Фокусът на нашата статия е количеството топлина. Ще разгледаме понятието вътрешна енергия, която се трансформира, когато това количество се промени. Ще покажем и някои примери за използването на изчисленията в човешката дейност.

Топлина

С всяка дума роден езикВсеки човек има свои собствени асоциации. Те са решени личен опити ирационални чувства. За какво обикновено се сещате, когато чуете думата „топлина“? Меко одеяло, работеща батерия парно отоплениезимата, първо слънчева светлинапролет, котка Или поглед на майка, утешителна дума на приятел, навременно внимание.

Физиците имат предвид много специфичен термин с това. И много важно, особено в някои раздели на тази сложна, но увлекателна наука.

Термодинамика

Не си струва да разглеждаме количеството топлина изолирано от най-простите процеси, на които се основава законът за запазване на енергията - нищо няма да бъде ясно. Затова нека първо ги припомним на нашите читатели.

Термодинамиката разглежда всяко нещо или обект като съединение голямо количествоелементарни части - атоми, йони, молекули. Неговите уравнения описват всяка промяна в колективното състояние на системата като цяло и като част от цялото, когато макропараметрите се променят. Последното се отнася до температура (означена като Т), налягане (Р), концентрация на компоненти (обикновено С).

Вътрешна енергия

Вътрешната енергия е доста сложен термин, чието значение си струва да се разбере, преди да се говори за количеството топлина. Означава енергията, която се променя, когато стойността на макропараметрите на даден обект се увеличава или намалява и не зависи от отправната система. Е част от обща енергия. Той съвпада с него в условия, когато центърът на масата на изследваното нещо е в покой (т.е. няма кинетичен компонент).

Когато човек почувства, че даден предмет (да речем велосипед) е станал горещ или студен, това показва, че всички молекули и атоми, които изграждат тази система, претърпя промяна във вътрешната енергия. Постоянната температура обаче не означава запазване на този показател.

Работа и топлина

Вътрешната енергия на всяка термодинамична система може да се трансформира по два начина:

• като работите върху него;
• по време на топлообмен с околната среда.

Формулата за този процес изглежда така:

dU=Q-A, където U е вътрешна енергия, Q е топлина, A е работа.

Нека читателят не се заблуждава от простотата на израза. Пренареждането показва, че Q=dU+A, но въвеждането на ентропия (S) довежда формулата до формата dQ=dSxT.

Тъй като в в този случайуравнението приема формата на диференциално, тогава първият израз изисква същото. След това, в зависимост от силите, действащи в изследвания обект и параметъра, който се изчислява, се извежда необходимото съотношение.

Да вземем метална топка като пример за термодинамична система. Ако го натиснеш, изхвърлиш го, пуснеш го в дълбок кладенец, значи работиш върху него. Външно всички тези безвредни действия няма да причинят никаква вреда на топката, но нейната вътрешна енергия ще се промени, макар и много леко.

Вторият метод е топлообмен. Сега стигаме до основната цел на тази статия: описание на това какво е количеството топлина. Това е промяна във вътрешната енергия на термодинамична система, която възниква по време на топлообмен (вижте формулата по-горе). Измерва се в джаули или калории. Очевидно, ако топката се държи над запалка, на слънце или просто вътре топла ръка, тогава ще се нагрее. И тогава можете да използвате промяната в температурата, за да намерите количеството топлина, което му е било съобщено.

Защо газът е най-добрият пример за промяна на вътрешната енергия и защо учениците не харесват физиката поради това

По-горе описахме промените в термодинамичните параметри на метална топка. Те не са много забележими без специални устройства и читателят може да разбере само за процесите, протичащи с обекта. Друг е въпроса ако уредбата е газова. Натиснете го - ще се види, загрейте го - налягането ще се повиши, спуснете го под земята - и лесно може да се запише. Затова в учебниците най-често газът се използва като визуална термодинамична система.

Но, уви, в съвременно образованиеНе се обръща много внимание на реалните експерименти. Учен, който пише методическо ръководство, разбира отлично за какво говори ние говорим за. Струва му се, че на примера на газовите молекули всички термодинамични параметри ще бъдат по правилния начиндемонстрира. Но студент, който тепърва открива този свят, се отегчава да слуша за идеална колба с теоретично бутало. Ако училището имаше истински научни лаборатории и разпределени часове за работа в тях, нещата щяха да са различни. Засега, за съжаление, експериментите са само на хартия. И най-вероятно точно това е причината хората да смятат този дял от физиката за нещо чисто теоретично, далеч от живота и ненужно.

