g вода в два еднакви съда, единия и 400 g в другия с еднаква температура и ги поставите на еднакви горелки, тогава водата в първия съд ще заври по-рано. Следователно, колкото по-голяма е масата на едно тяло, толкова по-голямо количество топлина е необходимо за нагряването му. Същото важи и за охлаждането: когато тяло с по-голяма маса се охлажда, то отделя по-голямо количество топлина. Тези тела са направени от едно и също вещество и се нагряват или охлаждат с еднакъв брой градуси.

​3. Ако сега загреем 100 g вода от 30 до 60 °C, т.е. при 30 °C, а след това до 100 °C, т.е. с 70 °C, тогава в първия случай ще отнеме по-малко време за нагряване, отколкото във втория, и съответно загряването на вода с 30 °C ще изисква по-малко топлина, отколкото загряването на вода с 70 °C. По този начин количеството топлина е право пропорционално на разликата между крайната ​\((t_2\,^\circ C) \) ​ и началната \((t_1\,^\circ C) \) температури: ​\( Q\sim(t_2- t_1) \) ​.

4. Ако сега налеете 100 g вода в един съд, а в друг идентичен съд налеете малко вода и поставите в него метално тяло, така че неговата маса и масата на водата да са 100 g, и нагреете съдовете върху еднакви плочки, тогава ще забележите, че в съд, съдържащ само вода, ще има по-ниска температура от този, съдържащ вода и метално тяло. Следователно, за да бъде еднаква температурата на съдържанието в двата съда, е необходимо да се предаде повече топлина на водата, отколкото на водата и металното тяло. Следователно количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото, зависи от вида на веществото, от което е направено тялото.

5. Зависимостта на количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото, от вида на веществото се характеризира с физична величина, наречена специфичен топлинен капацитет на веществото.

Физическо количество, равно на количеството топлина, което трябва да се предаде на 1 kg вещество, за да се нагрее с 1 ° C (или 1 K), се нарича специфичен топлинен капацитет на веществото.

1 kg вещество отделя същото количество топлина при охлаждане с 1 °C.

Специфичният топлинен капацитет се обозначава с буквата ​\(c\) ​. Единицата за специфичен топлинен капацитет е 1 J/kg °C или 1 J/kg K.

Специфичният топлинен капацитет на веществата се определя експериментално. Течностите имат по-висок специфичен топлинен капацитет от металите; Водата има най-висока специфична топлина, златото има много малка специфична топлина.

Специфичната топлина на оловото е 140 J/kg °C. Това означава, че за загряване на 1 kg олово с 1 °C е необходимо да се изразходва количество топлина от 140 J. Същото количество топлина ще се отдели, когато 1 kg вода се охлади с 1 °C.

Тъй като количеството топлина е равно на изменението на вътрешната енергия на тялото, можем да кажем, че специфичният топлинен капацитет показва колко се променя вътрешната енергия на 1 kg вещество, когато температурата му се промени с 1 °C. По-специално, вътрешната енергия на 1 kg олово се увеличава със 140 J при нагряване с 1 °C и намалява със 140 J при охлаждане.

Количеството топлина ​\(Q \) ​ необходимо за загряване на тяло с маса ​\(m \) ​ от температура \((t_1\,^\circ C) \) до температура \((t_2\,^\ circ C) \) е равна на произведението от специфичния топлинен капацитет на веществото, масата на тялото и разликата между крайната и началната температура, т.е.

\[ Q=cm(t_2()^\circ-t_1()^\circ) \]

Същата формула се използва за изчисляване на количеството топлина, което тялото отделя при охлаждане. Само в този случай крайната температура трябва да се извади от началната температура, т.е. Извадете по-малката температура от по-голямата температура.

6. Пример за решение на проблем. 100 g вода с температура 20 °C се налива в чаша, съдържаща 200 g вода с температура 80 °C. След което температурата в съда достига 60 °C. Колко топлина е получила студената вода и колко топлина е отдала горещата вода?

Когато решавате проблем, трябва да изпълните следната последователност от действия:

1. запишете накратко условията на проблема;
2. преобразувайте стойностите на количествата в SI;
3. анализирайте проблема, установете кои тела участват в топлообмена, кои тела отдават енергия и кои получават;
4. решаване на задачата в обща форма;
5. извършване на изчисления;
6. анализирайте получения отговор.

1. Задачата.

дадени:
\(m_1 \) = 200 g
\(m_2\) = 100 g
\(t_1 \) = 80 °C
\(t_2 \) = 20 °C
​\(t\) ​ = 60 °C
______________

​\(Q_1 \) ​ — ? ​\(Q_2 \) ​ — ?
​\(c_1 \) ​ = 4200 J/kg °C

2. SI:\(m_1\) = 0,2 kg; \(m_2\) = 0,1 кг.

3. Анализ на задачите. Задачата описва процеса на топлообмен между топла и студена вода. Горещата вода отделя количество топлина ​\(Q_1 \) ​ и се охлажда от температура ​\(t_1 \) ​ до температура ​\(t \) ​. Студената вода получава количеството топлина ​\(Q_2 \) ​ и се нагрява от температура ​\(t_2 \) ​ до температура ​\(t \) ​.

4. Решение на проблема в общ вид. Количеството топлина, отделено от гореща вода, се изчислява по формулата: ​\(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) ​.

Количеството топлина, получено от студена вода, се изчислява по формулата: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) .

5. Изчисления.
​\(Q_1 \) ​ = 4200 J/kg · °С · 0,2 kg · 20 °С = 16800 J
\(Q_2\) = 4200 J/kg °C 0,1 kg 40 °C = 16800 J

6. Отговорът е, че количеството топлина, отделено от гореща вода, е равно на количеството топлина, получено от студена вода. В този случай е разгледана идеализирана ситуация и не е взето предвид, че определено количество топлина е използвано за нагряване на стъклото, в което се намира водата и околния въздух. В действителност количеството топлина, отделено от гореща вода, е по-голямо от количеството топлина, получено от студена вода.

Част 1

1. Специфичният топлинен капацитет на среброто е 250 J/(kg °C). Какво означава това?

