Υπολογισμός της ποσότητας θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του σώματος ή που απελευθερώνεται από αυτό κατά την ψύξη. Ποσότητα θερμότητας. Ειδική θερμότητα

1. Η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας κάνοντας εργασία χαρακτηρίζεται από την ποσότητα της εργασίας, δηλ. Η εργασία είναι ένα μέτρο της αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας σε μια δεδομένη διαδικασία. Η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του σώματος κατά τη μεταφορά θερμότητας χαρακτηρίζεται από μια τιμή που ονομάζεται ποσότητα θερμότητας.

Η ποσότητα θερμότητας είναι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του σώματος κατά τη διαδικασία μεταφοράς θερμότητας χωρίς να κάνει εργασία.

Η ποσότητα της θερμότητας συμβολίζεται με το γράμμα ​ \ (Q \) . Δεδομένου ότι η ποσότητα της θερμότητας είναι ένα μέτρο της μεταβολής της εσωτερικής ενέργειας, η μονάδα της είναι το τζάουλ (1 J).

Όταν ένα σώμα μεταφέρει μια συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας χωρίς να κάνει εργασία, η εσωτερική του ενέργεια αυξάνεται, εάν ένα σώμα εκπέμπει μια συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας, τότε η εσωτερική του ενέργεια μειώνεται.

2. Εάν ρίξετε 100 g νερό σε δύο ίδια δοχεία και 400 g σε ένα άλλο στην ίδια θερμοκρασία και τα βάλετε στους ίδιους καυστήρες, τότε το νερό στο πρώτο δοχείο θα βράσει νωρίτερα. Έτσι, όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα του σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα θερμότητας που χρειάζεται για να θερμανθεί. Το ίδιο συμβαίνει και με την ψύξη: ένα σώμα μεγαλύτερης μάζας, όταν ψυχθεί, εκπέμπει μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας. Αυτά τα σώματα αποτελούνται από την ίδια ουσία και θερμαίνονται ή ψύχονται κατά τον ίδιο αριθμό μοιρών.

​3. Αν τώρα ζεστάνουμε 100 g νερό από 30 έως 60 °C, δηλ. κατά 30 °С, και στη συνέχεια έως 100 °С, δηλ. κατά 70 °C, τότε στην πρώτη περίπτωση, η θέρμανση θα διαρκέσει λιγότερο χρόνο από ό,τι στη δεύτερη και, κατά συνέπεια, λιγότερη θερμότητα θα δαπανηθεί για τη θέρμανση του νερού κατά 30 °C από τη θέρμανση του νερού κατά 70 °C. Έτσι, η ποσότητα της θερμότητας είναι ευθέως ανάλογη με τη διαφορά μεταξύ της τελικής ​\((t_2\,^\circ C) \) και της αρχικής \((t_1\,^\circ C) \) θερμοκρασιών: ​\(Q \sim(t_2- t_1) \) .

4. Εάν τώρα χυθούν 100 γραμμάρια νερού σε ένα δοχείο και χυθεί λίγο νερό σε άλλο παρόμοιο σκεύος και τοποθετηθεί ένα μεταλλικό σώμα σε αυτό ώστε η μάζα του και η μάζα του νερού να είναι 100 γραμμάρια και τα δοχεία να θερμανθούν στο ίδιο πλακάκια, τότε μπορεί να φανεί ότι σε ένα δοχείο που περιέχει μόνο νερό θα έχει χαμηλότερη θερμοκρασία από ένα που περιέχει νερό και μεταλλικό σώμα. Επομένως, για να είναι ίδια η θερμοκρασία του περιεχομένου και στα δύο δοχεία, πρέπει να μεταφερθεί μεγαλύτερη ποσότητα θερμότητας στο νερό παρά στο νερό και στο μεταλλικό σώμα. Έτσι, η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος εξαρτάται από το είδος της ουσίας από την οποία είναι φτιαγμένο αυτό το σώμα.

5. Η εξάρτηση της ποσότητας θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του σώματος από τον τύπο της ουσίας χαρακτηρίζεται από μια φυσική ποσότητα που ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητα μιας ουσίας.

Μια φυσική ποσότητα ίση με την ποσότητα θερμότητας που πρέπει να αναφερθεί σε 1 kg μιας ουσίας για να θερμανθεί κατά 1 ° C (ή 1 K) ονομάζεται ειδική θερμότητα της ουσίας.

Την ίδια ποσότητα θερμότητας εκπέμπει 1 kg μιας ουσίας όταν ψύχεται κατά 1 °C.

Η ειδική θερμοχωρητικότητα συμβολίζεται με το γράμμα ​ \ (c \) . Η μονάδα ειδικής θερμοχωρητικότητας είναι 1 J/kg °C ή 1 J/kg K.

Οι τιμές της ειδικής θερμοχωρητικότητας των ουσιών προσδιορίζονται πειραματικά. Τα υγρά έχουν μεγαλύτερη ειδική θερμοχωρητικότητα από τα μέταλλα. Το νερό έχει την υψηλότερη ειδική θερμοχωρητικότητα, ο χρυσός έχει πολύ μικρή ειδική θερμοχωρητικότητα.

Η ειδική θερμοχωρητικότητα του μολύβδου είναι 140 J/kg °C. Αυτό σημαίνει ότι για να θερμανθεί 1 kg μολύβδου κατά 1 °C, είναι απαραίτητο να δαπανηθεί ποσότητα θερμότητας 140 J. Η ίδια ποσότητα θερμότητας θα απελευθερωθεί όταν 1 kg νερού κρυώσει κατά 1 °C.

Δεδομένου ότι η ποσότητα της θερμότητας είναι ίση με τη μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του σώματος, μπορούμε να πούμε ότι η ειδική θερμοχωρητικότητα δείχνει πόσο αλλάζει η εσωτερική ενέργεια 1 kg μιας ουσίας όταν η θερμοκρασία της αλλάζει κατά 1 ° C. Συγκεκριμένα, η εσωτερική ενέργεια 1 kg μολύβδου, όταν θερμαίνεται κατά 1 °C, αυξάνεται κατά 140 J και όταν ψύχεται, μειώνεται κατά 140 J.

Η ποσότητα θερμότητας ​\(Q \) ​ που απαιτείται για να θερμανθεί ένα σώμα μάζας ​\(m\) ​ από μια θερμοκρασία \((t_1\,^\circ C) \) σε μια θερμοκρασία \((t_2\, ^\circ C) \) , ισούται με το γινόμενο της ειδικής θερμότητας της ουσίας, της μάζας σώματος και της διαφοράς μεταξύ της τελικής και αρχικής θερμοκρασίας, δηλ.

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

Ο ίδιος τύπος χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ποσότητας θερμότητας που εκπέμπει το σώμα όταν ψύχεται. Μόνο σε αυτή την περίπτωση θα πρέπει να αφαιρεθεί η τελική θερμοκρασία από την αρχική θερμοκρασία, δηλ. Αφαιρέστε τη μικρότερη θερμοκρασία από τη μεγαλύτερη.

6. Παράδειγμα λύσης προβλήματος. Ένα ποτήρι ζέσεως που περιέχει 200 ​​g νερό σε θερμοκρασία 80°C χύνεται με 100 g νερό σε θερμοκρασία 20°C. Μετά από αυτό, η θερμοκρασία των 60 °C καθορίστηκε στο δοχείο. Πόση θερμότητα δέχεται το κρύο νερό και πόση εκπέμπεται από το ζεστό νερό;

Κατά την επίλυση ενός προβλήματος, πρέπει να εκτελέσετε την ακόλουθη σειρά ενεργειών:

1. καταγράψτε εν συντομία την κατάσταση του προβλήματος.
2. μετατροπή τιμών ποσοτήτων σε SI.
3. να αναλύσει το πρόβλημα, να καθορίσει ποια σώματα συμμετέχουν στην ανταλλαγή θερμότητας, ποια σώματα εκπέμπουν ενέργεια και ποια τη λαμβάνουν.
4. λύσει το πρόβλημα με γενικό τρόπο.
5. εκτελούν υπολογισμούς?
6. αναλύσει τη ληφθείσα απάντηση.

1. Το έργο.

Δεδομένος:
\\ (m_1 \) \u003d 200 g
\(m_2 \) \u003d 100 g
​ \ (t_1 \) \u003d 80 ° C
​ \ (t_2 \) \u003d 20 ° C
​ \ (t \) \u003d 60 ° С
______________

​\(Q_1 \) ​ — ? ​\(Q_2 \) ​ — ?
​ \ (c_1 \) ​ \u003d 4200 J / kg ° С

2. ΣΙ:\\ (m_1 \) \u003d 0,2 kg; ​ \ (m_2 \) \u003d 0,1 kg.

3. Ανάλυση εργασιών. Το πρόβλημα περιγράφει τη διαδικασία ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ ζεστού και κρύου νερού. Το ζεστό νερό εκπέμπει την ποσότητα της θερμότητας ​\(Q_1 \) ​ και ψύχεται από τη θερμοκρασία ​\(t_1 \) ​ στη θερμοκρασία ​\(t \) . Το κρύο νερό δέχεται την ποσότητα της θερμότητας ​\(Q_2 \) ​ και θερμαίνεται από τη θερμοκρασία ​\(t_2 \) ​ στη θερμοκρασία ​\(t \) .

4. Λύση του προβλήματος σε γενική μορφή. Η ποσότητα θερμότητας που εκπέμπεται από το ζεστό νερό υπολογίζεται με τον τύπο: ​\(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) .

Η ποσότητα θερμότητας που δέχεται το κρύο νερό υπολογίζεται με τον τύπο: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) .

5. Χρήση υπολογιστή.
​ \ (Q_1 \) \u003d 4200 J / kg ° C 0,2 kg 20 ° C \u003d 16800 J
\ (Q_2 \) \u003d 4200 J / kg ° C 0,1 kg 40 ° C \u003d 16800 J

6. Στην απάντηση, προέκυψε ότι η ποσότητα θερμότητας που εκπέμπεται από το ζεστό νερό είναι ίση με την ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται από το κρύο νερό. Σε αυτή την περίπτωση, εξετάστηκε μια εξιδανικευμένη κατάσταση και δεν ελήφθη υπόψη ότι χρησιμοποιήθηκε μια συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας για τη θέρμανση του ποτηριού στο οποίο βρισκόταν το νερό και του περιβάλλοντος αέρα. Στην πραγματικότητα, η ποσότητα θερμότητας που εκπέμπεται από το ζεστό νερό είναι μεγαλύτερη από την ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται από το κρύο νερό.

Μέρος 1

1. Η ειδική θερμοχωρητικότητα του αργύρου είναι 250 J/(kg °C). Τι σημαίνει αυτό?

