A hőmennyiség. A hőmennyiség mértékegységei
Hőkapacitás- ennyi hőt vesz fel a szervezet 1 fokos melegítéskor.
A test hőkapacitását nagy latin betű jelzi VAL VEL.
Mitől függ egy test hőkapacitása? Először is a tömegétől. Nyilvánvaló, hogy például 1 kilogramm víz felmelegítéséhez több hőre lesz szükség, mint 200 grammra.
Mi a helyzet az anyag típusával? Végezzünk egy kísérletet. Vegyünk két egyforma edényt, és miután az egyikbe 400 g-os vizet, a másikba pedig 400 g-os növényi olajat öntünk, elkezdjük melegíteni őket azonos égőkkel. A hőmérő állásait megfigyelve látni fogjuk, hogy az olaj gyorsan felmelegszik. A víz és az olaj azonos hőmérsékletű felmelegítéséhez a vizet tovább kell melegíteni. De minél tovább melegítjük a vizet, annál több hőt kap az égőtől.
Így különböző mennyiségű hő szükséges ugyanazon tömegű anyagok azonos hőmérsékletre történő felmelegítéséhez. A test felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség, és ezáltal a hőkapacitása a testet alkotó anyag típusától függ.
Tehát például az 1 kg tömegű víz hőmérsékletének 1 °C-kal történő növeléséhez 4200 J hőmennyiség szükséges, és ugyanennyi napraforgóolaj 1 °C-os felmelegítéséhez annyi hőmennyiség, mint 1700 J szükséges.
Olyan fizikai mennyiséget nevezünk, amely megmutatja, hogy mennyi hő szükséges 1 kg anyag 1 °C-os felmelegítéséhez fajlagos hőkapacitás ennek az anyagnak.
Minden anyagnak megvan a maga fajlagos hőkapacitása, amelyet a latin c betűvel jelölünk, és joule per kilogramm fokban mérjük (J/(kg °C)).
Ugyanazon anyag fajlagos hőkapacitása különböző aggregációs állapotokban (szilárd, folyékony és gázhalmazállapotú) eltérő. Például a víz fajlagos hőkapacitása 4200 J/(kg °C), a jég fajlagos hőkapacitása 2100 J/(kg °C); Az alumínium szilárd állapotban 920 J/(kg - °C), folyékony állapotban pedig 1080 J/(kg - °C) fajlagos hőkapacitású.
Vegye figyelembe, hogy a víz nagyon nagy fajlagos hőkapacitású. Ezért a tengerek és óceánok vize nyáron felmelegítve nagy mennyiségű hőt nyel el a levegőből. Ennek köszönhetően azokon a helyeken, amelyek nagy víztestek közelében helyezkednek el, a nyár nem olyan meleg, mint a víztől távol eső helyeken.
A test felmelegítéséhez szükséges vagy a hűtés során felszabaduló hőmennyiség kiszámítása.
A fentiekből kitűnik, hogy a test felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség a test anyagának típusától (azaz fajlagos hőkapacitásától) és a test tömegétől függ. Az is világos, hogy a hőmennyiség attól függ, hogy hány fokkal emeljük a testhőmérsékletet.
Tehát a test felmelegítéséhez szükséges vagy a hűtés során felszabaduló hőmennyiség meghatározásához meg kell szorozni a test fajlagos hőkapacitását a tömegével, valamint a végső és a kezdeti hőmérséklet különbségével:
K= cm (t 2 - t 1),
Ahol K- hőmennyiség, c- fajlagos hőkapacitás, m- testtömeg, t 1- kezdeti hőmérséklet, t 2- végső hőmérséklet.
Amikor a test felmelegszik t 2> t 1és ezért K >0 . Amikor a test lehűl t 2i< t 1és ezért K< 0 .
Ha ismert az egész test hőkapacitása VAL VEL, K képlet határozza meg: Q = C (t 2 - t 1).
22) Olvadás: definíció, olvadási vagy megszilárdulási hőmennyiség, fajolvadási hő, t 0 (Q) grafikonja.
Termodinamika
A molekuláris fizika egyik ága, amely az energiaátvitelt, az egyik energiafajta másik energiafajtává való átalakulásának mintázatait vizsgálja. A molekuláris kinetikai elmélettel ellentétben a termodinamika nem veszi figyelembe az anyagok és a mikroparaméterek belső szerkezetét.