1) когато 1 kg сребро се охлади при 250 °C, се отделя количество топлина от 1 J
2) при охлаждане на 250 kg сребро с 1 °C се отделя количество топлина от 1 J
3) когато 250 kg сребро се охлади с 1 °C, се абсорбира количество топлина от 1 J
4) когато 1 kg сребро се охлади с 1 ° C, се отделя количество топлина от 250 J

2. Специфичният топлинен капацитет на цинка е 400 J/(kg °C). Означава, че

1) когато 1 kg цинк се нагрее до 400 °C, вътрешната му енергия се увеличава с 1 J
2) при нагряване на 400 kg цинк с 1 °C вътрешната му енергия се увеличава с 1 J
3) за загряване на 400 kg цинк с 1 °C е необходимо да се изразходва 1 J енергия
4) когато 1 kg цинк се нагрее с 1 °C, вътрешната му енергия се увеличава с 400 J

3. При предаване на количеството топлина ​\(Q \) ​ към твърдо тяло с маса ​\(m \) ​, температурата на тялото се повишава с ​\(\Delta t^\circ \) ​. Кой от следните изрази определя специфичния топлинен капацитет на веществото на това тяло?

1) ​\(\frac(m\Delta t^\circ)(Q) \)​
2) \(\frac(Q)(m\Delta t^\circ) \)​
3) \(\frac(Q)(\Delta t^\circ) \) ​
4) \(Qm\Делта t^\circ \) ​

4. Фигурата показва графика на зависимостта на количеството топлина, необходимо за нагряване на две тела (1 и 2) с еднаква маса от температурата. Сравнете стойностите на специфичния топлинен капацитет (​\(c_1 \) ​ и ​\(c_2 \) ​) на веществата, от които са направени тези тела.

1) ​\(c_1=c_2 \) ​
2) ​\(c_1>c_2 \) ​
3)\(c_1 4) отговорът зависи от стойността на масата на телата

5. Диаграмата показва количеството топлина, предадено на две тела с еднаква маса, когато температурата им се промени с еднакъв брой градуси. Коя връзка е правилна за специфичните топлинни мощности на веществата, от които са изградени телата?

1) \(c_1=c_2\)
2) \(c_1=3c_2\)
3) \(c_2=3c_1\)
4) \(c_2=2c_1\)

6. Фигурата показва графика на температурата на твърдо тяло в зависимост от количеството топлина, което отделя. Телесно тегло 4 кг. Какъв е специфичният топлинен капацитет на веществото на това тяло?

1) 500 J/(kg °C)
2) 250 J/(kg °C)
3) 125 J/(kg °C)
4) 100 J/(kg °C)

7. При нагряване на кристално вещество с тегло 100 g се измерва температурата на веществото и количеството топлина, предадено на веществото. Данните от измерванията бяха представени в таблична форма. Ако приемем, че загубите на енергия могат да бъдат пренебрегнати, определете специфичния топлинен капацитет на веществото в твърдо състояние.

1) 192 J/(kg °C)
2) 240 J/(kg °C)
3) 576 J/(kg °C)
4) 480 J/(kg °C)

8. За да загреете 192 g молибден с 1 K, трябва да му предадете количество топлина от 48 J. Каква е специфичната топлина на това вещество?

1) 250 J/(kg K)
2) 24 J/(kg K)
3) 4·10 -3 J/(kg K)
4) 0,92 J/(kg K)

9. Какво количество топлина е необходимо за нагряване на 100 g олово от 27 до 47 °C?

1) 390 J
2) 26 kJ
3) 260 J
4) 390 kJ

10. Загряването на тухла от 20 до 85 °C изисква същото количество топлина като загряването на вода със същата маса с 13 °C. Специфичният топлинен капацитет на тухлата е

1) 840 J/(kg K)
2) 21000 J/(kg K)
3) 2100 J/(kg·K)
4) 1680 J/(kg K)

11. От списъка с твърдения по-долу изберете две верни и запишете номерата им в таблицата.

1) Количеството топлина, което тялото получава, когато температурата му се повиши с определен брой градуси, е равно на количеството топлина, което това тяло отделя, когато температурата му се понижи със същия брой градуси.
2) Когато веществото се охлади, неговата вътрешна енергия се увеличава.
3) Количеството топлина, което веществото получава при нагряване, се използва главно за увеличаване на кинетичната енергия на неговите молекули.
4) Количеството топлина, което веществото получава при нагряване, се използва главно за увеличаване на потенциалната енергия на взаимодействие на неговите молекули
5) Вътрешната енергия на тялото може да се промени само чрез придаване на определено количество топлина

12. Таблицата представя резултатите от измерванията на масата ​\(m\) ​, температурните промени ​\(\Delta t\) ​ и количеството топлина ​\(Q\) ​, отделена по време на охлаждане на цилиндри от мед или алуминий .

Кои твърдения отговарят на резултатите от експеримента? Изберете два правилни от предоставения списък. Посочете номерата им. Въз основа на направените измервания може да се твърди, че количеството топлина, отделена при охлаждане

1) зависи от веществото, от което е направен цилиндърът.
2) не зависи от веществото, от което е направен цилиндърът.
3) нараства с увеличаване на масата на цилиндъра.
4) нараства с увеличаване на температурната разлика.
5) специфичният топлинен капацитет на алуминия е 4 пъти по-голям от специфичния топлинен капацитет на калая.

Част 2

C1.Твърдо тяло с тегло 2 kg се поставя в пещ с мощност 2 kW и започва да се нагрява. Фигурата показва зависимостта на температурата ​\(t\) ​ на това тяло от времето за нагряване ​\(\tau \) ​. Какъв е специфичният топлинен капацитет на веществото?

1) 400 J/(kg °C)
2) 200 J/(kg °C)
3) 40 J/(kg °C)
4) 20 J/(kg °C)

Отговори

(или пренос на топлина).

Специфичен топлинен капацитет на веществото.

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, нагряването на една и съща маса от различни вещества до една и съща температура изисква различни количества топлина. 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 1 и следователно Q > 0 . Когато тялото се охлади t 2i< T 1 и следователно Q< 0 .

Ако е известен топлинният капацитет на цялото тяло СЪС, Qопределя се по формулата:

Q = C (t 2 - T 1 ) .

Съдържанието на статията

ТОПЛИНА,кинетичната част от вътрешната енергия на веществото, определена от интензивното хаотично движение на молекулите и атомите, от които се състои това вещество. Температурата е мярка за интензивността на движението на молекулите. Количеството топлина, притежавано от тялото при дадена температура, зависи от неговата маса; например при същата температура голяма чаша вода съдържа повече топлина от малка, а кофа със студена вода може да съдържа повече топлина от чаша гореща вода (въпреки че температурата на водата в кофата е по-ниска) .