1) κατά την ψύξη 1 kg ασημιού στους 250 ° C, απελευθερώνεται ποσότητα θερμότητας 1 J
2) κατά την ψύξη 250 kg αργύρου ανά 1 °C, απελευθερώνεται ποσότητα θερμότητας 1 J
3) όταν 250 kg αργύρου κρυώσουν κατά 1 °C, απορροφάται η ποσότητα θερμότητας 1 J
4) όταν 1 κιλό ασήμι κρυώσει κατά 1 °C, απελευθερώνεται ποσότητα θερμότητας 250 J

2. Η ειδική θερμοχωρητικότητα του ψευδαργύρου είναι 400 J/(kg °C). Αυτό σημαίνει ότι

1) όταν 1 kg ψευδάργυρου θερμαίνεται στους 400 °C, η εσωτερική του ενέργεια αυξάνεται κατά 1 J
2) όταν 400 kg ψευδάργυρου θερμαίνονται κατά 1 °C, η εσωτερική του ενέργεια αυξάνεται κατά 1 J
3) για να θερμανθούν 400 kg ψευδάργυρου κατά 1 ° C, είναι απαραίτητο να ξοδέψετε 1 J ενέργειας
4) όταν 1 kg ψευδάργυρου θερμαίνεται κατά 1 °C, η εσωτερική του ενέργεια αυξάνεται κατά 400 J

3. Κατά τη μεταφορά της ποσότητας θερμότητας ​\(Q \) σε ένα στερεό σώμα με μάζα ​\(m\), η θερμοκρασία του σώματος αυξήθηκε κατά ​\(\Δέλτα t^\circ \) . Ποια από τις παρακάτω εκφράσεις καθορίζει την ειδική θερμοχωρητικότητα της ουσίας αυτού του σώματος;

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

4. Το σχήμα δείχνει ένα γράφημα της ποσότητας θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση δύο σωμάτων (1 και 2) της ίδιας μάζας σε θερμοκρασία. Συγκρίνετε τις τιμές της ειδικής θερμοχωρητικότητας (​\(c_1 \) ​ και ​\(c_2 \) ) των ουσιών από τις οποίες είναι κατασκευασμένα αυτά τα σώματα.

1) ​\(c_1=c_2 \) ​
2) ​\(c_1>c_2 \) ​
3) \(c_1 4) η απάντηση εξαρτάται από την τιμή της μάζας των σωμάτων

5. Το διάγραμμα δείχνει τις τιμές της ποσότητας θερμότητας που μεταφέρεται σε δύο σώματα ίσης μάζας όταν η θερμοκρασία τους αλλάζει κατά τον ίδιο αριθμό μοιρών. Ποια αναλογία για τις ειδικές θερμοχωρητικότητες των ουσιών από τις οποίες κατασκευάζονται τα σώματα είναι σωστή;

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

6. Το σχήμα δείχνει ένα γράφημα της εξάρτησης της θερμοκρασίας ενός στερεού σώματος από την ποσότητα θερμότητας που εκπέμπεται από αυτό. Σωματικό βάρος 4 κιλά. Ποια είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα της ουσίας αυτού του σώματος;

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

7. Όταν θερμάνθηκε μια κρυσταλλική ουσία βάρους 100 g, μετρήθηκε η θερμοκρασία της ουσίας και η ποσότητα θερμότητας που μεταδόθηκε στην ουσία. Τα δεδομένα των μετρήσεων παρουσιάστηκαν με τη μορφή πίνακα. Υποθέτοντας ότι οι απώλειες ενέργειας μπορούν να αγνοηθούν, προσδιορίστε την ειδική θερμοχωρητικότητα μιας ουσίας σε στερεή κατάσταση.

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

8. Για να θερμανθούν 192 g μολυβδαινίου κατά 1 K, είναι απαραίτητο να μεταφερθεί σε αυτό ποσότητα θερμότητας 48 J. Ποια είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα αυτής της ουσίας;

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

9. Πόση θερμότητα χρειάζεται για να θερμανθούν 100 g μολύβδου από τους 27 στους 47 °C;

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

10. Η ίδια ποσότητα θερμότητας δαπανήθηκε για τη θέρμανση ενός τούβλου από 20 έως 85 °C όπως για τη θέρμανση νερού της ίδιας μάζας κατά 13 °C. Η ειδική θερμοχωρητικότητα ενός τούβλου είναι

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

11. Από την παρακάτω λίστα δηλώσεων, επιλέξτε τις δύο σωστές και σημειώστε τους αριθμούς τους στον πίνακα.

1) Η ποσότητα θερμότητας που λαμβάνει ένα σώμα όταν η θερμοκρασία του αυξάνεται κατά έναν ορισμένο αριθμό βαθμών είναι ίση με την ποσότητα θερμότητας που εκπέμπει αυτό το σώμα όταν η θερμοκρασία του πέφτει κατά τον ίδιο αριθμό βαθμών.
2) Όταν μια ουσία ψύχεται, η εσωτερική της ενέργεια αυξάνεται.
3) Η ποσότητα θερμότητας που δέχεται μια ουσία όταν θερμαίνεται πηγαίνει κυρίως για να αυξήσει την κινητική ενέργεια των μορίων της.
4) Η ποσότητα θερμότητας που λαμβάνει μια ουσία όταν θερμαίνεται πηγαίνει κυρίως για να αυξήσει τη δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης των μορίων της
5) Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μπορεί να αλλάξει μόνο δίνοντάς του μια συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας

12. Ο πίνακας δείχνει τα αποτελέσματα των μετρήσεων της μάζας ​\(m\) ​, των μεταβολών της θερμοκρασίας ​\(\Δέλτα t\) ​ και της ποσότητας θερμότητας ​\(Q \) ​ που απελευθερώνεται κατά την ψύξη των κυλίνδρων από χαλκό ή αλουμίνιο.

Ποιες δηλώσεις είναι συνεπείς με τα αποτελέσματα του πειράματος; Επιλέξτε τα σωστά δύο από τη λίστα που παρέχεται. Καταγράψτε τους αριθμούς τους. Με βάση τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, μπορεί να υποστηριχθεί ότι η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται κατά την ψύξη,

1) εξαρτάται από την ουσία από την οποία είναι κατασκευασμένος ο κύλινδρος.
2) δεν εξαρτάται από την ουσία από την οποία είναι κατασκευασμένος ο κύλινδρος.
3) αυξάνεται με την αύξηση της μάζας του κυλίνδρου.
4) αυξάνεται με την αύξηση της διαφοράς θερμοκρασίας.
5) η ειδική θερμοχωρητικότητα του αλουμινίου είναι 4 φορές μεγαλύτερη από την ειδική θερμοχωρητικότητα του κασσίτερου.

Μέρος 2ο

Γ1.Ένα συμπαγές σώμα βάρους 2 κιλών τοποθετείται σε φούρνο 2 kW και θερμαίνεται. Το σχήμα δείχνει την εξάρτηση της θερμοκρασίας ​\(t \) ​ αυτού του σώματος από το χρόνο θέρμανσης ​\(\tau \) . Ποια είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα μιας ουσίας;

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

Απαντήσεις

(ή μεταφορά θερμότητας).

Ειδική θερμοχωρητικότητα μιας ουσίας.

Θερμοχωρητικότηταείναι η ποσότητα θερμότητας που απορροφάται από το σώμα όταν θερμαίνεται κατά 1 βαθμό.

Η θερμοχωρητικότητα του σώματος υποδεικνύεται με κεφαλαίο λατινικό γράμμα ΜΕ.

Τι καθορίζει τη θερμοχωρητικότητα ενός σώματος; Πρώτα απ 'όλα, από τη μάζα του. Είναι σαφές ότι η θέρμανση, για παράδειγμα, 1 κιλού νερού θα απαιτήσει περισσότερη θερμότητα από τη θέρμανση 200 γραμμαρίων.

Τι γίνεται με το είδος της ουσίας; Ας κάνουμε ένα πείραμα. Ας πάρουμε δύο πανομοιότυπα δοχεία και, ρίχνοντας νερό βάρους 400 g σε ένα από αυτά και φυτικό λάδι βάρους 400 g στο άλλο, θα αρχίσουμε να τα θερμαίνουμε με τη βοήθεια πανομοιότυπων καυστήρων. Παρατηρώντας τις ενδείξεις των θερμομέτρων, θα δούμε ότι το λάδι θερμαίνεται γρήγορα. Για να ζεστάνετε νερό και λάδι στην ίδια θερμοκρασία, το νερό πρέπει να ζεσταθεί περισσότερο. Αλλά όσο περισσότερο ζεσταίνουμε το νερό, τόσο περισσότερη θερμότητα δέχεται από τον καυστήρα.

Έτσι, για να θερμανθεί η ίδια μάζα διαφορετικών ουσιών στην ίδια θερμοκρασία, απαιτούνται διαφορετικές ποσότητες θερμότητας. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος και, κατά συνέπεια, η θερμοχωρητικότητα του εξαρτάται από το είδος της ουσίας από την οποία αποτελείται αυτό το σώμα.

Έτσι, για παράδειγμα, για να αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού με μάζα 1 kg κατά 1 ° C, απαιτείται ποσότητα θερμότητας ίση με 4200 J και για να θερμανθεί η ίδια μάζα ηλιελαίου κατά 1 ° C, μια ποσότητα απαιτείται θερμότητα ίση με 1700 J.

Η φυσική ποσότητα που δείχνει πόση θερμότητα απαιτείται για να θερμανθεί 1 kg μιας ουσίας κατά 1 ºС ονομάζεται ειδική θερμότητααυτή την ουσία.

Κάθε ουσία έχει τη δική της ειδική θερμοχωρητικότητα, η οποία συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα c και μετράται σε τζάουλ ανά χιλιόγραμμο βαθμό (J / (kg ° C)).

Η ειδική θερμοχωρητικότητα της ίδιας ουσίας σε διαφορετικές αθροιστικές καταστάσεις (στερεό, υγρό και αέριο) είναι διαφορετική. Για παράδειγμα, η ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού είναι 4200 J/(kg ºС) και η ειδική θερμοχωρητικότητα του πάγου είναι 2100 J/(kg ºС). Το αλουμίνιο στη στερεή κατάσταση έχει ειδική θερμοχωρητικότητα 920 J/(kg - °C), και στην υγρή κατάσταση είναι 1080 J/(kg - °C).