Termodinamikai rendszer
Olyan testek gyűjteménye, amelyek energiát cserélnek (munka vagy hő formájában) egymással vagy a környezettel. Például a vízforralóban lévő víz lehűl, és a víz és a vízforraló között hőcsere történik, a vízforraló hője pedig a környezettel. Henger gázzal a dugattyú alatt: a dugattyú munkát végez, melynek eredményeként a gáz energiát kap és makroparaméterei megváltoznak.
A hőmennyiség
Ez energia, amelyet a rendszer a hőcsere folyamata során fogad vagy bocsát ki. A Q szimbólummal jelölve, mint minden energiát, Joule-ban mérik.
A különféle hőcserélő folyamatok eredményeként az átvitt energia a maga módján meghatározódik.
Fűtés és hűtés
Ezt a folyamatot a rendszer hőmérsékletének változása jellemzi. A hőmennyiséget a képlet határozza meg
Egy anyag fajlagos hőkapacitása a felmelegedéshez szükséges hőmennyiséggel mérve tömegegységek ebből az anyagból 1 ezerrel. 1 kg pohár vagy 1 kg víz felmelegítése eltérő mennyiségű energiát igényel. A fajlagos hőkapacitás ismert mennyiség, már minden anyagra kiszámítva, lásd az értéket a fizikai táblázatokban.
A C anyag hőkapacitása- ez az a hőmennyiség, amely egy test felmelegítéséhez szükséges anélkül, hogy figyelembe vennénk a tömegét 1K-val.
Olvadás és kristályosodás
Az olvadás az anyag átmenete szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba. A fordított átmenetet kristályosodásnak nevezzük.
Az anyag kristályrácsának lebontására fordított energiát a képlet határozza meg
A fajlagos olvadáshő minden anyagnál ismert érték, lásd az értéket a fizikai táblázatokban.
Párolgás (párolgás vagy forralás) és kondenzáció
A párologtatás egy anyag folyékony (szilárd) halmazállapotból gáz halmazállapotba való átmenete. A fordított folyamatot kondenzációnak nevezik.
A fajlagos párolgási hő minden anyagnál ismert érték, lásd az értéket a fizikai táblázatokban.
Égés
Az anyag égésekor felszabaduló hőmennyiség
A fajlagos égéshő minden anyagnál ismert érték, lásd az értéket a fizikai táblázatokban.
Zárt és adiabatikusan izolált testrendszerre teljesül a hőmérleg egyenlete. A hőcserében részt vevő összes test által adott és kapott hőmennyiség algebrai összege nulla:
Q 1 +Q 2 +...+Q n =0
23) A folyadékok szerkezete. Felszíni réteg. Felületi feszültségi erő: megnyilvánulási példák, számítások, felületi feszültségi együttható.
Időről időre bármely molekula egy közeli üres helyre költözhet. Az ilyen ugrások a folyadékokban meglehetősen gyakran előfordulnak; ezért a molekulák nincsenek meghatározott központokhoz kötve, mint a kristályoknál, és a folyadék teljes térfogatában mozoghatnak. Ez magyarázza a folyadékok folyékonyságát. A szorosan elhelyezkedő molekulák közötti erős kölcsönhatás miatt több molekulát tartalmazó lokális (instabil) rendezett csoportokat alkothatnak. Ezt a jelenséget az ún zárja be a rendet(3.5.1. ábra).
A β együtthatót ún a térfogati tágulás hőmérsékleti együtthatója . Ez az együttható folyadékoknál több tízszer nagyobb, mint szilárd anyagoknál. Víznél például 20 °C hőmérsékleten β in ≈ 2 10 – 4 K – 1, acélnál β st ≈ 3,6 10 – 5 K – 1, kvarcüvegnél β kv ≈ 9 10 – 6 K - 1 .
A víz hőtágulásának érdekes és fontos anomáliája van a földi élet szempontjából. 4 °C alatti hőmérsékleten a víz a hőmérséklet csökkenésével kitágul (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Amikor a víz megfagy, kitágul, így a jég lebegve marad a fagyos víztest felszínén. A fagyos víz hőmérséklete a jég alatt 0 °C. A tározó alján lévő sűrűbb vízrétegekben a hőmérséklet körülbelül 4 °C. Ennek köszönhetően a fagyos tározók vizében is létezhet élet.