Топлината играе важна роля в живота на човека, включително и във функционирането на тялото му. Част от химическата енергия, съдържаща се в храната, се превръща в топлина, поради което телесната температура се поддържа около 37 ° C. Топлинният баланс на човешкото тяло също зависи от температурата на околната среда и хората са принудени да изразходват много енергия за отопление на жилищни и производствени помещения през зимата и за охлаждането им през лятото. По-голямата част от тази енергия се доставя от топлинни двигатели, като котли и парни турбини в електроцентрали, които изгарят изкопаеми горива (въглища, нефт) и генерират електричество.

До края на 18в. топлината се смяташе за материална субстанция, вярвайки, че температурата на тялото се определя от количеството „калорична течност“ или „калории“, които съдържа. По-късно Б. Ръмфорд, Дж. Джаул и други физици от онова време чрез гениални експерименти и разсъждения опровергаха теорията за „калориите“, доказвайки, че топлината е безтегловна и може да бъде получена във всяко количество просто чрез механично движение. Топлината сама по себе си не е вещество - това е просто енергията на движение на нейните атоми или молекули. Именно това е разбирането за топлина, към което се придържа съвременната физика.

В тази статия ще разгледаме как са свързани топлината и температурата и как се измерват тези количества. Предмет на обсъждане ще бъдат и следните въпроси: пренос на топлина от една част на тялото към друга; пренос на топлина във вакуум (пространство, което не съдържа вещество); ролята на топлината в съвременния свят.

ТОПЛИНА И ТЕМПЕРАТУРА

Количеството топлинна енергия в дадено вещество не може да се определи чрез наблюдение на движението на всяка негова молекула поотделно. Напротив, само чрез изучаване на макроскопичните свойства на дадено вещество могат да се намерят характеристиките на микроскопичното движение на много молекули, осреднени за определен период от време. Температурата на веществото е средният показател за интензивността на молекулярното движение, чиято енергия е топлинната енергия на веществото.

Един от най-разпространените, но и най-малко точни начини за определяне на температурата е чрез допир. Когато докосваме предмет, ние преценяваме дали е горещ или студен, като се фокусираме върху нашите усещания. Разбира се, тези усещания зависят от температурата на нашето тяло, което ни води до концепцията за топлинно равновесие - едно от най-важните при измерване на температурата.

Топлинно равновесие.

Очевидно, ако две тела АИ б(Фиг. 1) плътно се притискат една към друга, след като ги докоснем след достатъчно дълго време, ще забележим, че температурата им е еднаква. В този случай казват, че телата АИ бса в термично равновесие помежду си. Но телата, най-общо казано, не е задължително да се докосват, за да съществува топлинно равновесие между тях - достатъчно е температурите им да са еднакви. Това може да се провери с помощта на третото тяло ° С, привеждайки го първо в топлинно равновесие с тялото Аи след това сравняване на телесните температури ° СИ б. Тяло ° Стук играе ролята на термометър. В строга формулировка този принцип се нарича нулев закон на термодинамиката: ако телата A и B са в топлинно равновесие с трето тяло C, тогава тези тела също са в топлинно равновесие едно с друго.Този закон е в основата на всички методи за измерване на температурата.

Измерване на температурата.

Ако искаме да проведем точни експерименти и изчисления, тогава такива температурни оценки като горещо, топло, хладно, студено не са достатъчни - имаме нужда от градуирана температурна скала. Има няколко такива скали, като за референтни точки обикновено се приемат температурите на замръзване и кипене на водата. Четирите най-често срещани скали са показани на фиг. 2. Скалата по Целзий, по която точката на замръзване на водата съответства на 0°, а точката на кипене на 100°, се нарича скала на Целзий, кръстена на А. Целзий, шведския астроном, който я описва през 1742 г. Смята се, че шведският натуралист К. Линей за първи път използва тази скала. Сега скалата на Целзий е най-разпространената в света. Температурната скала на Фаренхайт, в която точките на замръзване и кипене на водата съответстват на изключително неудобни числа от 32 и 212 °, е предложена през 1724 г. от Г. Фаренхайт. Скалата на Фаренхайт е широко разпространена в англоезичните страни, но почти никога не се използва в научната литература. За преобразуване на температурата по Целзий (°C) в температура на Фаренхайт (°F) има формула °F = (9/5)°C + 32, а за обратното преобразуване има формула °C = (5/9)( °F- 32).

И двете скали - и Фаренхайт, и Целзий - са много неудобни при провеждане на експерименти в условия, при които температурата пада под точката на замръзване на водата и се изразява като отрицателно число. За такива случаи бяха въведени абсолютни температурни скали, които се основават на екстраполация до така наречената абсолютна нула - точката, в която трябва да спре молекулярното движение. Едната от тях се нарича скала на Ранкин, а другата е абсолютна термодинамична скала; техните температури се измерват в градуси Ранкин (°R) и келвини (K). И двете скали започват от абсолютна нула, а точката на замръзване на водата съответства на 491,7° R и 273,16 K. Броят градуси и келвини между точките на замръзване и точката на кипене на водата по скалата на Целзий и абсолютната термодинамична скала са еднакви и равни до 100; за скалите на Фаренхайт и Ранкин също е същото, но равно на 180. Градусите по Целзий се преобразуват в келвини по формулата K = ° C + 273,16, а градусите по Фаренхайт се преобразуват в градуси на Ранкин по формулата ° R = ° F + 459.7.

Работата на уредите, предназначени за измерване на температура, се основава на различни физични явления, свързани с промени в топлинната енергия на дадено вещество - промени в електрическото съпротивление, обем, налягане, емисионни характеристики и термоелектрични свойства. Един от най-простите и познати инструменти за измерване на температурата е живачен стъклен термометър, показан на фиг. 3, А. Топче от живак в долната част на термометъра се поставя в среда или се притиска към предмет, чиято температура трябва да се измери, и в зависимост от това дали топката получава или отдава топлина, живакът се разширява или свива и стълбът му се издига или попада в капиляра. Ако термометърът е предварително калибриран и оборудван със скала, тогава можете директно да разберете телесната температура.

Друго устройство, чиято работа се основава на термично разширение, е биметалният термометър, показан на фиг. 3, b. Основният му елемент е спирална плоча, изработена от два заварени метала с различни коефициенти на топлинно разширение. При нагряване един от металите се разширява повече от другия, спиралата се извива и завърта стрелката спрямо скалата. Такива устройства често се използват за измерване на вътрешни и външни температури на въздуха, но не са подходящи за определяне на местни температури.