Σημειώστε ότι το νερό έχει πολύ υψηλή ειδική θερμοχωρητικότητα. Επομένως, το νερό στις θάλασσες και τους ωκεανούς, που θερμαίνεται το καλοκαίρι, απορροφά μεγάλη ποσότητα θερμότητας από τον αέρα. Λόγω αυτού, σε εκείνα τα μέρη που βρίσκονται κοντά σε μεγάλα υδάτινα σώματα, το καλοκαίρι δεν είναι τόσο ζεστό όσο σε μέρη μακριά από το νερό.

Υπολογισμός της ποσότητας θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του σώματος ή που απελευθερώνεται από αυτό κατά την ψύξη.

Από τα προηγούμενα, είναι σαφές ότι η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του σώματος εξαρτάται από τον τύπο της ουσίας από την οποία αποτελείται το σώμα (δηλαδή την ειδική θερμοχωρητικότητα του) και από τη μάζα του σώματος. Είναι επίσης σαφές ότι η ποσότητα της θερμότητας εξαρτάται από το πόσους βαθμούς πρόκειται να αυξήσουμε τη θερμοκρασία του σώματος.

Έτσι, για να προσδιορίσετε την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του σώματος ή που απελευθερώνεται από αυτό κατά την ψύξη, πρέπει να πολλαπλασιάσετε την ειδική θερμότητα του σώματος με τη μάζα του και τη διαφορά μεταξύ της τελικής και αρχικής θερμοκρασίας του:

Q = εκ (t 2 - t 1 ) ,

Οπου Q- ποσότητα θερμότητας, ντοείναι η ειδική θερμοχωρητικότητα, Μ- μάζα σώματος , t 1 - αρχική θερμοκρασία, t 2 είναι η τελική θερμοκρασία.

Όταν το σώμα θερμαίνεται t 2 > t 1 και ως εκ τούτου Q > 0 . Όταν το σώμα κρυώσει t 2 και< t 1 και ως εκ τούτου Q< 0 .

Αν είναι γνωστή η θερμοχωρητικότητα ολόκληρου του σώματος ΜΕ, Qκαθορίζεται από τον τύπο:

Q \u003d C (t 2 - t 1 ) .

Το περιεχόμενο του άρθρου

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ,το κινητικό μέρος της εσωτερικής ενέργειας μιας ουσίας, που καθορίζεται από την έντονη χαοτική κίνηση των μορίων και των ατόμων από τα οποία αποτελείται αυτή η ουσία. Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της έντασης της μοριακής κίνησης. Η ποσότητα θερμότητας που κατέχει ένα σώμα σε μια δεδομένη θερμοκρασία εξαρτάται από τη μάζα του. για παράδειγμα, στην ίδια θερμοκρασία, περισσότερη θερμότητα περιέχεται σε ένα μεγάλο φλιτζάνι νερό από ό,τι σε ένα μικρό, και σε έναν κουβά κρύο νερό μπορεί να είναι περισσότερη από ένα φλιτζάνι ζεστό νερό (αν και η θερμοκρασία του νερού σε ο κάδος είναι χαμηλότερος).

Η θερμότητα παίζει σημαντικό ρόλο στη ζωή του ανθρώπου, συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας του σώματός του. Μέρος της χημικής ενέργειας που περιέχεται στα τρόφιμα μετατρέπεται σε θερμότητα, λόγω της οποίας η θερμοκρασία του σώματος διατηρείται κοντά στους 37 ° C. Η θερμική ισορροπία του ανθρώπινου σώματος εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και οι άνθρωποι αναγκάζονται να ξοδεύουν πολλή ενέργεια για θέρμανση οικιστικών και βιομηχανικών χώρων το χειμώνα και ψύξη τους το καλοκαίρι. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ενέργειας παρέχεται από θερμικές μηχανές, όπως μονάδες λεβήτων και ατμοστρόβιλοι σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που λειτουργούν με ορυκτά καύσιμα (άνθρακας, πετρέλαιο) και παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.

Μέχρι τα τέλη του 18ου αι. Η θερμότητα θεωρούνταν υλική ουσία, πιστεύοντας ότι η θερμοκρασία ενός σώματος καθορίζεται από την ποσότητα του «θερμιδικού υγρού» ή «θερμιδικής» που περιέχεται σε αυτό. Αργότερα, ο B. Rumford, ο J. Joule και άλλοι φυσικοί εκείνης της εποχής, μέσω έξυπνων πειραμάτων και συλλογισμών, διέψευσαν τη θεωρία της «θερμιδικής», αποδεικνύοντας ότι η θερμότητα είναι αβαρής και μπορεί να ληφθεί σε οποιαδήποτε ποσότητα μόνο λόγω μηχανικής κίνησης. Η θερμότητα από μόνη της δεν είναι ουσία - είναι απλώς η ενέργεια της κίνησης των ατόμων ή των μορίων της. Είναι αυτή η κατανόηση της θερμότητας που τηρεί η σύγχρονη φυσική.

Σε αυτό το άρθρο, θα εξετάσουμε πώς σχετίζονται η θερμότητα και η θερμοκρασία και πώς μετρώνται αυτές οι ποσότητες. Αντικείμενο της συζήτησής μας θα είναι επίσης τα ακόλουθα ερωτήματα: η μεταφορά θερμότητας από το ένα μέρος του σώματος στο άλλο. μεταφορά θερμότητας στο κενό (ένας χώρος που δεν περιέχει ύλη). ο ρόλος της θερμότητας στον σύγχρονο κόσμο.

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

Η ποσότητα της θερμικής ενέργειας σε μια ουσία δεν μπορεί να προσδιοριστεί παρατηρώντας την κίνηση κάθε μορίου της ξεχωριστά. Αντίθετα, μόνο με τη μελέτη των μακροσκοπικών ιδιοτήτων της ύλης, μπορεί κανείς να βρει τα χαρακτηριστικά της μικροσκοπικής κίνησης πολλών μορίων που υπολογίζονται κατά μέσο όρο σε μια ορισμένη χρονική περίοδο. Η θερμοκρασία μιας ουσίας είναι ένας μέσος δείκτης της έντασης της κίνησης των μορίων, η ενέργεια των οποίων είναι η θερμική ενέργεια μιας ουσίας.

Ένας από τους πιο συνηθισμένους, αλλά και τους λιγότερο ακριβείς τρόπους εκτίμησης της θερμοκρασίας είναι η αφή. Αγγίζοντας ένα αντικείμενο, κρίνουμε αν είναι ζεστό ή κρύο, εστιάζοντας στα συναισθήματά μας. Φυσικά, αυτές οι αισθήσεις εξαρτώνται από τη θερμοκρασία του σώματός μας, γεγονός που μας φέρνει στην έννοια της θερμικής ισορροπίας - μια από τις πιο σημαντικές στη μέτρηση της θερμοκρασίας.

Θερμική ισορροπία.

Προφανώς, αν δύο σώματα ΕΝΑΚαι σι(Εικ. 1) σφιχτά πιεσμένα το ένα πάνω στο άλλο, μετά, αφού τα αγγίξουμε μετά από αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα, θα παρατηρήσουμε ότι η θερμοκρασία τους είναι ίδια. Στην περίπτωση αυτή, τα σώματα φέρονται να είναι ΕΝΑΚαι σιβρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Ωστόσο, τα σώματα, μιλώντας γενικά, δεν χρειάζεται να έρχονται σε επαφή για να υπάρχει μεταξύ τους θερμική ισορροπία - αρκεί οι θερμοκρασίες τους να είναι ίδιες. Αυτό μπορεί να επαληθευτεί χρησιμοποιώντας το τρίτο σώμα ντο, φέρνοντάς το πρώτα σε θερμική ισορροπία με το σώμα ΕΝΑ, και στη συνέχεια συγκρίνοντας τις θερμοκρασίες των σωμάτων ντοΚαι σι. Σώμα ντοεδώ παίζει το ρόλο του θερμομέτρου. Σε μια αυστηρή διατύπωση, αυτή η αρχή ονομάζεται μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής: αν τα σώματα Α και Β βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με ένα τρίτο σώμα Γ, τότε και αυτά τα σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους.Αυτός ο νόμος βασίζεται σε όλες τις μεθόδους μέτρησης της θερμοκρασίας.

Μέτρηση θερμοκρασίας.

Εάν θέλουμε να διεξάγουμε ακριβή πειράματα και υπολογισμούς, τότε τέτοιες βαθμολογίες θερμοκρασίας όπως ζεστό, ζεστό, δροσερό, κρύο δεν αρκούν - χρειαζόμαστε μια διαβαθμισμένη κλίμακα θερμοκρασίας. Υπάρχουν πολλές τέτοιες κλίμακες και τα σημεία πήξης και βρασμού του νερού συνήθως λαμβάνονται ως σημεία αναφοράς. Οι τέσσερις πιο συνηθισμένες κλίμακες φαίνονται στο σχ. 2. Η κλίμακα Κελσίου, σύμφωνα με την οποία το σημείο πήξης του νερού αντιστοιχεί σε 0 °, και το σημείο βρασμού σε 100 °, ονομάζεται κλίμακα Κελσίου που πήρε το όνομά του από τον Α. Κελσίου, έναν Σουηδό αστρονόμο που την περιέγραψε το 1742. Πιστεύεται ότι ο Σουηδός φυσιοδίφης K. Linnaeus εφάρμοσε πρώτος αυτή την κλίμακα . Τώρα η κλίμακα Κελσίου είναι η πιο κοινή στον κόσμο. Η κλίμακα θερμοκρασίας Fahrenheit, στην οποία οι εξαιρετικά άβολοι αριθμοί 32 και 212° αντιστοιχούν στα σημεία πήξης και βρασμού του νερού, προτάθηκε το 1724 από τον G. Fahrenheit. Η κλίμακα Φαρενάιτ χρησιμοποιείται ευρέως στις αγγλόφωνες χώρες, αλλά δεν χρησιμοποιείται σχεδόν καθόλου στην επιστημονική βιβλιογραφία. Για να μετατρέψετε τη θερμοκρασία Κελσίου (° C) σε θερμοκρασία Φαρενάιτ (° F), υπάρχει ένας τύπος ° F \u003d (9/5) ° C + 32 και για την αντίστροφη μετάφραση - ο τύπος ° C \u003d (5/9 ) (° F- 32).