A folyadékok legérdekesebb tulajdonsága a jelenlét szabad felület . A folyadék, ellentétben a gázokkal, nem tölti ki a tartály teljes térfogatát, amelybe öntik. A folyadék és a gáz (vagy gőz) között határfelület jön létre, amely a folyadék többi részéhez képest speciális körülmények között van. nem vezet észrevehető változáshoz a folyadék térfogatában. Ha egy molekula a felszínről a folyadékba kerül, az intermolekuláris kölcsönhatás erői pozitív munkát végeznek. Éppen ellenkezőleg, ahhoz, hogy bizonyos számú molekulát a folyadék mélységéből a felszínre húzzanak (azaz növeljék a folyadék felületét), a külső erőknek pozitív munkát kell végezniük Δ A külső, a Δ változással arányos S felszíni terület:
A mechanikából ismert, hogy egy rendszer egyensúlyi állapotai megfelelnek potenciális energiájának minimális értékének. Ebből következik, hogy a folyadék szabad felülete hajlamos csökkenteni a területét. Emiatt egy szabad csepp folyadék gömb alakú. A folyadék úgy viselkedik, mintha a felületére érintőlegesen ható erők összehúznák (húznák) ezt a felületet. Ezeket az erőket ún felületi feszültségi erők .
A felületi feszültségi erők jelenléte a folyadék felületét rugalmas feszített fóliához hasonlítja, azzal az egyetlen különbséggel, hogy a filmben lévő rugalmas erők a felületétől (azaz attól, hogy a film deformálódik) és a felületi feszültségtől függenek. erők ne függj a folyadék felületén.
Egyes folyadékok, például a szappanos víz, képesek vékony filmeket képezni. A jól ismert szappanbuborékok szabályos gömb alakúak - ez is mutatja a felületi feszültségi erők hatását. Ha egy drótvázat, amelynek egyik oldala mozgatható, szappanos oldatba engedi le, akkor az egész keretet egy folyadékfilm borítja (3.5.3. ábra).
A felületi feszültségek csökkentik a film felületét. A keret mozgatható oldalának kiegyensúlyozásához külső erőt kell rá hatni Ha az erő hatására a keresztrúd Δ-vel elmozdul x, akkor a Δ munka kerül végrehajtásra A vn = F vn Δ x = Δ E p = σΔ S, ahol Δ S = 2LΔ x– a szappanfólia mindkét oldalának felületének növekedése. Mivel az és az erők modulusai megegyeznek, a következőket írhatjuk:
|
Így a σ felületi feszültség együttható a következőképpen definiálható a felületet határoló vonal egységnyi hosszára ható felületi feszültségi erő modulusa.
A folyadékcseppekben és a belső szappanbuborékokban fellépő felületi feszültségi erők hatására Δ túlnyomás keletkezik p. Ha gondolatban levág egy gömb alakú sugarú cseppet R két felére, akkor mindegyiknek egyensúlyban kell lennie a 2π hosszúságú vágási határfelületre ható felületi feszültség hatására. Rés a π területre ható túlnyomásos erők R 2 szakasz (3.5.4. ábra). Az egyensúlyi feltételt így írjuk le
Ha ezek az erők nagyobbak, mint a folyadék molekulái közötti kölcsönhatás erői, akkor a folyadéké nedves szilárd anyag felülete. Ebben az esetben a folyadék egy adott folyadék-szilárd párra jellemző θ hegyesszögben közelíti meg a szilárd test felületét. A θ szöget nevezzük érintkezési szög . Ha a folyékony molekulák közötti kölcsönhatás erői meghaladják a szilárd molekulákkal való kölcsönhatás erejét, akkor a θ érintkezési szög tompaszögűnek bizonyul (3.5.5. ábra). Ebben az esetben azt mondják, hogy a folyadék nem nedvesít szilárd anyag felülete. Nál nél teljes nedvesítésθ = 0, at teljes nem nedvesedésθ = 180°.
Kapilláris jelenségek a folyadék felemelkedésének vagy süllyedésének nevezik kis átmérőjű csövekben - hajszálerek. A nedvesítő folyadékok a kapillárisokon keresztül felszállnak, a nem nedvesítő folyadékok leszállnak.
ábrán. A 3.5.6 egy bizonyos sugarú kapilláris csövet mutat r, alsó végén ρ sűrűségű nedvesítő folyadékká süllyesztve. A kapilláris felső vége nyitott. A folyadék emelkedése a kapillárisban addig tart, amíg a kapillárisban lévő folyadékoszlopra ható gravitációs erő egyenlővé nem válik az eredővel. F n a folyadéknak a kapilláris felületével való érintkezésének határa mentén ható felületi feszültségek: F t = F n, hol F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.