Местната температура обикновено се измерва с помощта на термодвойка, която представлява две жици от различни метали, запоени в единия край (фиг. 4, А). Когато такова съединение се нагрее, в свободните краища на проводниците се генерира емф, обикновено възлизаща на няколко миливолта. Термодвойките се изработват от различни метални двойки: желязо и константан, мед и константан, хромел и алумел. Тяхната термо-емф варира почти линейно с температурата в широк температурен диапазон.

Известен е и друг термоелектричен ефект - зависимостта на съпротивлението на проводимия материал от температурата. Той е в основата на работата на електрически съпротивителни термометри, един от които е показан на фиг. 4, b. Съпротивлението на малък чувствителен към температура елемент (термичен преобразувател) - обикновено намотка от тънка тел - се сравнява със съпротивлението на калибриран променлив резистор, използващ мост на Уитстон. Изходното устройство може да се калибрира директно в градуси.

Оптичните пирометри се използват за измерване на температурата на горещи тела, излъчващи видима светлина. В едно изпълнение на това устройство светлината, излъчвана от тялото, се сравнява с излъчването на нишка от лампа с нажежаема жичка, поставена във фокалната равнина на бинокъла, през който се гледа излъчващото тяло. Електрическият ток, загряващ нажежаемата жичка на лампата, се променя, докато визуалното сравнение на светенето на нажежаемата жичка и тялото разкрие, че между тях е установено топлинно равновесие. Скалата на инструмента може да се калибрира директно в температурни единици.

Измерване на количеството топлина.

Топлинната енергия (количеството топлина) на тялото може да се измери директно с помощта на така наречения калориметър; проста версия на такова устройство е показана на фиг. 5. Това е внимателно изолиран затворен съд, оборудван с устройства за измерване на температурата вътре в него и понякога пълен с работен флуид с известни свойства, като вода. За да се измери количеството топлина в малко нагрято тяло, то се поставя в калориметър и системата се изчаква, докато достигне топлинно равновесие. Количеството топлина, предадено на калориметъра (по-точно на водата, която го пълни), се определя от повишаването на температурата на водата.

Количеството топлина, отделено по време на химическа реакция, като горене, може да бъде измерено чрез поставяне на малка „бомба“ в калориметър. „Бомбата“ съдържа проба, към която са свързани електрически проводници за запалване и подходящо количество кислород. След като пробата изгори напълно и се установи топлинно равновесие, се определя колко е повишила температурата на водата в калориметъра, а оттам и количеството отделена топлина.

Единици за измерване на топлина.

Топлината е форма на енергия и следователно трябва да се измерва в енергийни единици. Единицата за енергия в SI е джаул (J). Възможно е също да се използват несистемни единици за количеството топлина - калории: международната калория е 4,1868 J, термохимичната калория - 4,1840 J. В чуждестранните лаборатории резултатите от изследванията често се изразяват с помощта на т.нар. 15-градусова калория се равнява на 4,1855 J. Извънсистемната британска термична единица (BTU) се премахва постепенно: BTU ср. = 1,055 J.

Източници на топлина.

Основните източници на топлина са химически и ядрени реакции, както и различни процеси на преобразуване на енергия. Примери за химични реакции, които отделят топлина, са горенето и разграждането на хранителните компоненти. Почти цялата топлина, получена от Земята, се осигурява от ядрени реакции, протичащи в дълбините на Слънцето. Човечеството се е научило да получава топлина чрез контролирани процеси на ядрено делене и сега се опитва да използва реакциите на термоядрен синтез за същата цел. Други видове енергия, като механична работа и електрическа енергия, също могат да бъдат преобразувани в топлина. Важно е да запомните, че топлинната енергия (както всяка друга) може само да бъде преобразувана в друга форма, но не може да бъде получена „от нищото“ или унищожена. Това е един от основните принципи на науката, наречена термодинамика.

ТЕРМОДИНАМИКА

Термодинамиката е наука за връзката между топлина, работа и материя. Съвременните идеи за тези връзки са формирани въз основа на трудовете на такива велики учени от миналото като Карно, Клаузиус, Гибс, Джаул, Келвин и др. Термодинамиката обяснява значението на топлинния капацитет и топлопроводимостта на материята, топлинното разширение на телата и топлината на фазовите преходи. Тази наука се основава на няколко експериментално установени закони – принципи.

Началото на термодинамиката.

Нулевият закон на термодинамиката, формулиран по-горе, въвежда концепциите за топлинно равновесие, температура и термометрия. Първият закон на термодинамиката е твърдение, което е от ключово значение за цялата наука като цяло: енергията не може нито да бъде унищожена, нито получена „от нищото“, така че общата енергия на Вселената е постоянна величина. В най-простата си форма, първият закон на термодинамиката може да бъде формулиран по следния начин: енергията, която една система получава минус енергията, която отделя, е равна на енергията, оставаща в системата. На пръв поглед това твърдение изглежда очевидно, но не и в такава ситуация, например, като изгарянето на бензин в цилиндрите на автомобилен двигател: тук получената енергия е химическа, отдадената енергия е механична (работа), а оставащата енергия в системата е топлинна.

Така че е ясно, че енергията може да се трансформира от една форма в друга и че такива трансформации постоянно се случват в природата и технологията. Преди повече от сто години Дж. Джаул доказа това за случая на преобразуване на механична енергия в топлинна енергия с помощта на устройството, показано на фиг. 6, А. В това устройство спускащите се и издигащите се тежести завъртаха вал с остриета в пълен с вода калориметър, което караше водата да се нагрява. Прецизните измервания позволиха на Джаул да определи, че една калория топлина е еквивалентна на 4,186 J механична работа. Устройството, показано на фиг. 6, b, се използва за определяне на топлинния еквивалент на електрическата енергия.

Първият закон на термодинамиката обяснява много ежедневни явления. Например става ясно защо не можете да охладите кухнята с отворен хладилник. Да приемем, че сме изолирали кухнята от околната среда. Енергията непрекъснато се подава към системата през захранващия кабел на хладилника, но системата не освобождава никаква енергия. Така общата му енергия се увеличава и кухнята става все по-топла: просто докоснете тръбите на топлообменника (кондензатора) на задната стена на хладилника и ще разберете безполезността му като "охлаждащо" устройство. Но ако тези тръби бяха изведени извън системата (например извън прозореца), тогава кухнята ще даде повече енергия, отколкото е получила, т.е. ще охлажда, а хладилникът ще работи като прозоречен климатик.