Затова решихме да използваме вече споменатия по-горе велосипед като пример. Човек натиска педалите и върши работа върху тях. В допълнение към придаването на въртящ момент на целия механизъм (благодарение на който велосипедът се движи в пространството), вътрешната енергия на материалите, от които са направени лостовете, се променя. Велосипедистът натиска дръжките, за да завие, и отново върши работата.

Вътрешна енергия външно покритие(пластмаса или метал) се увеличава. Човек излиза на поляна под ярко слънце - велосипедът се нагрява, количеството му топлина се променя. Спира за почивка в сянката на стар дъб и системата се охлажда, губейки калории или джаули. Увеличава скоростта - енергийният обмен се увеличава. Въпреки това, изчисляването на количеството топлина във всички тези случаи ще покаже много малка, незабележима стойност. Следователно изглежда, че проявите на термодинамичната физика в реалния животне

Прилагане на изчисления за промяна на количеството топлина

Читателят вероятно ще каже, че всичко това е много образователно, но защо толкова се измъчваме в училище с тези формули? И сега ще дадем примери в кои области на човешката дейност те са пряко необходими и как това засяга всеки в ежедневието му.

Първо, огледайте се и пребройте: колко метални предмета ви заобикалят? Вероятно повече от десет. Но преди да се превърне в кламер, каретка, пръстен или флашка, всеки метал се подлага на топене. Всеки завод, който преработва, да речем, желязна руда, трябва да разбере колко гориво е необходимо, за да оптимизира разходите. И когато се изчислява това, е необходимо да се знае топлинният капацитет на металосъдържащата суровина и количеството топлина, което трябва да й се предаде, за да се случи всичко. технологични процеси. Тъй като енергията, освободена от единица гориво, се изчислява в джаули или калории, формулите са необходими директно.

Или друг пример: повечето супермаркети имат отдел със замразени стоки - риба, месо, плодове. Когато суровините от животинско месо или морски дарове се трансформират в полуготови продукти, те трябва да знаят колко електроенергия ще консумират хладилните и замразяващи агрегати за тон или единица готов продукт. За да направите това, трябва да изчислите колко топлина губи един килограм ягоди или калмари, когато се охладят с един градус по Целзий. И в крайна сметка това ще покаже колко електроенергия ще консумира фризер с определена мощност.

Самолети, кораби, влакове

По-горе показахме примери за относително неподвижни, статични обекти, които им се дават или, напротив, отнемат. определена суматоплина. За обекти, които се движат в условия на постоянно променяща се температура по време на работа, изчисленията на количеството топлина са важни по друга причина.

Има такова нещо като „умора на метала“. Той също така включва най-доброто допустими натоварванияпри определена скорост на промяна на температурата. Представете си самолет, излитащ от влажните тропици към замръзналата горна атмосфера. Инженерите трябва да работят усилено, за да гарантират, че няма да се разпадне поради пукнатини в метала, които се появяват при промяна на температурата. Те търсят състав на сплавта, който да издържа на реални натоварвания и да има голяма граница на безопасност. И за да не търсите сляпо, надявайки се случайно да се натъкнете на желания състав, трябва да направите много изчисления, включително тези, които включват промени в количеството топлина.

Учебна цел: Въвеждане на понятията количество топлина и специфичен топлинен капацитет.

Цел за развитие: Да се ​​култивира вниманието; научете да мислите, правете изводи.

1. Актуализиране на темата

2. Обяснение на нов материал. 50 мин.

Вече знаете, че вътрешната енергия на тялото може да се променя както чрез извършване на работа, така и чрез пренос на топлина (без извършване на работа).

Енергията, която тялото получава или губи по време на пренос на топлина, се нарича количество топлина. (запишете в тетрадката)

Това означава, че единиците за измерване на количеството топлина също са джаули ( J).

Провеждаме опит: две чаши в едната с 300 g вода, а в другата 150 g и железен цилиндър с тегло 150 g. И двете чаши се поставят върху една и съща плочка. След известно време термометрите ще покажат, че водата в съда, в който се намира тялото, се нагрява по-бързо.

Това означава, че нагряването на 150 g желязо изисква по-малко топлина, отколкото нагряването на 150 g вода.