Ez a következőket jelenti:
Teljes nem nedvesedés esetén θ = 180°, cos θ = –1, és ezért h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
A víz szinte teljesen átnedvesíti a tiszta üvegfelületet. Éppen ellenkezőleg, a higany nem nedvesíti át teljesen az üvegfelületet. Ezért az üvegkapilláris higanyszintje az edény szintje alá csökken.
24) Párolgás: meghatározás, típusok (párolgás, forralás), párolgási és kondenzációs hőmennyiség számítása, párolgási fajhő.
Párolgás és kondenzáció. A párolgás jelenségének magyarázata az anyag molekulaszerkezetére vonatkozó elképzelések alapján. Fajlagos párolgási hő. Az egységei.
A folyadék gőzzé alakulásának jelenségét ún párologtatás.
Párolgás - nyílt felületről fellépő párologtatási folyamat.
A folyékony molekulák különböző sebességgel mozognak. Ha bármely molekula a folyadék felszínén köt ki, az legyőzheti a szomszédos molekulák vonzerejét, és kirepülhet a folyadékból. A kilökődött molekulák gőzt képeznek. A folyadék maradék molekulái ütközéskor sebességet változtatnak. Ugyanakkor egyes molekulák olyan sebességre tesznek szert, amely elegendő ahhoz, hogy kirepüljön a folyadékból. Ez a folyamat folytatódik, így a folyadékok lassan elpárolognak.
*A párolgás sebessége a folyadék típusától függ. Azok a folyadékok, amelyek molekuláit kisebb erővel vonzzák, gyorsabban párolognak el.
*A párolgás bármely hőmérsékleten előfordulhat. De magas hőmérsékleten a párolgás gyorsabban megy végbe .
*A párolgás sebessége a felületétől függ.
*A széllel (levegőáramlással) gyorsabban megy végbe a párolgás.
A párolgás során a belső energia csökken, mert A párolgás során a folyadék gyors molekulákat hagy el, ezért a megmaradó molekulák átlagsebessége csökken. Ez azt jelenti, hogy ha nincs kívülről beáramló energia, akkor a folyadék hőmérséklete csökken.
A gőz folyadékká alakulásának jelenségét ún páralecsapódás.
Energiák felszabadulásával jár együtt.
A páralecsapódás magyarázza a felhők képződését. A talaj fölé emelkedő vízgőz a levegő felső hidegrétegeiben felhőket képez, amelyek apró vízcseppekből állnak.
Fajlagos párolgási hő – fizikai egy érték, amely megmutatja, hogy mennyi hő szükséges ahhoz, hogy egy 1 kg tömegű folyadékot gőzzé alakítsunk a hőmérséklet változtatása nélkül.
Ud. párolgási hő L betűvel jelöljük és J/kg-ban mérjük
Ud. víz párolgási hője: L=2,3×10 6 J/kg, alkohol L=0,9×10 6
A folyadék gőzzé alakításához szükséges hőmennyiség: Q = Lm
Cikkünk középpontjában a hőmennyiség áll. Megvizsgáljuk a belső energia fogalmát, amely átalakul, ha ez a mennyiség megváltozik. Néhány példát mutatunk be a számítások emberi tevékenységben való felhasználására is.
Hő
Minden embernek megvan a maga asszociációja az anyanyelvének bármely szavához. Személyes tapasztalatok és irracionális érzések határozzák meg őket. Általában mi jut eszedbe a „melegség” szó hallatán? Puha takaró, télen működő központi fűtés radiátor, tavasszal az első napfény, macska. Vagy egy anya pillantása, egy barát vigasztaló szava, időszerű odafigyelés.
A fizikusok ez alatt egy egészen konkrét kifejezést értenek. És nagyon fontos, különösen ennek az összetett, de lenyűgöző tudománynak egyes szakaszaiban.
Termodinamika
Nem érdemes a hőmennyiséget a legegyszerűbb folyamatoktól elkülönítve figyelembe venni, amelyeken az energiamegmaradás törvénye alapul - semmi sem lesz világos. Ezért először is emlékeztessük rájuk olvasóinkat.