Και οι δύο κλίμακες - τόσο Φαρενάιτ όσο και Κελσίου - είναι πολύ άβολες κατά τη διεξαγωγή πειραμάτων σε συνθήκες όπου η θερμοκρασία πέφτει κάτω από το σημείο πήξης του νερού και εκφράζεται ως αρνητικός αριθμός. Για τέτοιες περιπτώσεις, εισήχθησαν κλίμακες απόλυτης θερμοκρασίας, οι οποίες βασίζονται στην παρέκταση στο λεγόμενο απόλυτο μηδέν - το σημείο στο οποίο πρέπει να σταματήσει η μοριακή κίνηση. Ένα από αυτά ονομάζεται κλίμακα Rankin και το άλλο ονομάζεται απόλυτη θερμοδυναμική κλίμακα. Οι θερμοκρασίες μετρώνται σε βαθμούς Rankine (° R) και Kelvin (K). Και οι δύο κλίμακες ξεκινούν από το απόλυτο μηδέν και το σημείο πήξης του νερού αντιστοιχεί σε 491,7 ° R και 273,16 K. Ο αριθμός βαθμών και kelvins μεταξύ των σημείων πήξης και βρασμού του νερού στην κλίμακα Κελσίου και της απόλυτης θερμοδυναμικής κλίμακας είναι ο ίδιος και ίσος έως 100? για τις κλίμακες Fahrenheit και Rankine, είναι επίσης το ίδιο, αλλά ίσο με 180. Οι βαθμοί Κελσίου μετατρέπονται σε Kelvin χρησιμοποιώντας τον τύπο K = ° C + 273,16 και οι βαθμοί Fahrenheit μετατρέπονται σε βαθμούς Rankine χρησιμοποιώντας τον τύπο ° R = ° F + 459,7.

Η λειτουργία των συσκευών που έχουν σχεδιαστεί για τη μέτρηση της θερμοκρασίας βασίζεται σε διάφορα φυσικά φαινόμενα που σχετίζονται με μια αλλαγή στη θερμική ενέργεια μιας ουσίας, όπως αλλαγές στην ηλεκτρική αντίσταση, τον όγκο, την πίεση, τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας και τις θερμοηλεκτρικές ιδιότητες. Ένα από τα απλούστερα και πιο γνωστά όργανα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας είναι το θερμόμετρο υδραργύρου σε γυαλί που φαίνεται στο Σχ. 3, ΕΝΑ. Η μπάλα με υδράργυρο στο κάτω μέρος του θερμομέτρου τοποθετείται στο μέσο ή πιέζεται πάνω στο αντικείμενο του οποίου η θερμοκρασία πρόκειται να μετρηθεί, και ανάλογα με το αν η μπάλα δέχεται θερμότητα ή εκπέμπει, ο υδράργυρος διαστέλλεται ή συστέλλεται και η στήλη του ανεβαίνει ή πέφτει στο τριχοειδές. Εάν το θερμόμετρο είναι προ-βαθμονομημένο και εξοπλισμένο με ζυγαριά, τότε μπορείτε να μάθετε άμεσα τη θερμοκρασία του σώματος.

Μια άλλη συσκευή της οποίας η λειτουργία βασίζεται στη θερμική διαστολή είναι το διμεταλλικό θερμόμετρο που φαίνεται στο Σχ. 3, σι. Το κύριο στοιχείο του είναι μια σπειροειδής πλάκα από δύο συγκολλημένα μέταλλα με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής. Όταν θερμαίνεται, ένα από τα μέταλλα διαστέλλεται περισσότερο από το άλλο, η σπείρα στρίβει και στρέφει το βέλος σε σχέση με την κλίμακα. Τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται συχνά για τη μέτρηση της θερμοκρασίας εσωτερικού και εξωτερικού αέρα, αλλά δεν είναι κατάλληλες για τον προσδιορισμό της τοπικής θερμοκρασίας.

Η τοπική θερμοκρασία μετριέται συνήθως χρησιμοποιώντας ένα θερμοστοιχείο, το οποίο είναι δύο σύρματα από ανόμοια μέταλλα συγκολλημένα στο ένα άκρο (Εικ. 4, ΕΝΑ). Όταν μια τέτοια διασταύρωση θερμαίνεται, εμφανίζεται ένα emf στα ελεύθερα άκρα των συρμάτων, συνήθως μερικά millivolt. Τα θερμοστοιχεία κατασκευάζονται από διαφορετικά ζεύγη μετάλλων: σίδηρο και κονταντάν, χαλκό και κονστάντα, χρώμιο και αλουμέλ. Το thermo-EMF τους αλλάζει σχεδόν γραμμικά με τη θερμοκρασία σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.

Ένα άλλο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο είναι επίσης γνωστό - η εξάρτηση της αντίστασης ενός αγώγιμου υλικού από τη θερμοκρασία. Βρίσκεται στη βάση της λειτουργίας θερμομέτρων ηλεκτρικής αντίστασης, ένα από τα οποία φαίνεται στο Σχ. 4, σι. Η αντίσταση ενός μικρού στοιχείου ανίχνευσης θερμοκρασίας (θερμικός αισθητήρας) - συνήθως πηνία από λεπτό σύρμα - συγκρίνεται με την αντίσταση μιας βαθμονομημένης μεταβλητής αντίστασης που χρησιμοποιεί μια γέφυρα Wheatstone. Το όργανο εξόδου μπορεί να βαθμολογηθεί απευθείας σε βαθμούς.

Τα οπτικά πυρόμετρα χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας των σωμάτων πυρακτώσεως που εκπέμπουν ορατό φως. Σε μια έκδοση αυτής της συσκευής, το φως που εκπέμπεται από το σώμα συγκρίνεται με την ακτινοβολία ενός νήματος λαμπτήρα πυρακτώσεως που τοποθετείται στο εστιακό επίπεδο των διοπτρών μέσω του οποίου παρατηρείται το σώμα εκπομπής. Το ηλεκτρικό ρεύμα που θερμαίνει το νήμα του λαμπτήρα αλλάζει έως ότου μια οπτική σύγκριση της λάμψης του νήματος και του σώματος αποκαλύψει ότι έχει δημιουργηθεί θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Η κλίμακα της συσκευής μπορεί να διαβαθμιστεί απευθείας σε μονάδες θερμοκρασίας.

Μέτρηση της ποσότητας θερμότητας.

Η θερμική ενέργεια (ποσότητα θερμότητας) ενός σώματος μπορεί να μετρηθεί απευθείας με το λεγόμενο θερμιδόμετρο. Μια απλή έκδοση μιας τέτοιας συσκευής φαίνεται στο Σχ. 5. Πρόκειται για ένα προσεκτικά μονωμένο κλειστό δοχείο, εξοπλισμένο με συσκευές μέτρησης της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του και μερικές φορές γεμάτο με λειτουργικό ρευστό με γνωστές ιδιότητες, όπως το νερό. Για να μετρηθεί η ποσότητα της θερμότητας σε ένα μικρό θερμαινόμενο σώμα, τοποθετείται σε ένα θερμιδόμετρο και περιμένει το σύστημα να έρθει σε θερμική ισορροπία. Η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στο θερμιδόμετρο (πιο συγκεκριμένα, στο νερό που το γεμίζει) καθορίζεται από την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού.

Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης, όπως η καύση, μπορεί να μετρηθεί τοποθετώντας μια μικρή «βόμβα» στο θερμιδόμετρο. Η «βόμβα» περιέχει ένα δείγμα, στο οποίο συνδέονται ηλεκτρικά καλώδια για ανάφλεξη, και την αντίστοιχη ποσότητα οξυγόνου. Αφού καεί τελείως το δείγμα και αποκατασταθεί η θερμική ισορροπία, προσδιορίζεται πόσο έχει αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού στο θερμιδόμετρο και ως εκ τούτου η ποσότητα της θερμότητας που απελευθερώνεται.

Μονάδες θερμότητας.

Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας και επομένως πρέπει να μετράται σε μονάδες ενέργειας. Στο διεθνές σύστημα SI, η μονάδα ενέργειας είναι το τζάουλ (J). Επιτρέπεται επίσης η χρήση μη συστημικών μονάδων της ποσότητας θερμότητας - θερμίδων: μια διεθνής θερμίδα είναι 4,1868 J, μια θερμοχημική θερμίδα είναι 4,1840 J. Σε ξένα εργαστήρια, τα αποτελέσματα της έρευνας εκφράζονται συχνά χρησιμοποιώντας τα λεγόμενα. Θερμίδες 15 βαθμών ίση με 4,1855 J. Η βρετανική θερμική μονάδα εκτός συστήματος (BTU) πέφτει σε αχρηστία: BTU m. = 1,055 J.

Πηγές θερμότητας.

Οι κύριες πηγές θερμότητας είναι οι χημικές και πυρηνικές αντιδράσεις, καθώς και διάφορες διαδικασίες μετατροπής ενέργειας. Παραδείγματα χημικών αντιδράσεων με την απελευθέρωση θερμότητας είναι η καύση και η διάσπαση των συστατικών των τροφίμων. Σχεδόν όλη η θερμότητα που λαμβάνει η Γη παρέχεται από πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στα βάθη του Ήλιου. Η ανθρωπότητα έχει μάθει πώς να αποκτά θερμότητα με τη βοήθεια ελεγχόμενων διεργασιών πυρηνικής σχάσης και τώρα προσπαθεί να χρησιμοποιήσει τις αντιδράσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης για τον ίδιο σκοπό. Άλλοι τύποι ενέργειας μπορούν επίσης να μετατραπούν σε θερμότητα, όπως η μηχανική εργασία και η ηλεκτρική ενέργεια. Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι η θερμική ενέργεια (όπως κάθε άλλη) μπορεί να μετατραπεί μόνο σε άλλη μορφή, αλλά δεν μπορεί να ληφθεί «από το τίποτα» ούτε να καταστραφεί. Αυτή είναι μια από τις βασικές αρχές της επιστήμης που ονομάζεται θερμοδυναμική.

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ

Η θερμοδυναμική είναι η επιστήμη της σχέσης μεταξύ θερμότητας, έργου και ύλης. Οι σύγχρονες ιδέες για αυτές τις σχέσεις διαμορφώθηκαν με βάση τα έργα τόσο μεγάλων επιστημόνων του παρελθόντος όπως οι Carnot, Clausius, Gibbs, Joule, Kelvin και άλλοι.Η Θερμοδυναμική εξηγεί την έννοια της θερμοχωρητικότητας και της θερμικής αγωγιμότητας μιας ουσίας. η θερμική διαστολή των σωμάτων και η θερμότητα των μεταπτώσεων φάσης. Η επιστήμη αυτή βασίζεται σε αρκετούς πειραματικά καθιερωμένους νόμους – αρχές.

Αρχές θερμοδυναμικής.

Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής που διατυπώθηκε παραπάνω εισάγει τις έννοιες της θερμικής ισορροπίας, της θερμοκρασίας και της θερμομετρίας. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια δήλωση που έχει καίρια σημασία για όλη την επιστήμη στο σύνολό της: η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να καταστραφεί ούτε να ληφθεί "από το τίποτα", επομένως η συνολική ενέργεια του Σύμπαντος είναι μια σταθερή τιμή. Στην απλούστερη μορφή του, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: η ενέργεια που λαμβάνει το σύστημα, μείον την ενέργεια που δίνει, είναι ίση με την ενέργεια που απομένει στο σύστημα. Με την πρώτη ματιά, αυτή η δήλωση φαίνεται προφανής, αλλά όχι σε μια τέτοια κατάσταση, για παράδειγμα, όπως η καύση βενζίνης στους κυλίνδρους ενός κινητήρα αυτοκινήτου: εδώ η ενέργεια που λαμβάνεται είναι χημική, η ενέργεια που εκπέμπεται είναι μηχανική (εργασία) και η ενέργεια που απομένει στο σύστημα είναι θερμική.

Έτσι, είναι σαφές ότι η ενέργεια μπορεί να αλλάξει από τη μια μορφή στην άλλη και ότι τέτοιοι μετασχηματισμοί λαμβάνουν χώρα συνεχώς στη φύση και την τεχνολογία. Πριν από περισσότερα από εκατό χρόνια, ο J. Joule το απέδειξε αυτό για την περίπτωση της μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε θερμική χρησιμοποιώντας τη συσκευή που φαίνεται στο σχ. 6, ΕΝΑ. Σε αυτή τη συσκευή, τα βάρη που κατέβαιναν και ανέβαιναν περιέστρεψαν έναν άξονα με λεπίδες σε ένα θερμιδόμετρο γεμάτο με νερό, με αποτέλεσμα να θερμανθεί το νερό. Οι ακριβείς μετρήσεις επέτρεψαν στον Joule να προσδιορίσει ότι μία θερμίδα θερμότητας ισοδυναμεί με 4.186 J μηχανικής εργασίας. Η συσκευή που φαίνεται στην εικ. 6, σι, χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό του θερμικού ισοδύναμου ηλεκτρικής ενέργειας.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής εξηγεί πολλά κοινά φαινόμενα. Για παράδειγμα, γίνεται σαφές γιατί είναι αδύνατο να κρυώσει η κουζίνα με ανοιχτό ψυγείο. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μονώσει θερμικά την κουζίνα από το περιβάλλον. Η ενέργεια παρέχεται συνεχώς στο σύστημα μέσω του καλωδίου τροφοδοσίας του ψυγείου, αλλά το σύστημα δεν εκπέμπει καθόλου ενέργεια. Έτσι, η συνολική ενέργειά του αυξάνεται και η κουζίνα γίνεται πιο ζεστή: απλώς αγγίξτε τους σωλήνες του εναλλάκτη θερμότητας (συμπυκνωτή) στο πίσω μέρος του ψυγείου και θα καταλάβετε την αχρηστία του ως συσκευή «ψύξης». Αλλά αν αυτοί οι σωλήνες έβγαιναν έξω από το σύστημα (για παράδειγμα, έξω από το παράθυρο), τότε η κουζίνα θα έδινε περισσότερη ενέργεια από αυτή που λάμβανε, δηλ. θα ψύχονταν και το ψυγείο λειτουργούσε ως κλιματιστικό παράθυρο.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι ένας νόμος της φύσης που αποκλείει τη δημιουργία ή την καταστροφή της ενέργειας. Ωστόσο, δεν λέει τίποτα για το πώς προχωρούν οι διαδικασίες μεταφοράς ενέργειας στη φύση. Έτσι, γνωρίζουμε ότι ένα ζεστό σώμα θα θερμάνει ένα κρύο εάν αυτά τα σώματα έρθουν σε επαφή. Μπορεί όμως ένα ψυχρό σώμα από μόνο του να μεταφέρει το απόθεμα θερμότητάς του σε ένα ζεστό; Η τελευταία πιθανότητα απορρίπτεται κατηγορηματικά από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Ο πρώτος νόμος αποκλείει επίσης τη δυνατότητα δημιουργίας κινητήρα με συντελεστή απόδοσης (COP) μεγαλύτερο από 100% (ένας τέτοιος «αέναος» κινητήρας θα μπορούσε να δώσει περισσότερη ενέργεια για αυθαίρετα μεγάλο χρονικό διάστημα από ό,τι καταναλώνει). Είναι αδύνατο να κατασκευαστεί ένας κινητήρας ακόμη και με απόδοση ίση με 100%, αφού ένα μέρος της ενέργειας που του παρέχεται πρέπει απαραίτητα να χαθεί από αυτόν με τη μορφή λιγότερο χρήσιμης θερμικής ενέργειας. Έτσι, ο τροχός δεν θα περιστρέφεται επ' αόριστον χωρίς παροχή ενέργειας, γιατί λόγω της τριβής στα ρουλεμάν, η ενέργεια της μηχανικής κίνησης θα μετατραπεί σταδιακά σε θερμότητα μέχρι να σταματήσει ο τροχός.

Η τάση μετατροπής της «χρήσιμης» εργασίας σε λιγότερο χρήσιμη ενέργεια - θερμότητα - μπορεί να συγκριθεί με μια άλλη διαδικασία που συμβαίνει όταν συνδέονται δύο δοχεία που περιέχουν διαφορετικά αέρια. Αφού περιμένουμε αρκετά, βρίσκουμε και στα δύο δοχεία ένα ομοιογενές μείγμα αερίων - η φύση λειτουργεί έτσι ώστε η σειρά του συστήματος να μειώνεται. Το θερμοδυναμικό μέτρο αυτής της διαταραχής ονομάζεται εντροπία και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής μπορεί να διατυπωθεί διαφορετικά: οι διεργασίες στη φύση προχωρούν πάντα με τέτοιο τρόπο ώστε η εντροπία του συστήματος και του περιβάλλοντος του να αυξάνεται. Έτσι, η ενέργεια του Σύμπαντος παραμένει σταθερή, ενώ η εντροπία του αυξάνεται συνεχώς.

Θερμότητα και ιδιότητες ουσιών.

Διαφορετικές ουσίες έχουν διαφορετική ικανότητα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. εξαρτάται από τη μοριακή τους δομή και πυκνότητα. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την αύξηση της θερμοκρασίας μιας μονάδας μάζας μιας ουσίας κατά ένα βαθμό ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητα της. Η θερμοχωρητικότητα εξαρτάται από τις συνθήκες στις οποίες βρίσκεται η ουσία. Για παράδειγμα, για να θερμανθεί ένα γραμμάριο αέρα σε ένα μπαλόνι κατά 1 Κ, απαιτείται περισσότερη θερμότητα από το να θερμανθεί με τον ίδιο τρόπο σε ένα σφραγισμένο δοχείο με άκαμπτα τοιχώματα, καθώς μέρος της ενέργειας που μεταδίδεται στο μπαλόνι δαπανάται για την επέκταση του αέρα, και όχι κατά τη θέρμανση. Επομένως, συγκεκριμένα, η θερμοχωρητικότητα των αερίων μετράται χωριστά σε σταθερή πίεση και σε σταθερό όγκο.

Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η ένταση της χαοτικής κίνησης των μορίων αυξάνεται - οι περισσότερες ουσίες διαστέλλονται όταν θερμαίνονται. Ο βαθμός διαστολής μιας ουσίας με αύξηση της θερμοκρασίας κατά 1 Κ ονομάζεται συντελεστής θερμικής διαστολής.

Για να περάσει μια ουσία από τη μια φάση στην άλλη, για παράδειγμα, από στερεό σε υγρό (και μερικές φορές αμέσως σε αέρια), πρέπει να λάβει μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας. Εάν ένα στερεό σώμα θερμανθεί, η θερμοκρασία του θα αυξηθεί μέχρι να αρχίσει να λιώνει. μέχρι να ολοκληρωθεί η τήξη, η θερμοκρασία του σώματος θα παραμείνει σταθερή, παρά την παροχή θερμότητας. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την τήξη μιας μονάδας μάζας μιας ουσίας ονομάζεται θερμότητα σύντηξης. Εάν συνεχίσετε να παρέχετε θερμότητα, τότε η λιωμένη ουσία θα θερμανθεί μέχρι να βράσει. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την εξάτμιση μιας μονάδας μάζας ενός υγρού σε μια δεδομένη θερμοκρασία ονομάζεται θερμότητα εξάτμισης.

Μοριακή-κινητική θεωρία.

Η μοριακή κινητική θεωρία εξηγεί τις μακροσκοπικές ιδιότητες μιας ουσίας εξετάζοντας σε μικροσκοπικό επίπεδο τη συμπεριφορά των ατόμων και των μορίων που συνθέτουν αυτήν την ουσία. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιείται μια στατιστική προσέγγιση και γίνονται κάποιες υποθέσεις σχετικά με τα ίδια τα σωματίδια και τη φύση της κίνησής τους. Έτσι, τα μόρια θεωρούνται στερεές μπάλες, οι οποίες σε αέρια μέσα βρίσκονται σε συνεχή χαοτική κίνηση και διατρέχουν σημαντικές αποστάσεις από τη μια σύγκρουση στην άλλη. Οι συγκρούσεις θεωρούνται ελαστικές και συμβαίνουν μεταξύ σωματιδίων των οποίων το μέγεθος είναι μικρό και ο αριθμός τους πολύ μεγάλος. Κανένα από τα πραγματικά αέρια δεν αντιστοιχεί ακριβώς σε αυτό το μοντέλο, αλλά τα περισσότερα αέρια είναι αρκετά κοντά σε αυτό, γεγονός που είναι ο λόγος για την πρακτική αξία της μοριακής κινητικής θεωρίας.

Με βάση αυτές τις ιδέες και χρησιμοποιώντας μια στατιστική προσέγγιση, ο Maxwell εξήγαγε την κατανομή των ταχυτήτων των μορίων αερίου σε περιορισμένο όγκο, ο οποίος αργότερα ονομάστηκε από αυτόν. Αυτή η κατανομή παρουσιάζεται γραφικά στο σχ. 7 για μια δεδομένη μάζα υδρογόνου σε θερμοκρασίες 100 και 1000° C. Η τεταγμένη δείχνει τον αριθμό των μορίων που κινούνται με την ταχύτητα που υποδεικνύεται στην τετμημένη. Ο συνολικός αριθμός των σωματιδίων είναι ίσος με το εμβαδόν κάτω από κάθε καμπύλη και είναι ίδιος και στις δύο περιπτώσεις. Μπορεί να φανεί από το γράφημα ότι τα περισσότερα από τα σωματίδια έχουν ταχύτητες κοντά σε κάποια μέση τιμή, και μόνο ένας μικρός αριθμός από αυτά έχουν πολύ υψηλές ή χαμηλές ταχύτητες. Οι μέσες ταχύτητες σε αυτές τις θερμοκρασίες βρίσκονται στην περιοχή 2000–3000 m/s, δηλ. πολύ μεγάλο.