Количеството топлина, предадено на тялото, зависи от вида на веществото, от което е направено тялото. (запишете в тетрадката)

Поставяме въпроса: необходимо ли е същото количество топлина, за да се нагреят тела с еднаква маса, но състоящи се от различни вещества, до една и съща температура?

Провеждаме експеримент с устройството на Тиндал, за да определим специфичния топлинен капацитет.

Заключаваме: тела от различни вещества, но с еднаква маса, се отказват при охлаждане и изискват при нагряване с еднакъв брой градуси различни количестватоплина.

Правим изводи:

1. За да се нагреят тела с еднаква маса, състоящи се от различни вещества, до една и съща температура, е необходимо различно количествотоплина.

2. Тела с еднаква маса, състоящи се от различни вещества и нагрети до същата температура. При охлаждане с еднакъв брой градуси се отделя различно количество топлина.

Ние заключаваме, че количеството топлина, необходимо за нагряване на единица маса от различни вещества с един градус, ще варира.

Даваме определението за специфичен топлинен капацитет.

Физическа величина, числено равна на количеството топлина, което трябва да се предаде на тяло с тегло 1 kg, за да се промени температурата му с 1 градус, се нарича специфичен топлинен капацитет на веществото.

Въведете мерната единица за специфичен топлинен капацитет: 1J/kg*градус.

Физическо значение на термина : Специфичният топлинен капацитет показва с каква стойност се променя вътрешната енергия на 1 g (kg) вещество, когато то се нагрява или охлажда с 1 градус.

Нека да разгледаме таблицата на специфичните топлинни мощности на някои вещества.

Ние решаваме проблема аналитично

Колко топлина е необходима за загряване на чаша вода (200 g) от 20 0 до 70 0 C.

За нагряване на 1 g на 1 g са необходими 4,2 J.

И за да загреете 200 g с 1 g, ще са необходими още 200 - 200 * 4,2 J.

И за да загреете 200 g с (70 0 -20 0), ще отнеме още (70-20) повече - 200 * (70-20) * 4,2 J

Замествайки данните, получаваме Q = 200 * 50 * 4,2 J = 42000 J.

Нека напишем получената формула по отношение на съответните количества

4. Какво определя количеството топлина, получено от тялото при нагряване?

Моля, обърнете внимание, че количеството топлина, необходимо за нагряване на всяко тяло, е пропорционално на масата на тялото и промяната в неговата температура.,

Има два цилиндъра с еднаква маса: желязо и месинг. Необходимо ли е същото количество топлина, за да ги нагреете с еднакъв брой градуси? защо

Какво количество топлина е необходимо за загряване на 250 g вода от 20 o до 60 0 C.

Каква е връзката между калории и джаул?

Една калория е количеството топлина, необходимо за загряване на 1 g вода с 1 градус.

1 кал = 4,19 = 4,2 J

1kcal=1000cal

1kcal=4190J=4200J

3. Разрешаване на проблеми. 28 мин.

Ако цилиндри от олово, калай и стомана с тегло 1 kg, нагрети във вряща вода, се поставят върху лед, те ще се охладят и част от леда под тях ще се стопи. Как ще се промени вътрешната енергия на цилиндрите? Под кой цилиндър ще се топи? повече лед, под кое – по-малко?

Нагрят камък с тегло 5 кг. Охлаждайки във вода с 1 градус, той й предава 2,1 kJ енергия. Какъв е специфичният топлинен капацитет на камъка?

При втвърдяване на длето първо се нагрява до 650 0, след това се спуска в масло, където се охлажда до 50 0 C. Какво количество топлина се отделя, ако масата му е 500 грама.

Колко топлина е използвано за нагряване на стоманена заготовка за коляновия вал на компресора с тегло 35 kg от 20 0 до 1220 0 C.

Самостоятелна работа

Какъв тип пренос на топлина?

Учениците попълват таблицата.

1. Въздухът в стаята се нагрява през стените.
2. Чрез отворен прозорец, в които влиза топъл въздух.
3. През стъкло, което пропуска слънчевите лъчи.
4. Земята се нагрява от слънчевите лъчи.
5. Течността се загрява на котлона.
6. Стоманената лъжица се нагрява от чая.
7. Въздухът се нагрява от свещта.
8. Газът се движи близо до генериращите гориво части на машината.
9. Загряване на дуло на картечница.
10. Врящо мляко.

5. Домашна работа: Peryshkin A.V. „Физика 8” § §7, 8; колекция от задачи 7-8 Lukashik V.I. № 778-780, 792,793 2 мин.