Първият закон на термодинамиката е закон на природата, който изключва създаването или унищожаването на енергия. Въпреки това не казва нищо за това как протичат процесите на пренос на енергия в природата. И така, ние знаем, че горещо тяло ще нагрее студено, ако тези тела бъдат поставени в контакт. Но може ли едно студено тяло само по себе си да предаде своя топлинен запас на горещо? Последната възможност категорично се отхвърля от втория закон на термодинамиката.

Първият принцип също така изключва възможността за създаване на двигател с коефициент на ефективност (ефективност) над 100% (такъв „вечен“ двигател може за произволен период от време да доставя повече енергия, отколкото консумира). Невъзможно е да се изгради двигател дори с ефективност от 100%, тъй като част от енергията, подадена към него, трябва задължително да бъде загубена от него под формата на по-малко полезна топлинна енергия. По този начин колелото няма да се върти дълго време без захранване с енергия, тъй като поради триенето в лагерите енергията на механичното движение постепенно ще се превърне в топлина, докато колелото спре.

Тенденцията да се преобразува "полезната" работа в по-малко полезна енергия - топлина - може да се сравни с друг процес, който възниква, когато два съда, съдържащи различни газове, са свързани. След като изчакахме достатъчно дълго, откриваме хомогенна смес от газове в двата съда - природата действа по такъв начин, че редът на системата намалява. Термодинамичната мярка за това разстройство се нарича ентропия, а вторият закон на термодинамиката може да се формулира по различен начин: процесите в природата винаги протичат по такъв начин, че ентропията на системата и нейната среда нараства. Така енергията на Вселената остава постоянна, но нейната ентропия непрекъснато нараства.

Топлина и свойства на веществата.

Различните вещества имат различни способности да съхраняват топлинна енергия; това зависи от тяхната молекулна структура и плътност. Количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на единица маса на веществото с един градус, се нарича негов специфичен топлинен капацитет. Топлинният капацитет зависи от условията, в които се намира веществото. Например, за да се нагрее един грам въздух в балон с 1 K, е необходима повече топлина, отколкото за същото нагряване в запечатан съд с твърди стени, тъй като част от енергията, предадена на балона, се изразходва за разширяване на въздуха и не при нагряване. Следователно, по-специално, топлинният капацитет на газовете се измерва отделно при постоянно налягане и при постоянен обем.

С повишаване на температурата интензивността на хаотичното движение на молекулите се увеличава - повечето вещества се разширяват при нагряване. Степента на разширение на веществото при повишаване на температурата с 1 K се нарича коефициент на топлинно разширение.

За да премине едно вещество от едно фазово състояние в друго, например от твърдо в течно (а понякога и директно в газообразно), то трябва да получи определено количество топлина. Ако нагреете твърдо вещество, температурата му ще се увеличи, докато започне да се топи; докато топенето приключи, температурата на тялото ще остане постоянна, въпреки добавянето на топлина. Количеството топлина, необходимо за стопяване на единица маса от вещество, се нарича топлина на топене. Ако загреете допълнително, разтопеното вещество ще се нагрее до кипене. Количеството топлина, необходимо за изпаряване на единица маса течност при дадена температура, се нарича топлина на изпаряване.

Молекулярно-кинетична теория.

Молекулярно-кинетичната теория обяснява макроскопичните свойства на веществото, като разглежда на микроскопично ниво поведението на атомите и молекулите, които изграждат това вещество. В този случай се използва статистически подход и се правят някои допускания относно самите частици и естеството на тяхното движение. По този начин молекулите се считат за твърди топки, които в газообразни среди са в непрекъснато хаотично движение и покриват значителни разстояния от един сблъсък до друг. Сблъсъците се считат за еластични и възникват между частици, чийто размер е малък, но техният брой е много голям. Нито един от реалните газове не отговаря точно на този модел, но повечето газове са доста близки до него, което определя практическата стойност на молекулярно-кинетичната теория.

Въз основа на тези идеи и използвайки статистически подход, Максуел извежда разпределението на скоростите на газовите молекули в ограничен обем, което по-късно е наречено на негово име. Това разпределение е представено графично на фиг. 7 за определена дадена маса водород при температури от 100 и 1000 ° C. Броят на молекулите, движещи се със скоростта, посочена на абсцисата, е нанесен по ординатната ос. Общият брой на частиците е равен на площта под всяка крива и е еднакъв и в двата случая. Графиката показва, че повечето частици имат скорости, близки до някаква средна стойност, и само малък брой имат много високи или ниски скорости. Средните скорости при посочените температури са в диапазона 2000–3000 m/s, т.е. много голям.

Голям брой такива бързо движещи се газови молекули действат с доста измерима сила върху околните тела. Микроскопичните сили, с които множество газови молекули удрят стените на контейнера, се добавят към макроскопично количество, наречено налягане. Когато се подава енергия към газ (температурата се повишава), средната кинетична енергия на неговите молекули се увеличава, частиците на газа се удрят по-често и по-силно в стените, налягането се увеличава и ако стените не са напълно твърди, тогава те се разтягат и обемът на газа се увеличава. По този начин микроскопичният статистически подход, залегнал в основата на молекулярно-кинетичната теория, ни позволява да обясним феномена на топлинното разширение, който обсъждахме.

Друг резултат от молекулярно-кинетичната теория е закон, който описва свойствата на газ, който отговаря на изискванията, изброени по-горе. Това така наречено уравнение на състоянието на идеалния газ свързва налягането, обема и температурата на един мол газ и има формата

PV = RT,

Където П- налягане, V- сила на звука, T– температура и Р– универсална газова константа, равна на (8,31441 ± 0,00026) J/(mol K). ТЕРМОДИНАМИКА.

ТОПЛОПРЕДАВАНЕ

Преносът на топлина е процес на пренасяне на топлина вътре в тялото или от едно тяло на друго поради температурни разлики. Интензивността на топлообмена зависи от свойствата на веществото, температурната разлика и се подчинява на експериментално установените закони на природата. За да създадете ефективно работещи отоплителни или охладителни системи, различни двигатели, електроцентрали и топлоизолационни системи, трябва да знаете принципите на пренос на топлина. В някои случаи топлообменът е нежелан (топлоизолация на пещи за топене, космически кораби и др.), а в други той трябва да бъде възможно най-голям (парни котли, топлообменници, кухненски прибори).