Ένας μεγάλος αριθμός τέτοιων ταχέως κινούμενων μορίων αερίου δρα με μια εντελώς μετρήσιμη δύναμη στα γύρω σώματα. Οι μικροσκοπικές δυνάμεις με τις οποίες πολλά μόρια αερίου χτυπούν τα τοιχώματα του δοχείου αθροίζονται σε μια μακροσκοπική ποσότητα που ονομάζεται πίεση. Όταν παρέχεται ενέργεια σε ένα αέριο (η θερμοκρασία αυξάνεται), η μέση κινητική ενέργεια των μορίων του αυξάνεται, τα σωματίδια του αερίου χτυπούν τα τοιχώματα πιο συχνά και πιο δυνατά, η πίεση αυξάνεται και εάν τα τοιχώματα δεν είναι εντελώς άκαμπτα, τότε τεντώνονται και ο όγκος του αερίου αυξάνεται. Έτσι, η μικροσκοπική στατιστική προσέγγιση που βασίζεται στη μοριακή κινητική θεωρία καθιστά δυνατή την εξήγηση του φαινομένου της θερμικής διαστολής που συζητήσαμε.

Ένα άλλο αποτέλεσμα της θεωρίας της μοριακής κινητικής είναι ένας νόμος που περιγράφει τις ιδιότητες ενός αερίου που ικανοποιεί τις απαιτήσεις που αναφέρονται παραπάνω. Αυτή η αποκαλούμενη εξίσωση κατάστασης ιδανικού αερίου συσχετίζει την πίεση, τον όγκο και τη θερμοκρασία ενός γραμμομορίου αερίου και έχει τη μορφή ισότητας

PV=RT,

Οπου Π- πίεση, V- Ενταση ΗΧΟΥ, Τείναι η θερμοκρασία, και Rείναι η καθολική σταθερά αερίου ίση με (8,31441 ± 0,00026) J/(mol H K). ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ.

ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Η μεταφορά θερμότητας είναι η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας μέσα σε ένα σώμα ή από το ένα σώμα στο άλλο, λόγω διαφορών θερμοκρασίας. Η ένταση της μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται από τις ιδιότητες της ουσίας, τη διαφορά θερμοκρασίας και υπακούει στους πειραματικά καθιερωμένους νόμους της φύσης. Για να δημιουργήσετε αποδοτικά συστήματα θέρμανσης ή ψύξης, διάφορους κινητήρες, σταθμούς παραγωγής ενέργειας, συστήματα θερμομόνωσης, πρέπει να γνωρίζετε τις αρχές της μεταφοράς θερμότητας. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η ανταλλαγή θερμότητας είναι ανεπιθύμητη (θερμομόνωση κλιβάνων τήξης, διαστημόπλοια κ.λπ.), ενώ σε άλλες θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη (ατμολέβητες, εναλλάκτες θερμότητας, μαγειρικά σκεύη).

Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι μεταφοράς θερμότητας: αγωγιμότητα, συναγωγή και μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας.

Θερμική αγωγιμότητα.

Αν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μέσα στο σώμα, τότε η θερμική ενέργεια περνά από το θερμότερο μέρος του στο ψυχρότερο. Αυτός ο τύπος μεταφοράς θερμότητας, λόγω θερμικών κινήσεων και συγκρούσεων μορίων, ονομάζεται θερμική αγωγιμότητα. σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες σε στερεά, μπορεί να παρατηρηθεί οπτικά. Έτσι, όταν μια χαλύβδινη ράβδος θερμαίνεται από το ένα άκρο στη φλόγα ενός καυστήρα αερίου, η θερμική ενέργεια μεταφέρεται μέσω της ράβδου και μια λάμψη εξαπλώνεται σε μια ορισμένη απόσταση από το θερμαινόμενο άκρο (ολοένα και λιγότερο έντονη με την απόσταση από τη θέση θέρμανση).

Η ένταση της μεταφοράς θερμότητας λόγω της θερμικής αγωγιμότητας εξαρτάται από τη βαθμίδα θερμοκρασίας, δηλ. σχέσεις Δ Τ/ΡΕ Χδιαφορά θερμοκρασίας στα άκρα της ράβδου στην απόσταση μεταξύ τους. Εξαρτάται επίσης από την περιοχή διατομής της ράβδου (σε m 2) και τη θερμική αγωγιμότητα του υλικού [στις κατάλληλες μονάδες W / (mH K)]. Η σχέση μεταξύ αυτών των μεγεθών προήλθε από τον Γάλλο μαθηματικό J. Fourier και έχει την ακόλουθη μορφή:

Οπου q- ροή θερμότητας, κείναι ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, και ΕΝΑ- επιφάνεια εγκάρσιας διατομής. Αυτή η σχέση ονομάζεται νόμος του Fourier για την αγωγιμότητα της θερμότητας. Το σύμβολο μείον σε αυτό υποδεικνύει ότι η θερμότητα μεταφέρεται προς την αντίθετη κατεύθυνση από τη διαβάθμιση θερμοκρασίας.

Από το νόμο Fourier προκύπτει ότι η ροή θερμότητας μπορεί να μειωθεί μειώνοντας ένα από τα μεγέθη - τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, την περιοχή ή την κλίση θερμοκρασίας. Για ένα κτίριο σε χειμερινές συνθήκες, οι τελευταίες τιμές είναι πρακτικά σταθερές και επομένως, προκειμένου να διατηρηθεί η επιθυμητή θερμοκρασία στο δωμάτιο, παραμένει να μειωθεί η θερμική αγωγιμότητα των τοίχων, δηλ. βελτιώνουν τη θερμομόνωση τους.

Ο πίνακας δείχνει τους συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας ορισμένων ουσιών και υλικών. Ο πίνακας δείχνει ότι ορισμένα μέταλλα μεταδίδουν τη θερμότητα πολύ καλύτερα από άλλα, αλλά όλα είναι πολύ καλύτεροι αγωγοί θερμότητας από τον αέρα και τα πορώδη υλικά.

Η θερμική αγωγιμότητα των μετάλλων οφείλεται σε δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος και στην κίνηση μεγάλου αριθμού ελεύθερων ηλεκτρονίων (μερικές φορές ονομάζονται αέριο ηλεκτρονίων). Η κίνηση των ηλεκτρονίων είναι επίσης υπεύθυνη για την ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων και επομένως δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι οι καλοί αγωγοί της θερμότητας (για παράδειγμα, ο άργυρος ή ο χαλκός) είναι επίσης καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού.

Η θερμική και ηλεκτρική αντίσταση πολλών ουσιών μειώνεται απότομα καθώς η θερμοκρασία πέφτει κάτω από τη θερμοκρασία του υγρού ηλίου (1,8 Κ). Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται υπεραγωγιμότητα, χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της απόδοσης πολλών συσκευών, από τη μικροηλεκτρονική μέχρι τα ηλεκτροφόρα καλώδια και τους μεγάλους ηλεκτρομαγνήτες.

Μεταγωγή.

Όπως έχουμε ήδη πει, όταν εφαρμόζεται θερμότητα σε υγρό ή αέριο, η ένταση της κίνησης των μορίων αυξάνεται και ως αποτέλεσμα αυξάνεται η πίεση. Εάν ένα υγρό ή αέριο δεν είναι περιορισμένο σε όγκο, τότε διαστέλλονται. η τοπική πυκνότητα του υγρού (αερίου) γίνεται μικρότερη και λόγω των δυνάμεων άνωσης (Αρχιμήδειας), το θερμαινόμενο τμήμα του μέσου κινείται προς τα πάνω (γι' αυτό ο ζεστός αέρας στο δωμάτιο ανεβαίνει από τις μπαταρίες στην οροφή). Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται συναγωγή. Για να μην σπαταλάτε τη θερμότητα του συστήματος θέρμανσης για τίποτα, πρέπει να χρησιμοποιήσετε σύγχρονες θερμάστρες που παρέχουν αναγκαστική κυκλοφορία αέρα.

Η συναγωγή ροή θερμότητας από τον θερμαντήρα προς το θερμαινόμενο μέσο εξαρτάται από την αρχική ταχύτητα των μορίων, την πυκνότητα, το ιξώδες, τη θερμική αγωγιμότητα και τη θερμοχωρητικότητα και το μέσο. το μέγεθος και το σχήμα του θερμαντήρα είναι επίσης πολύ σημαντικά. Η αναλογία μεταξύ των αντίστοιχων ποσοτήτων υπακούει στο νόμο του Νεύτωνα

q = hA (T W - T Ґ ),

Οπου q- ροή θερμότητας (μετρούμενη σε watt), ΕΝΑ- εμβαδόν επιφάνειας της πηγής θερμότητας (σε m 2), T WΚαι ΤҐ είναι οι θερμοκρασίες της πηγής και του περιβάλλοντος της (σε Κέλβιν). Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας ηεξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου, την αρχική ταχύτητα των μορίων του, καθώς και από το σχήμα της πηγής θερμότητας, και μετριέται σε μονάδες W / (m 2 H K).

αξία ηδεν είναι το ίδιο για τις περιπτώσεις που ο αέρας γύρω από τη θερμάστρα είναι ακίνητος (ελεύθερη συναγωγή) και όταν η ίδια θερμάστρα βρίσκεται στη ροή του αέρα (αναγκαστική μεταφορά). Σε απλές περιπτώσεις ροής ρευστού μέσω σωλήνα ή ροής γύρω από επίπεδη επιφάνεια, ο συντελεστής ημπορεί να υπολογιστεί θεωρητικά. Ωστόσο, δεν έχει καταστεί ακόμη δυνατό να βρεθεί μια αναλυτική λύση στο πρόβλημα της μεταφοράς για μια τυρβώδη ροή ενός μέσου. Ο στροβιλισμός είναι μια πολύπλοκη κίνηση ενός υγρού (αερίου), χαοτικής σε κλίμακα που υπερβαίνει σημαντικά τη μοριακή κλίμακα.

Εάν ένα θερμαινόμενο (ή, αντίθετα, ψυχρό) σώμα τοποθετηθεί σε ακίνητο μέσο ή σε ροή, τότε σχηματίζονται ρεύματα μεταφοράς και ένα οριακό στρώμα γύρω του. Η θερμοκρασία, η πίεση και η ταχύτητα των μορίων σε αυτό το στρώμα παίζουν σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή.

Η μεταφορά θερμότητας πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό των εναλλάκτη θερμότητας, των συστημάτων κλιματισμού, των αεροσκαφών υψηλής ταχύτητας και πολλών άλλων εφαρμογών. Σε όλα αυτά τα συστήματα, η αγωγιμότητα της θερμότητας λαμβάνει χώρα ταυτόχρονα με τη μεταφορά, τόσο μεταξύ στερεών όσο και στο περιβάλλον τους. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας μπορεί επίσης να παίξει σημαντικό ρόλο.

Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία.

Ο τρίτος τύπος μεταφοράς θερμότητας - η ακτινοβολούμενη μεταφορά θερμότητας - διαφέρει από την αγωγιμότητα και τη μεταφορά θερμότητας στο ότι η θερμότητα σε αυτή την περίπτωση μπορεί να μεταφερθεί μέσω κενού. Η ομοιότητά του με άλλες μεθόδους μεταφοράς θερμότητας είναι ότι οφείλεται και στη διαφορά θερμοκρασίας. Η θερμική ακτινοβολία είναι ένας από τους τύπους ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Οι άλλοι τύποι του - ραδιοκύματα, υπεριώδης ακτινοβολία και ακτινοβολία γάμμα - εμφανίζονται απουσία διαφοράς θερμοκρασίας.

Στο σχ. Το σχήμα 8 δείχνει την εξάρτηση της ενέργειας της θερμικής (υπέρυθρης) ακτινοβολίας από το μήκος κύματος. Η θερμική ακτινοβολία μπορεί να συνοδεύεται από την εκπομπή ορατού φωτός, αλλά η ενέργειά της είναι μικρή σε σύγκριση με την ενέργεια ακτινοβολίας του αόρατου τμήματος του φάσματος.

Η ένταση της μεταφοράς θερμότητας με αγωγιμότητα και μεταφορά θερμότητας είναι ανάλογη της θερμοκρασίας και η ροή θερμότητας ακτινοβολίας είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της θερμοκρασίας και υπακούει στο νόμο Stefan-Boltzmann

όπου, όπως πριν, q- ροή θερμότητας (σε joules ανά δευτερόλεπτο, δηλ. σε W), ΕΝΑ- επιφάνεια του σώματος ακτινοβολίας (σε m 2) και Τ 1 και Τ 2 είναι οι θερμοκρασίες (σε Kelvin) του σώματος που ακτινοβολεί και το περιβάλλον που απορροφά αυτή την ακτινοβολία. Συντελεστής μικρόονομάζεται σταθερά Stefan-Boltzmann και ισούται με (5,66961 ± 0,00096) H 10 -8 W / (m 2 H K 4).

Ο παρουσιαζόμενος νόμος της θερμικής ακτινοβολίας ισχύει μόνο για ένα ιδανικό ψυγείο - το λεγόμενο μαύρο σώμα. Κανένα πραγματικό σώμα δεν είναι τέτοιο, αν και μια επίπεδη μαύρη επιφάνεια στις ιδιότητές της προσεγγίζει ένα απολύτως μαύρο σώμα. Οι ελαφριές επιφάνειες ακτινοβολούν σχετικά ασθενώς. Για να ληφθεί υπόψη η απόκλιση από την ιδεατότητα πολλών «γκρίζων» σωμάτων, ένας συντελεστής μικρότερος από ένα, που ονομάζεται εκπεμπτικότητα, εισάγεται στη δεξιά πλευρά της έκφρασης που περιγράφει τον νόμο Stefan-Boltzmann. Για μια επίπεδη μαύρη επιφάνεια, αυτός ο συντελεστής μπορεί να φτάσει το 0,98 και για έναν γυαλισμένο μεταλλικό καθρέφτη δεν υπερβαίνει το 0,05. Αντίστοιχα, η ικανότητα απορρόφησης ακτινοβολίας είναι υψηλή για ένα μαύρο σώμα και χαμηλή για ένα κατοπτρικό σώμα.

Οι χώροι κατοικιών και γραφείων συχνά θερμαίνονται με μικρούς ηλεκτρικούς εκπομπούς θερμότητας. η κοκκινωπή λάμψη των σπειρών τους είναι ορατή θερμική ακτινοβολία, κοντά στην άκρη του υπέρυθρου τμήματος του φάσματος. Το δωμάτιο θερμαίνεται με θερμότητα, η οποία μεταφέρεται κυρίως από το αόρατο, υπέρυθρο τμήμα της ακτινοβολίας. Οι συσκευές νυχτερινής όρασης χρησιμοποιούν μια πηγή θερμικής ακτινοβολίας και έναν δέκτη ευαίσθητο στο υπέρυθρο που σας επιτρέπει να βλέπετε στο σκοτάδι.

Ο Ήλιος είναι ένας ισχυρός εκπομπός θερμικής ενέργειας. θερμαίνει τη Γη ακόμα και σε απόσταση 150 εκατομμυρίων χλμ. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, που καταγράφεται χρόνο με το χρόνο από σταθμούς που βρίσκονται σε πολλά μέρη του πλανήτη, είναι περίπου 1,37 W/m 2 . Η ηλιακή ενέργεια είναι η πηγή της ζωής στη Γη. Γίνονται αναζητήσεις για τρόπους για να το χρησιμοποιήσετε πιο αποτελεσματικά. Οι ηλιακοί συλλέκτες έχουν δημιουργηθεί για τη θέρμανση των σπιτιών και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για οικιακές ανάγκες.

Ο ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ Η ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ

Η μεταφορά θερμότητας (λόγω θερμικής αγωγιμότητας) από τον λιωμένο πυρήνα της Γης στην επιφάνειά της οδηγεί σε ηφαιστειακές εκρήξεις και στην εμφάνιση θερμοπίδακες. Σε ορισμένες περιοχές, η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του χώρου και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Η θερμότητα είναι απαραίτητος συμμετέχων σε όλες σχεδόν τις παραγωγικές διαδικασίες. Θα αναφέρουμε τα σημαντικότερα από αυτά, όπως η τήξη και η επεξεργασία μετάλλων, η λειτουργία κινητήρων, η παραγωγή τροφίμων, η χημική σύνθεση, η διύλιση λαδιού, η κατασκευή μεγάλης ποικιλίας ειδών - από τούβλα και πιάτα μέχρι αυτοκίνητα και ηλεκτρονικές συσκευές. .

Πολλές βιομηχανικές παραγωγές και μεταφορές, καθώς και θερμοηλεκτρικοί σταθμοί, δεν θα μπορούσαν να λειτουργήσουν χωρίς θερμικές μηχανές - συσκευές που μετατρέπουν τη θερμότητα σε χρήσιμη εργασία. Παραδείγματα τέτοιων μηχανών είναι οι συμπιεστές, οι τουρμπίνες, οι ατμομηχανές, οι βενζινοκινητήρες και οι κινητήρες αεριωθουμένων.

Μία από τις πιο διάσημες θερμικές μηχανές είναι ο ατμοστρόβιλος, ο οποίος υλοποιεί μέρος του κύκλου Rankine που χρησιμοποιείται σε σύγχρονους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα απλοποιημένο διάγραμμα αυτού του κύκλου φαίνεται στο σχ. 9. Το ρευστό εργασίας - νερό - μετατρέπεται σε υπέρθερμο ατμό σε ατμολέβητα που θερμαίνεται με την καύση ορυκτών καυσίμων (άνθρακας, πετρέλαιο ή φυσικό αέριο). Ο ατμός υψηλής πίεσης περιστρέφει τον άξονα μιας τουρμπίνας ατμού, ο οποίος κινεί μια γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Ο ατμός της εξάτμισης συμπυκνώνεται όταν ψύχεται από τρεχούμενο νερό, το οποίο απορροφά μέρος της θερμότητας που δεν χρησιμοποιείται στον κύκλο Rankine. Στη συνέχεια, το νερό τροφοδοτείται στον πύργο ψύξης (πύργος ψύξης), από όπου μέρος της θερμότητας απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Το συμπύκνωμα αντλείται πίσω στον λέβητα ατμού και επαναλαμβάνεται ολόκληρος ο κύκλος.

Όλες οι διεργασίες στον κύκλο Rankine απεικονίζουν τις αρχές της θερμοδυναμικής που περιγράφονται παραπάνω. Συγκεκριμένα, σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, μέρος της ενέργειας που καταναλώνεται από το εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής πρέπει να διαχέεται στο περιβάλλον με τη μορφή θερμότητας. Αποδεικνύεται ότι περίπου το 68% της ενέργειας που περιέχεται αρχικά στα ορυκτά καύσιμα χάνεται με αυτόν τον τρόπο. Μια αξιοσημείωτη αύξηση της απόδοσης του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής θα μπορούσε να επιτευχθεί μόνο με την αύξηση της θερμοκρασίας του ατμολέβητα (η οποία περιορίζεται από τη θερμική αντίσταση των υλικών) ή με τη μείωση της θερμοκρασίας του μέσου όπου πηγαίνει η θερμότητα, δηλ. ατμόσφαιρα.

Ένας άλλος θερμοδυναμικός κύκλος που έχει μεγάλη σημασία στην καθημερινή μας ζωή είναι ο κύκλος ψύξης ατμού-συμπιεστή Rankine, το διάγραμμα του οποίου φαίνεται στο Σχ. 10. Στα ψυγεία και τα οικιακά κλιματιστικά, η ενέργεια παρέχεται από έξω για την παροχή της. Ο συμπιεστής αυξάνει τη θερμοκρασία και την πίεση της ουσίας εργασίας του ψυγείου - φρέον, αμμωνία ή διοξείδιο του άνθρακα. Το υπερθερμασμένο αέριο τροφοδοτείται στον συμπυκνωτή, όπου ψύχεται και συμπυκνώνεται, εκπέμποντας θερμότητα στο περιβάλλον. Το υγρό που αφήνει τα ακροφύσια του συμπυκνωτή περνά μέσα από τη βαλβίδα στραγγαλισμού στον εξατμιστή και μέρος του εξατμίζεται, κάτι που συνοδεύεται από απότομη πτώση της θερμοκρασίας. Ο εξατμιστής παίρνει θερμότητα από τον θάλαμο του ψυγείου, ο οποίος θερμαίνει το υγρό εργασίας στα ακροφύσια. Αυτό το υγρό παρέχεται από τον συμπιεστή στον συμπυκνωτή και ο κύκλος επαναλαμβάνεται ξανά.

Ο κύκλος ψύξης που φαίνεται στην εικ. 10 μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε αντλία θερμότητας. Τέτοιες αντλίες θερμότητας το καλοκαίρι εκπέμπουν θερμότητα στον ζεστό ατμοσφαιρικό αέρα και φροντίζουν το δωμάτιο, και το χειμώνα, αντίθετα, παίρνουν θερμότητα από τον κρύο αέρα και θερμαίνουν το δωμάτιο.