Вътрешната енергия на тялото може да се промени поради работата на външни сили. За да се характеризира промяната във вътрешната енергия по време на пренос на топлина, се въвежда величина, наречена количество топлина и означена с Q.

В международната система единицата за топлина, както и за работа и енергия, е джаул: = = = 1 J.

В практиката понякога се използва несистемна единица за количество топлина - калорията. 1 кал. = 4,2 J.

Трябва да се отбележи, че терминът "количество топлина" е неудачен. Въведен е във време, когато се смяташе, че телата съдържат определена безтегловна, неуловима течност - калорична. Процесът на топлообмен се предполага, че се състои в това, че калорията, преминавайки от едно тяло към друго, носи със себе си определено количество топлина. Сега, знаейки основите на молекулярно-кинетичната теория за структурата на материята, разбираме, че в телата няма калории, механизмът за промяна на вътрешната енергия на тялото е различен. Силата на традицията обаче е голяма и ние продължаваме да използваме термин, въведен на базата на неправилни представи за природата на топлината. В същото време, разбирайки природата на преноса на топлина, не трябва напълно да пренебрегвате погрешните схващания за него. Напротив, като се направи аналогия между потока топлина и потока на хипотетична течност от калории, количеството топлина и количеството калории, при решаването на определени класове проблеми е възможно да се визуализират протичащите процеси и правилно решаване на проблемите. В крайна сметка правилните уравнения, описващи процесите на пренос на топлина, някога са били получени на базата на неправилни представи за калориите като топлоносител.

Нека разгледаме по-подробно процесите, които могат да възникнат в резултат на топлообмен.

Налейте малко вода в епруветката и я затворете със запушалка. Окачваме епруветката на прът, фиксиран в стойка, и поставяме открит пламък под нея. Епруветката получава известно количество топлина от пламъка и температурата на течността в нея се повишава. С повишаване на температурата вътрешната енергия на течността се увеличава. Протича интензивен процес на изпаряване. Разширяващите се течни пари правят механична работачрез избутване на запушалка от епруветка.

Нека проведем още един експеримент с модел на оръдие, изработено от парче месингова тръба, което е монтирано на количка. От едната страна тръбата е плътно затворена с ебонитна тапа, през която е прокаран щифт. Проводниците са запоени към щифта и тръбата, завършващи с клеми, към които може да се подава напрежение от осветителната мрежа. По този начин моделът на оръдието е вид електрически бойлер.

Налей малко вода в дулото на оръдието и затвори тръбата с гумена запушалка. Нека свържем пистолета към източник на захранване. Електрически ток, преминавайки през водата, я загрява. Водата кипи, което води до интензивно образуване на пара. Налягането на водните пари се увеличава и накрая те вършат работата по изтласкване на щепсела от цевта на пистолета.

Пистолетът, поради откат, се търкаля в посока, обратна на изхвърлянето на щепсела.

И двете преживявания са обединени от следните обстоятелства. По време на процеса на нагряване на течността по различни начини, температурата на течността и съответно вътрешната й енергия се повишават. За да може течността да кипи и да се изпарява интензивно, е необходимо да продължите да я нагрявате.

Течните пари, поради своята вътрешна енергия, извършват механична работа.

Изследваме зависимостта на количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото, от неговата маса, температурните промени и вида на веществото. За изследване на тези зависимости ще използваме вода и масло. (За измерване на температурата в експеримента се използва електрически термометър, направен от термодвойка, свързана с огледален галванометър. Едно съединение на термодвойката се спуска в съд с студена водаза да се гарантира, че температурата му остава постоянна. Другото съединение на термодвойката измерва температурата на тестваната течност).

Преживяването се състои от три серии. В първата серия, за постоянна маса на определена течност (в нашия случай вода), се изследва зависимостта на количеството топлина, необходимо за нагряването й, от температурните промени. За количеството топлина, получено от течността от нагревателя ( електрическа печка), ще съдим по времето за нагряване, като приемем, че между тях има правопропорционална зависимост. За да съответства резултатът от експеримента на това предположение, е необходимо да се осигури стационарен топлинен поток от електрическата печка към нагрятото тяло. За да направите това, електрическата печка беше включена предварително, така че до началото на експеримента температурата на нейната повърхност да престане да се променя. За да загреем течността по-равномерно по време на експеримента, ще я разбъркаме с помощта на самата термодвойка. Ние ще записваме показанията на термометъра на равни интервали, докато светлинното петно ​​достигне ръба на скалата.