Съществуват три основни вида топлопренос: проводимост, конвекция и лъчист топлопренос.

Топлопроводимост.

Ако има температурна разлика вътре в тялото, тогава топлинната енергия се движи от по-горещата част на тялото към по-студената част. Този тип пренос на топлина, причинен от топлинни движения и сблъсъци на молекули, се нарича топлопроводимост; при достатъчно високи температури в твърди тела може да се наблюдава визуално. По този начин, когато стоманен прът се нагрява от единия край в пламъка на газова горелка, топлинната енергия се пренася по протежение на пръта и блясък се разпространява на определено разстояние от нагрятия край (все по-малко интензивен с отдалечаване от мястото на нагряване ).

Интензивността на преноса на топлина поради топлопроводимост зависи от температурния градиент, т.е. връзка Г T/Д хтемпературна разлика в краищата на пръта спрямо разстоянието между тях. Зависи също от площта на напречното сечение на пръта (в m2) и коефициента на топлопроводимост на материала [в съответните единици W/(mH K)]. Връзката между тези величини е изведена от френския математик Ж. Фурие и има следния вид:

Където р- топлинен поток, ке коефициентът на топлопроводимост, и А– площ на напречното сечение. Тази връзка се нарича закон на Фурие за топлопроводимост; знакът минус в него показва, че топлината се пренася в посока, обратна на температурния градиент.

От закона на Фурие следва, че топлинният поток може да бъде намален чрез намаляване на една от величините - коефициент на топлопроводимост, площ или температурен градиент. За сграда в зимни условия последните стойности са практически постоянни и следователно, за да се поддържа желаната температура в помещението, остава да се намали топлопроводимостта на стените, т.е. подобряват тяхната топлоизолация.

Таблицата показва коефициентите на топлопроводимост на някои вещества и материали. Таблицата показва, че някои метали провеждат топлина много по-добре от други, но всички те са значително по-добри проводници на топлина от въздуха и порестите материали.

Топлинната проводимост на металите се дължи на вибрациите на кристалната решетка и движението на голям брой свободни електрони (понякога наричани електронен газ). Движението на електроните също е отговорно за електрическата проводимост на металите, така че не е изненадващо, че добрите проводници на топлина (например сребро или мед) са и добри проводници на електричество.

Термичното и електрическото съпротивление на много вещества рязко намалява, когато температурата падне под температурата на течния хелий (1,8 K). Това явление, наречено свръхпроводимост, се използва за подобряване на ефективността на много устройства - от микроелектронни устройства до електропроводи и големи електромагнити.

Конвекция.

Както вече казахме, когато се подава топлина към течност или газ, интензивността на молекулярното движение се увеличава и в резултат на това налягането се увеличава. Ако течност или газ не са ограничени по обем, тогава те се разширяват; локалната плътност на течността (газа) става по-малка и благодарение на подемните (архимедови) сили нагрятата част от средата се движи нагоре (поради което топлият въздух в помещението се издига от радиаторите към тавана). Това явление се нарича конвекция. За да не губите топлината на отоплителната система, трябва да използвате модерни нагреватели, които осигуряват принудителна циркулация на въздуха.

Конвективният топлинен поток от нагревателя към нагрятата среда зависи от началната скорост на движение на молекулите, плътността, вискозитета, топлопроводимостта и топлинния капацитет и средата; Размерът и формата на нагревателя също са много важни. Връзката между съответните количества се подчинява на закона на Нютон

q = hA (T W - T Ґ ),

Където р– топлинен поток (измерен във ватове), А– площ на източника на топлина (в m2), T WИ TҐ – температури на източника и околната среда (в Келвин). Коефициент на конвективен топлопреминаване чзависи от свойствата на средата, началната скорост на нейните молекули, както и от формата на източника на топлина и се измерва в единици W/(m 2 H K).

величина чне е еднакъв за случаите, когато въздухът около нагревателя е неподвижен (свободна конвекция) и когато същият нагревател е във въздушен поток (принудителна конвекция). В прости случаи на поток на течност през тръба или поток около равна повърхност, коеф чможе да се изчисли теоретично. Все още обаче не е възможно да се намери аналитично решение на проблема с конвекцията за турбулентен поток на среда. Турбулентността е сложно движение на течност (газ), хаотично в мащаб, значително по-голям от молекулярния.

Ако нагрято (или, обратно, студено) тяло се постави в неподвижна среда или в поток, тогава около него се образуват конвективни течения и граничен слой. Температурата, налягането и скоростта на движение на молекулите в този слой играят важна роля при определяне на коефициента на конвективен топлопренос.

Конвекцията трябва да се вземе предвид при проектирането на топлообменници, климатични системи, високоскоростни самолети и много други приложения. Във всички такива системи топлопроводимостта възниква едновременно с конвекцията, както между твърдите тела, така и в тяхната среда. При повишени температури лъчистият топлопренос също може да играе важна роля.

Лъчист пренос на топлина.

Третият тип топлопредаване - лъчист топлопренос - се различава от топлопроводимостта и конвекцията по това, че топлината в този случай може да се пренася през вакуум. Неговото сходство с други методи за пренос на топлина е, че той също се причинява от температурни разлики. Топлинното излъчване е вид електромагнитно излъчване. Другите му видове - радиовълни, ултравиолетови и гама лъчения - възникват при липса на температурна разлика.

На фиг. Фигура 8 показва зависимостта на енергията на топлинното (инфрачервено) излъчване от дължината на вълната. Топлинното излъчване може да бъде придружено от излъчване на видима светлина, но неговата енергия е малка в сравнение с енергията на излъчване от невидимата част на спектъра.

Интензитетът на пренос на топлина чрез проводимост и конвекция е пропорционален на температурата, а лъчистият топлинен поток е пропорционален на четвъртата степен на температурата и се подчинява на закона на Стефан-Болцман

където, както преди, р– топлинен поток (в джаули за секунда, т.е. във W), Ае повърхността на излъчващото тяло (в m2), и T 1 и T 2 – температури (в Келвини) на излъчващото тяло и околната среда, поглъщаща това лъчение. Коефициент ссе нарича константа на Стефан–Болцман и е равна на (5,66961 ± 0,00096) H 10 –8 W/(m 2 H K 4).