A termodinamika minden dolgot vagy tárgyat nagyon sok elemi rész - atomok, ionok, molekulák - kombinációjának tekint. Egyenletei leírnak minden változást a rendszer kollektív állapotában, mint egészben és az egész részeként, amikor a makroparaméterek megváltoznak. Ez utóbbi a hőmérsékletre (T-vel jelölve), a nyomásra (P), a komponensek koncentrációjára (általában C) vonatkozik.
Belső energia
A belső energia meglehetősen összetett fogalom, melynek jelentését érdemes megérteni, mielőtt a hőmennyiségről beszélnénk. Azt az energiát jelöli, amely akkor változik, amikor egy objektum makroparamétereinek értéke nő vagy csökken, és nem függ a referenciarendszertől. A teljes energia része. Egybeesik vele olyan körülmények között, amikor a vizsgált dolog tömegközéppontja nyugalomban van (azaz nincs kinetikai komponens).
Ha egy személy úgy érzi, hogy egy tárgy (mondjuk egy kerékpár) felmelegedett vagy lehűlt, ez azt jelzi, hogy a rendszert alkotó összes molekula és atom belső energiája megváltozott. Az állandó hőmérséklet azonban nem jelenti ennek a mutatónak a megőrzését.
Munka és hőség
Bármely termodinamikai rendszer belső energiája kétféleképpen alakítható át:
- azáltal, hogy munkát végez rajta;
- a környezettel való hőcsere során.
A folyamat képlete így néz ki:
dU=Q-A, ahol U belső energia, Q hő, A munka.
Ne tévessze meg az olvasót a kifejezés egyszerűsége. Az átrendezés azt mutatja, hogy Q=dU+A, azonban az entrópia (S) bevezetése a képletet dQ=dSxT alakba hozza.
Mivel ebben az esetben az egyenlet differenciális alakot ölt, az első kifejezés ugyanezt követeli meg. Ezután a vizsgált objektumban ható erőktől és a számítás alatt álló paramétertől függően levezetjük a szükséges arányt.
Vegyünk egy fémgolyót a termodinamikai rendszer példájaként. Ha rányomod, feldobod, mély kútba dobod, akkor ez azt jelenti, hogy dolgozol rajta. Külsőleg mindezek az ártalmatlan cselekedetek nem okoznak kárt a labdában, de a belső energiája megváltozik, bár nagyon enyhén.
A második módszer a hőcsere. Most elérkeztünk a cikk fő céljához: a hőmennyiség leírásához. Ez egy termodinamikai rendszer belső energiájában bekövetkező változás, amely a hőcsere során következik be (lásd a fenti képletet). Joule-ban vagy kalóriában mérik. Nyilvánvalóan, ha a labdát egy öngyújtó fölé tartod, a napon vagy egyszerűen csak meleg kézben tartod, felmelegszik. És akkor a hőmérséklet változásával megkeresheti a vele közölt hőmennyiséget.
Miért a gáz a legjobb példa a belső energia változására, és miért nem szeretik az iskolások emiatt a fizikát
Fentebb egy fémgolyó termodinamikai paramétereinek változásait írtuk le. Speciális eszközök nélkül nem nagyon észrevehetők, és az olvasó csak a szót fogadja a tárggyal végbemenő folyamatokról. Más kérdés, hogy gáz-e a rendszer. Nyomd rá - látható lesz, melegítsd - emelkedik a nyomás, engedd le a föld alá - és könnyen rögzíthető. Ezért a tankönyvekben a gázt leggyakrabban vizuális termodinamikai rendszerként használják.
De sajnos a modern oktatásban nem fordítanak sok figyelmet a valódi élményekre. A módszertani kézikönyvet író tudós tökéletesen érti, mi forog kockán. Úgy tűnik számára, hogy a gázmolekulák példájával minden termodinamikai paraméter megfelelően bemutatásra kerül. De egy diák, aki csak felfedezi ezt a világot, unja, hogy egy elméleti dugattyúval ellátott ideális lombikról hall. Ha az iskolának valódi kutatólaboratóriumai lennének, és órákat osztanának be azokban való munkára, a dolgok másképp mennének. Egyelőre sajnos csak papíron vannak a kísérletek. És valószínűleg ez az oka annak, hogy az emberek a fizika e ágát pusztán elméletinek, az élettől távolinak és szükségtelennek tartják.