Нека заключим: има правопропорционална връзка между количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото, и промяната в неговата температура.

Във втората серия от експерименти ще сравним количествата топлина, необходими за нагряване на еднакви течности с различни маси, когато тяхната температура се промени с една и съща стойност.

За удобство при сравняване на получените стойности, масата на водата за втория експеримент ще бъде взета два пъти по-малка от тази в първия експеримент.

Отново ще записваме показанията на термометъра на равни интервали.

Сравнявайки резултатите от първия и втория експеримент, могат да се направят следните изводи.

В третата серия от експерименти ще сравним количествата топлина, необходими за нагряване на равни маси от различни течности, когато тяхната температура се промени с една и съща стойност.

Ще загреем олио на електрическа печка, чиято маса е равна на масата на водата в първия опит. Ние ще записваме показанията на термометъра на редовни интервали.

Резултатът от експеримента потвърждава заключението, че количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото, е правопропорционално на изменението на неговата температура и освен това показва зависимостта на това количество топлина от вида на веществото.

Тъй като в експеримента е използвано масло, чиято плътност е по-малка от плътността на водата и нагряването на маслото до определена температура изисква по-малко топлина, отколкото нагряването на вода, може да се приеме, че количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото, зависи от неговата плътност.

За да проверим това предположение, ще загреем едновременно равни маси вода, парафин и мед на нагревател с постоянна мощност.

След същото време температурата на медта е приблизително 10 пъти, а на парафина приблизително 2 пъти по-висока от температурата на водата.

Но медта има по-висока плътност, а парафинът има по-ниска плътност от водата.

Опитът показва, че величината, характеризираща скоростта на изменение на температурата на веществата, от които са направени телата, участващи в топлообмена, не е плътността. Това количество се нарича специфичен топлинен капацитетвещества и се обозначава с буквата c.

За да сравните специфичния топлинен капацитет на различни вещества, използвайте специално устройство. Устройството се състои от стелажи, в които са закрепени тънка парафинова пластина и лента с пръти, прекарани през нея. В краищата на прътите са закрепени алуминиеви, стоманени и месингови цилиндри с еднаква маса.

Нека загреем цилиндрите до същата температура, като ги потопим в съд с вода, стоящ върху горещ котлон. Закрепваме горещите цилиндри към стелажите и ги освобождаваме от закрепването. Цилиндрите едновременно докосват парафиновата плоча и, разтопявайки парафина, започват да потъват в нея. Дълбочината на потапяне на цилиндри с една и съща маса в парафинова плоча, когато температурата им се промени с еднакво количество, се оказва различна.

Опитът показва, че специфичните топлинни мощности на алуминия, стоманата и месинга са различни.

След като извършихме подходящи експерименти с топенето на твърди вещества, изпаряването на течности и изгарянето на гориво, получаваме следните количествени зависимости.

За да се получат единици за специфични количества, те трябва да бъдат изразени от съответните формули и в получените изрази да се заменят единици топлина - 1 J, маса - 1 kg и специфичен топлинен капацитет - 1 K.

Получаваме следните единици: специфичен топлинен капацитет – 1 J/kg·K, други специфични топлинни стойности: 1 J/kg.

Определение

Количеството топлинаили просто топлина($Q$) е вътрешната енергия, която се пренася от тела с повече висока температуракъм 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 ерг (erg). 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

Когато обсъждаме методи за отопление на къща, възможности за намаляване на изтичането на топлина, трябва да разберем какво е топлина, в какви единици се измерва, как се пренася и как се губи. Тази страница ще предостави основната информация от курса по физика, необходима за разглеждане на всички горепосочени въпроси.

Топлината е един от начините за пренос на енергия

Енергията, която тялото получава или губи в процеса на топлообмен с околната среда, се нарича количество топлина или просто топлина.

В тесен смисъл топлината е един от методите за пренос на енергия и само количеството енергия, прехвърлено към системата, има физическо значение, но думата „топлина“ е включена в такива утвърдени научни концепции, като топлинен поток, топлинен капацитет, топлина на фазов преход, топлина химическа реакция, топлопроводимост и т.н. Следователно, когато подобна употреба на думата не е подвеждаща, понятията „топлина“ и „количество топлина“ са синоними. Тези термини обаче могат да се използват само ако им се даде точна дефиниция и в никакъв случай „количеството топлина“ не може да се счита за едно от първоначалните понятия, които не изискват дефиниция. За да се избегнат грешки, понятието „топлина“ трябва да се разбира именно като метод за пренос на енергия, а количеството енергия, пренесено по този метод, се обозначава с понятието „количество топлина“. Препоръчително е да избягвате термини като " топлинна енергия».