Οι πυρηνικές αντιδράσεις αποτελούν σημαντική πηγή θερμότητας για σκοπούς όπως η παραγωγή ενέργειας και η μεταφορά. Το 1905, ο Α. Αϊνστάιν έδειξε ότι η μάζα και η ενέργεια σχετίζονται με τη σχέση E=mc 2, δηλ. μπορούν να περάσουν το ένα μέσα στο άλλο. ταχύτητα του φωτός ντοπολύ μεγάλο: 300 χιλιάδες km / s. Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και μια μικρή ποσότητα ύλης μπορεί να προσφέρει τεράστια ποσότητα ενέργειας. Έτσι, από 1 κιλό σχάσιμου υλικού (για παράδειγμα, ουράνιο), είναι θεωρητικά δυνατό να ληφθεί ενέργεια, η οποία για 1000 ημέρες συνεχούς λειτουργίας παρέχεται από ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας ισχύος 1 MW.

Ορισμός

Η ποσότητα της θερμότηταςή απλά ζεστασιά($Q$) ονομάζεται η εσωτερική ενέργεια, η οποία, χωρίς να κάνει εργασία, μεταφέρεται από σώματα με υψηλότερη θερμοκρασία σε σώματα με χαμηλότερη θερμοκρασία στις διαδικασίες αγωγής θερμότητας ή ακτινοβολίας.

Joule - Μονάδα SI για τη μέτρηση της ποσότητας θερμότητας

Η μονάδα της ποσότητας θερμότητας μπορεί να ληφθεί από τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής:

\[\Delta Q=A+\Delta U\ \αριστερά(1\δεξιά),\]

όπου $A$ είναι το έργο του θερμοδυναμικού συστήματος. $\Delta U$ - αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια του συστήματος. $\Delta Q$ - η ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο σύστημα.

Από το νόμο (1), και ακόμη περισσότερο από την έκδοσή του για μια ισοθερμική διεργασία:

\[\Delta Q=A\ \αριστερά(2\δεξιά).\]

Προφανώς, στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI), το τζάουλ (J) είναι μονάδα ενέργειας και έργου.

Είναι εύκολο να εκφράσουμε το τζάουλ σε βασικές μονάδες χρησιμοποιώντας τον ορισμό της ενέργειας ($E$) της μορφής:

όπου $c$ είναι η ταχύτητα του φωτός. $m$ - σωματικό βάρος. Με βάση την έκφραση (2), έχουμε:

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

Με το joule χρησιμοποιούνται όλα τα τυπικά προθέματα του συστήματος SI, που δηλώνουν δεκαδικές κλασματικές και πολλαπλές μονάδες. Για παράδειγμα, $1kJ=(10)^3J$; 1MJ = $(10)^6J$; 1 GJ=$(10)^9J$.

Erg - μονάδα μέτρησης της ποσότητας θερμότητας στο σύστημα cgs

Στο σύστημα CGS (εκατοστό, γραμμάριο, δευτερόλεπτο), η θερμότητα μετράται σε ergs (ergs). Στην περίπτωση αυτή, ένα erg ισούται με:

Λαμβάνοντας υπόψη ότι:

παίρνουμε την αναλογία μεταξύ joule και erg:

Θερμίδες - μονάδα μέτρησης για την ποσότητα θερμότητας

Η θερμίδα χρησιμοποιείται ως μονάδα εκτός συστήματος για τη μέτρηση της ποσότητας θερμότητας. Μία θερμίδα ισούται με την ποσότητα θερμότητας που πρέπει να μεταφερθεί σε νερό βάρους ενός κιλού για να θερμανθεί κατά ένα βαθμό Κελσίου. Η σχέση μεταξύ joule και θερμίδων είναι η εξής:

Για την ακρίβεια, διακρίνουν:

• Διεθνείς θερμίδες, ισούται με:
\
• Θερμοχημικές θερμίδες:
\
• Θερμίδες 15 βαθμού που χρησιμοποιούνται για θερμικές μετρήσεις:
\

Οι θερμίδες χρησιμοποιούνται συχνά με δεκαδικά προθέματα όπως: kcal (χιλοθερμίδες) $1kcal=(10)^3cal$; Mcal (μεγαθερμίδες) 1Mcal = $(10)^6cal$; Gcal (gigacalorie) 1 Gcal=$(10)^9cal$.

Μερικές φορές μια χιλιοθερμίδα ονομάζεται μεγάλη θερμίδα ή κιλό-θερμίδα.

Παραδείγματα προβλημάτων με λύση

Παράδειγμα 1

Ασκηση.Πόση θερμότητα απορροφά το υδρογόνο μάζας $m=0,2$kg όταν θερμαίνεται από $t_1=0(\rm()^\circ\!C)$ σε $t_2=100(\rm()^\circ \! Γ)$ σε σταθερή πίεση; Γράψτε την απάντησή σας σε kilojoules.

Λύση.Γράφουμε τον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής:

\[\Delta Q=A+\Delta U\ \αριστερά(1.1\δεξιά).\]

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

όπου $i=5$ είναι ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας του μορίου του υδρογόνου. $\mu =2\cdot (10)^(-3)\frac(kg)(mol)$; $R=8,31\ \frac(J)(mol\cdot K)$; $\Delta T=t_2-t_1$. Υποθέτοντας, έχουμε να κάνουμε με μια ισοβαρή διαδικασία. Η εργασία σε μια ισοβαρή διεργασία ισούται με:

Λαμβάνοντας υπόψη τις εκφράσεις (1.2) και (1.3), μετατρέπουμε τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο για την ισοβαρική διεργασία στη μορφή:

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

Ας ελέγξουμε σε ποιες μονάδες μετράται η θερμότητα, αν υπολογίζεται με τον τύπο (1.4):

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

Ας κάνουμε τους υπολογισμούς:

\[\Delta Q=\frac(0,2)(2 (10)^(-3))\cdot 8,31\cdot 100\left(1+\frac(5)(2)\right)\περίπου 291\cdot (10)^3\left(J\right)=291\ \left(kJ\right).\]

Απάντηση.$\Delta Q=291\ $ kJ

Παράδειγμα 2

Ασκηση.Ήλιο με μάζα $m=1\r$ θερμάνθηκε κατά 100 K στη διαδικασία που φαίνεται στο Σχ.1. Πόση θερμότητα μεταφέρεται στο αέριο; Γράψτε την απάντησή σας σε μονάδες CGS.

Λύση.Το σχήμα 1 απεικονίζει μια ισοχωρική διαδικασία. Για μια τέτοια διαδικασία, γράφουμε τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο ως εξής:

\[\Delta Q=\Delta U\ \αριστερά(2.1\δεξιά).\]

Βρίσκουμε την αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια ως εξής:

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

όπου $i=3$ είναι ο αριθμός των βαθμών ελευθερίας ενός μορίου ηλίου. $\mu =4\frac(g)(mol)$; $R=8,31\cdot (10)^7\ \frac(erg)(mol\cdot K)$; $\Delta T=100\ K.$ Όλες οι τιμές είναι γραμμένες σε CGS. Ας κάνουμε τους υπολογισμούς:

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

Απάντηση.$\Delta Q=3\cdot (10)^9$ π.χ

Η θερμική ενέργεια είναι ένα σύστημα μέτρησης θερμότητας που επινοήθηκε και χρησιμοποιήθηκε πριν από δύο αιώνες. Ο κύριος κανόνας για την εργασία με αυτήν την ποσότητα ήταν ότι η θερμική ενέργεια διατηρείται και δεν μπορεί απλώς να εξαφανιστεί, αλλά μπορεί να μεταφερθεί σε άλλη μορφή ενέργειας.

Υπάρχουν αρκετές γενικά αποδεκτές μονάδες μέτρησης της θερμικής ενέργειας. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε βιομηχανικούς τομείς όπως π.χ. Τα πιο συνηθισμένα περιγράφονται παρακάτω:

Οποιαδήποτε μονάδα μέτρησης που περιλαμβάνεται στο σύστημα SI έχει σκοπό να προσδιορίσει τη συνολική ποσότητα ενός συγκεκριμένου τύπου ενέργειας, όπως η θερμότητα ή η ηλεκτρική ενέργεια. Ο χρόνος και η ποσότητα μέτρησης δεν επηρεάζουν αυτές τις τιμές, γι' αυτό και μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για την ενέργεια που καταναλώνεται όσο και για την ήδη καταναλωμένη ενέργεια. Επιπλέον, σε τέτοιες ποσότητες υπολογίζονται και τυχόν μετάδοση και λήψη, καθώς και απώλειες.

Πού χρησιμοποιούνται οι μονάδες μέτρησης της θερμικής ενέργειας

Οι μονάδες ενέργειας μετατρέπονται σε θερμότητα

Για ένα ενδεικτικό παράδειγμα, παρακάτω είναι συγκρίσεις διάφορων δημοφιλών δεικτών SI με θερμική ενέργεια:

• 1 GJ ισούται με 0,24 Gcal, που σε ηλεκτρικούς όρους ισούται με 3400 εκατομμύρια kWh ανά ώρα. Σε ισοδύναμο θερμικής ενέργειας 1 GJ = 0,44 τόνοι ατμού.
• Ταυτόχρονα, 1 Gcal = 4,1868 GJ = 16.000 εκατομμύρια kW ανά ώρα = 1,9 τόνοι ατμού.
• 1 τόνος ατμού ισούται με 2,3 GJ = 0,6 Gcal = 8200 kW ανά ώρα.

Σε αυτό το παράδειγμα, η δεδομένη τιμή ατμού λαμβάνεται ως η εξάτμιση του νερού όταν φτάσει στους 100°C.

Για τον υπολογισμό της ποσότητας θερμότητας, χρησιμοποιείται η ακόλουθη αρχή: για τη λήψη δεδομένων σχετικά με την ποσότητα της θερμότητας, χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του υγρού, μετά την οποία η μάζα του νερού πολλαπλασιάζεται με τη θερμοκρασία βλάστησης. Εάν στο SI η μάζα ενός υγρού μετρηθεί σε κιλά και οι διαφορές θερμοκρασίας σε βαθμούς Κελσίου, τότε το αποτέλεσμα τέτοιων υπολογισμών θα είναι η ποσότητα της θερμότητας σε χιλιοθερμίδες.

Εάν υπάρχει ανάγκη μεταφοράς θερμικής ενέργειας από ένα φυσικό σώμα σε άλλο και θέλετε να μάθετε τις πιθανές απώλειες, τότε αξίζει να πολλαπλασιάσετε τη μάζα της λαμβανόμενης θερμότητας της ουσίας με τη θερμοκρασία της αύξησης και στη συνέχεια να μάθετε το γινόμενο της λαμβανόμενης τιμής με την «ειδική θερμοχωρητικότητα» της ουσίας.