Представеният закон за топлинното излъчване е валиден само за идеален излъчвател - така нареченото абсолютно черно тяло. Никое истинско тяло не е такова, въпреки че плоската черна повърхност по своите свойства се доближава до абсолютно черно тяло. Светлите повърхности излъчват относително слабо. За да се вземе предвид отклонението от идеалността на множество "сиви" тела, в дясната страна на израза, описващ закона на Стефан-Болцман, се въвежда коефициент, по-малък от единица, наречен емисионна способност. За плоска черна повърхност този коефициент може да достигне 0,98, а за полирано метално огледало не надвишава 0,05. Съответно капацитетът за поглъщане на радиация е висок за черно тяло и нисък за огледално тяло.

Жилищните и офис помещения често се отопляват с малки електрически топлоизлъчватели; червеникавият блясък на техните спирали е видимо топлинно излъчване, близо до границата на инфрачервената част на спектъра. Помещението се загрява от топлина, която се носи основно от невидимата, инфрачервена част на лъчението. Устройствата за нощно виждане използват източник на топлинно излъчване и инфрачервен приемник, за да позволят виждане на тъмно.

Слънцето е мощен излъчвател на топлинна енергия; нагрява Земята дори на разстояние от 150 милиона км. Интензитетът на слънчевата радиация, регистриран година след година от станции, разположени в много части на земното кълбо, е приблизително 1,37 W/m2. Слънчевата енергия е източникът на живот на Земята. Търсят се начини за най-ефективното му използване. Слънчевите панели са създадени за отопление на къщи и генериране на електричество за битови нужди.

РОЛЯ НА ТОПЛИНАТА И НЕЙНОТО ИЗПОЛЗВАНЕ

Преносът на топлина (поради топлопроводимост) от разтопеното ядро ​​на Земята към нейната повърхност води до вулканични изригвания и появата на гейзери. В някои региони геотермалната енергия се използва за отопление на помещения и производство на електроенергия.

Топлината е незаменим участник в почти всички производствени процеси. Нека споменем най-важните от тях, като топене и обработка на метали, работа на двигатели, производство на храни, химически синтез, рафиниране на нефт и производството на голямо разнообразие от предмети - от тухли и съдове до автомобили и електронни устройства.

Много промишлени производства и транспорт, както и топлоелектрически централи не биха могли да работят без топлинни двигатели - устройства, които превръщат топлината в полезна работа. Примери за такива машини включват компресори, турбини, парни, бензинови и реактивни двигатели.

Един от най-известните топлинни двигатели е парната турбина, която реализира част от цикъла на Ранкин, използван в съвременните електроцентрали. Опростена диаграма на този цикъл е показана на фиг. 9. Работният флуид - вода - се превръща в прегрята пара в парен котел, загрят чрез изгаряне на изкопаеми горива (въглища, нефт или природен газ). Парата под високо налягане върти вала на парна турбина, която задвижва генератор, който произвежда електричество. Отработената пара кондензира, когато се охлажда от течаща вода, която абсорбира част от топлината, която не се използва в цикъла на Ранкин. След това водата се подава в охладителната кула, откъдето част от топлината се отделя в атмосферата. Кондензатът се връща в парния котел с помощта на помпа и целият цикъл се повтаря.

Всички процеси в цикъла на Ранкин илюстрират принципите на термодинамиката, описани по-горе. По-специално, според втория закон, част от енергията, консумирана от електроцентрала, трябва да се разсейва в околната среда под формата на топлина. Оказва се, че приблизително 68% от енергията, първоначално съдържаща се в изкопаемите горива, се губи по този начин. Забележимо повишаване на ефективността на една електроцентрала може да се постигне само чрез повишаване на температурата на парния котел (която е ограничена от топлоустойчивостта на материалите) или понижаване на температурата на средата, в която отива топлината, т.е. атмосфера.

Друг термодинамичен цикъл, който е от голямо значение в нашето ежедневие, е цикълът на хладилния компресор на Ранкин, чиято диаграма е показана на фиг. 10. В хладилниците и битовите климатици енергията за осигуряването му се доставя отвън. Компресорът повишава температурата и налягането на работното вещество на хладилника – фреон, амоняк или въглероден диоксид. Прегрятият газ се подава към кондензатора, където се охлажда и кондензира, отделяйки топлина в околната среда. Течността, напускаща тръбите на кондензатора, преминава през дроселиращата клапа в изпарителя и част от нея се изпарява, което е придружено от рязък спад на температурата. Изпарителят отнема топлина от хладилната камера, която загрява работния флуид в тръбите; тази течност се подава от компресора към кондензатора и цикълът се повтаря отново.

Хладилният цикъл, показан на фиг. 10, може да се използва и в термопомпа. Такива термопомпи през лятото отдават топлина на горещ атмосферен въздух и кондиционират помещението, а през зимата, напротив, отнемат топлина от студения въздух и затоплят помещението.

Ядрените реакции са важен източник на топлина за цели като производство на електроенергия и транспорт. През 1905 г. А. Айнщайн показа, че масата и енергията са свързани по отношение E=mc 2, т.е. могат да се трансформират един в друг. Скоростта на светлината ° Смного висока: 300 хиляди км/с. Това означава, че дори малко количество вещество може да осигури огромно количество енергия. Така от 1 kg делящ се материал (например уран) теоретично е възможно да се получи енергията, която една електроцентрала с мощност 1 MW осигурява за 1000 дни непрекъсната работа.

Определение

Количеството топлинаили просто топлина($Q$) е вътрешната енергия, която без извършване на работа се предава от тела с по-висока температура към тела с по-ниска температура в процесите на топлопроводимост или излъчване.

Джаул е единица за измерване на количеството топлина в системата SI

Единицата за топлина може да се получи от първия закон на термодинамиката:

\[\Делта Q=A+\Делта U\ \вляво(1\вдясно),\]

където $A$ е работата на термодинамичната система; $\Delta U$ - изменение на вътрешната енергия на системата; $\Delta Q$ е количеството топлина, подадено към системата.

От закон (1) и още повече от неговата версия за изотермичен процес:

\[\Делта Q=A\ \вляво(2\вдясно).\]

Очевидно в Международната система от единици (SI) джаулът (J) е единица за енергия и работа.

Лесно е да изразим джаула в основни единици, ако използваме определението за енергия ($E$) във формата:

където $c$ е скоростта на светлината; $m$ е телесно тегло. Въз основа на израз (2) имаме:

\[\left=\left=kg\cdot (\left(\frac(m)(s)\right))^2=\frac(kg\cdot m^2)(s^2).\]

Всички стандартни SI префикси се използват с джаула, обозначавайки десетични подкратни и кратни. Например $1kJ=(10)^3J$; 1MJ =$(10)^6J$; 1 GJ=$(10)^9J$.