Топлината е кинетичната част от вътрешната енергия на веществото, обусловена 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 топла вода(въпреки че температурата на водата в кофата е по-ниска).

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 така да се използва несистемна единица за количество топлина - калория: международната калория е равна на 4,1868 J.

Топлообмен и топлообмен

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 топилни пещи, космически корабии т.н.), а в други трябва да е възможно най-голям ( парни котли, топлообменници, съдове за готвене). 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. Топлопроводимостта на пръта се оценява по стойността топлинен поток, което зависи от коефициента на топлопроводимост, площ напречно сечение, през който се предава топлина и температурен градиент (отношението на температурната разлика в краищата на пръта към разстоянието между тях). Единицата за топлинен поток е ват.

ТОПЛОПРОВОДНОСТ НА НЯКОИ ВЕЩЕСТВА И МАТЕРИАЛИ
Вещества и материали Топлопроводимост, W/(m^2*K)
Метали
Алуминий ___________________205
Бронз _____________________105
Волфрам ___________________159
Желязо _________________________________67
Мед _______________________389
Никел ______________________________58
Олово __________________________35
Цинк _______________________113
Други материали
Азбест _______________________0,08
Бетон ________________________________0,59
Въздух _______________________0,024
Пух на гага (разхлабен) ______0,008
Дърво (орех) ________________0.209
Стърготини _______________________0,059
Каучук (гъба) ____________0,038
Стъкло ______________________0.75

Конвекция

Конвекцията е топлообмен поради движението на маси от въздух или течност. 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 силите на плаваемостта (архимедови) нагрятата част на средата се движи нагоре (поради което топъл въздухв стаята се издига от радиаторите до тавана). В прости случаи на поток на течност през тръба или поток около плоска повърхност, коефициентът на конвективен топлопренос може да се изчисли теоретично. Все още обаче не е възможно да се намери аналитично решение на проблема с конвекцията за турбулентен поток на среда.

Топлинно излъчване

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.

Слънцето е мощен излъчвател на топлинна енергия; нагрява Земята дори на разстояние от 150 милиона км. Интензивността на слънчевата радиация е приблизително 1,37 W/m2.

Скоростта на пренос на топлина чрез проводимост и конвекция е пропорционална на температурата, а лъчистият топлинен поток е пропорционален на четвъртата степен на температурата.

Топлинен капацитет

Различните вещества имат различни способности да съхраняват топлина; това зависи от тяхната молекулна структура и плътност. Количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на единица маса от вещество с един градус (1 °C или 1 K), се нарича негов специфичен топлинен капацитет. Топлинният капацитет се измерва в J/(kg K).

Обикновено се прави разлика между топлинен капацитет при постоянен обем ( C V) и топлинен капацитет при постоянно налягане ( с П), ако по време на процеса на нагряване обемът на тялото или съответно налягането се поддържат постоянни. 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 балон, се изразходва за разширяване на въздуха, а не за нагряването му. При нагряване при постоянно налягане част от топлината се използва за производство на работата по разширяване на тялото, а част се използва за увеличаване на вътрешната му енергия, докато при нагряване при постоянен обем цялата топлина се изразходва за увеличаване на вътрешната енергия; поради това С Рвинаги повече от C V. В течности и твърди вещества разликата между С РИ C Vотносително малък.

Термични машини

Топлинните двигатели са устройства, които преобразуват 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, използвана в съвременните топлоелектрически централи. Опростена диаграма на такава електроцентрала е показана на фигура 1.

ориз. 1. Опростена схема на парна турбина, работеща с изкопаеми горива.

Работният флуид - вода - се превръща в прегрята пара в парен котел, загрята чрез изгаряне на изкопаеми горива (въглища, нефт или природен газ). Пара високо наляганевърти вала парна турбина, който задвижва генератор, който произвежда електричество. Отработената пара кондензира при охлаждане от течаща вода, която поглъща част от топлината. 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.

Друг пример за топлинна машина е домакински хладилник, чиято диаграма е показана на фиг. 2.

В хладилници и битови климатициенергията 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 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.