Erg е единица за измерване на количеството топлина в CGS системата

В системата CGS (сантиметър, грам, секунда) топлината се измерва в ergs (ergs). В този случай един erg е равен на:

като се има предвид, че:

получаваме връзката между джаул и ерг:

Калория - единица за измерване на количеството топлина

Калорията се използва като извънсистемна единица за измерване на количеството топлина. Една калория е равна на количеството топлина, което трябва да се предаде на вода с тегло един килограм, за да се загрее с един градус по Целзий. Връзката между джаул и калории е следната:

За да бъдем по-точни, те разграничават:

• Международна калория, тя е равна на:
\
• термохимична калория:
\
• 15 градуса калории, използвани за топлинни измервания:
\

Калориите често се използват с десетични префикси, като например: kcal (килокалория) $1kcal=(10)^3cal$; Mcal (мегакалория) 1 Mcal =$(10)^6cal$; Gcal (гигакалория) 1 Gcal=$(10)^9cal$.

Понякога килокалория се нарича голяма калория или килокалория.

Примери за задачи с решения

Пример 1

Упражнение.Колко топлина се абсорбира от водород с тегло $m=0,2$kg, когато се нагрява от $t_1=0(\rm()^\circ\!C)$ до $t_2=100(\rm()^\circ\ !C)$ при постоянно налягане? Напишете отговора си в килоджаули.

Решение.Нека напишем първия закон на термодинамиката:

\[\Делта Q=A+\Делта U\ \вляво(1.1\вдясно).\]

\[\Delta U=\frac(i)(2)\frac(m)(\mu )R\Delta T\ \left(1.2\right),\]

където $i=5$ е броят на степените на свобода на водородната молекула; $\mu =2\cdot (10)^(-3)\frac(kg)(mol)$; $R=8,31\\frac(J)(mol\cdot K)$; $\Делта T=t_2-t_1$. По условие имаме работа с изобарен процес. Работата в изобарен процес е равна на:

Като вземем предвид изразите (1.2) и (1.3), преобразуваме първия закон на термодинамиката за изобарен процес във формата:

\[\Delta Q=\frac(m)(\mu )R\Delta T\ +\frac(i)(2)\frac(m)(\mu )R\Delta T=\frac(m)(\ mu )R\Delta T\left(1+\frac(i)(2)\right)\ \left(1.4\right).\]

Нека проверим в какви единици се измерва топлината, ако се изчислява по формула (1.4):

\[\left[\Delta Q\right]=\left[\frac(m)(\mu )R\Delta T\left(1+\frac(i)(2)\right)\right]=\left [\frac(m)(\mu )R\Delta T\right]=\frac(\left)(\left[\mu \right])\left\left[\Delta T\right]=\frac(kg )(kg/mol)\cdot \frac(J)(mol\cdot K)\cdot K=J.\]

Нека направим изчисленията:

\[\Delta Q=\frac(0.2)(2 (10)^(-3))\cdot 8.31\cdot 100\left(1+\frac(5)(2)\right)\приблизително 291\cdot ( 10)^3\наляво(J\надясно)=291\ \наляво(kJ\надясно).\]

Отговор.$\Делта Q=291\ $ kJ

Пример 2

Упражнение.Хелий, имащ маса $m=1\ g$, беше нагрят до 100 K в процеса, показан на фиг. 1. Колко топлина се предава на газа? Напишете отговора си в единици GHS.

Решение.Фигура 1 показва изохоричен процес. За такъв процес записваме първия закон на термодинамиката като:

\[\Делта Q=\Делта U\ \вляво(2.1\вдясно).\]

Намираме промяната във вътрешната енергия като:

\[\Delta U=\frac(i)(2)\frac(m)(\mu )R\Delta T\ \left(2.2\right),\]

където $i=3$ е броят на степените на свобода на молекулата на хелия; $\mu =4\frac(g)(mol)$; $R=8,31\cdot (10)^7\ \frac(erg)(mol\cdot K)$; $\Delta T=100\ K.$ Всички стойности са записани в SGS. Нека направим изчисленията:

\[\Delta Q=\frac(3)(2)\cdot \frac(1)(4)\cdot 8,31\cdot (10)^7\cdot 100\приблизително 3\cdot (10)^9( erg) \ \]

Отговор.$\Делта Q=3\cdot (10)^9$ ерг

Топлинната енергия е система за измерване на топлината, изобретена и използвана преди два века. Основното правило за работа с тази стойност беше, че топлинната енергия се запазва и не може просто да изчезне, а може да се трансформира в друг вид енергия.

Има няколко общоприети единици топлинна енергия. Те се използват главно в промишлени сектори като. Най-често срещаните са описани по-долу:

Всяка мерна единица, включена в системата SI, има за цел да определи общото количество на един или друг вид енергия, като топлина или електричество. Времето и количеството на измерване не влияят на тези стойности, поради което те могат да се използват както за консумирана, така и за вече изразходвана енергия. Освен това всяко предаване и приемане, както и загубите, също се изчисляват в такива количества.

Къде се използват мерните единици за топлинна енергия?

Енергийни единици, преобразувани в топлина

За илюстративни цели по-долу са дадени сравнения на различни популярни SI индекси с топлинна енергия:

• 1 GJ е равен на 0,24 Gcal, което в електрически еквивалент е равно на 3400 милиона kW на час. В еквивалент на топлинна енергия 1 GJ = 0,44 тона пара;
• В същото време 1 Gcal = 4,1868 GJ = 16 000 милиона kW на час = 1,9 тона пара;
• 1 тон пара се равнява на 2,3 GJ = 0,6 Gcal = 8200 kW на час.

В този пример дадената стойност на пара се приема като изпарение на вода при достигане на 100°C.

За изчисляване на количеството топлина се използва следният принцип: за да се получат данни за количеството топлина, тя се използва при нагряване на течността, след което масата на водата се умножава по температурата на покълване. Ако в SI масата на течността се измерва в килограми, а температурните разлики в градуси по Целзий, тогава резултатът от такива изчисления ще бъде количеството топлина в килокалории.

Ако има нужда от прехвърляне на топлинна енергия от едно физическо тяло към друго и искате да разберете възможните загуби, тогава трябва да умножите масата на получената топлина от веществото по температурата на увеличението и след това да разберете продукта на получената стойност от „специфичната топлина“ на веществото.