Ezért úgy döntöttünk, hogy a fentebb már említett kerékpárt használjuk példaként. Az ember megnyomja a pedálokat, és dolgozik rajtuk. Amellett, hogy nyomatékot ad a teljes mechanizmusra (ennek köszönhetően a kerékpár mozog a térben), megváltozik azoknak az anyagoknak a belső energiája, amelyekből a karok készülnek. A kerékpáros megnyomja a fogantyúkat a forduláshoz, és ismét elvégzi a munkát.
A külső bevonat (műanyag vagy fém) belső energiája megnő. Az ember kilovagol egy tisztásra a ragyogó nap alatt - a kerékpár felmelegszik, hőmennyisége megváltozik. Megáll pihenni egy öreg tölgyfa árnyékában, és a rendszer lehűl, kalóriát vagy joule-t veszít. Növeli a sebességet - növeli az energiacserét. A hőmennyiség kiszámítása azonban mindezen esetekben nagyon kicsi, észrevehetetlen értéket mutat. Ezért úgy tűnik, hogy a termodinamikai fizikának nincsenek megnyilvánulásai a való életben.
Számítások alkalmazása a hőmennyiség változására
Valószínűleg azt mondja az olvasó, hogy mindez nagyon tanulságos, de miért kínlódunk ennyire az iskolában ezekkel a képletekkel? És most példákat adunk, hogy az emberi tevékenység mely területein van rájuk közvetlenül szükség, és hogyan érint ez bárkit a mindennapi életében.
Először is nézz körül, és számold meg: hány fémtárgy vesz körül? Valószínűleg több mint tíz. De mielőtt gemkapocs, hintó, gyűrű vagy pendrive válna belőle, minden fém megolvasztódik. Minden üzemnek, amely mondjuk vasércet dolgoz fel, meg kell értenie, hogy mennyi tüzelőanyagra van szükség a költségek optimalizálásához. Ennek kiszámításakor pedig ismerni kell a fémtartalmú alapanyag hőkapacitását és azt a hőmennyiséget, amit át kell adni ahhoz, hogy minden technológiai folyamat lezajljon. Mivel az egységnyi üzemanyag által felszabaduló energiát joule-ban vagy kalóriában számítják ki, a képletekre közvetlenül szükség van.
Vagy egy másik példa: a legtöbb szupermarketnek van egy részlege fagyasztott árukkal – hal, hús, gyümölcs. Ha az állati húsból vagy tenger gyümölcseiből származó nyersanyagokat félkész termékekké alakítják, tudniuk kell, hogy a hűtő- és fagyasztóegységek mennyi áramot fogyasztanak tonnánként vagy késztermékegységenként. Ehhez ki kell számolni, hogy egy kilogramm eper vagy tintahal mennyi hőt veszít egy Celsius-fokkal lehűtve. És a végén ez megmutatja, hogy egy bizonyos teljesítményű fagyasztó mennyi áramot fogyaszt.
Repülőgépek, hajók, vonatok
Fentebb példákat mutattunk be viszonylag mozdulatlan, statikus tárgyakra, amelyekre bizonyos mennyiségű hőt adnak át, vagy éppen ellenkezőleg, bizonyos mennyiségű hőt vesznek el. Azoknál a tárgyaknál, amelyek működés közben folyamatosan változó hőmérséklet mellett mozognak, a hőmennyiség számítása más okból is fontos.
Van olyan, hogy „fémfáradtság”. Tartalmazza a maximális megengedett terheléseket is bizonyos hőmérséklet-változási sebesség mellett. Képzeljen el egy repülőgépet, amely a nedves trópusokról felszáll a fagyos felső légkörbe. A mérnököknek keményen kell dolgozniuk annak érdekében, hogy ne essen szét a fém repedései miatt, amelyek a hőmérséklet változásakor jelennek meg. Olyan ötvözet-összetételt keresnek, amely elviseli a valós terhelést és nagy biztonsági résszel rendelkezik. És annak érdekében, hogy ne keressen vakon, abban a reményben, hogy véletlenül belebotlik a kívánt összetételbe, sok számítást kell végeznie, beleértve azokat is, amelyek a hőmennyiség változásait tartalmazzák.
Mint ismeretes, a különféle mechanikai folyamatok során a mechanikai energia változása következik be. A mechanikai energia változásának mértéke a rendszerre ható erők munkája:
A hőcsere során a test belső energiájában változás következik be. A belső energia hőátadás során bekövetkező változásának mértéke a hőmennyiség.
A hőmennyiség a belső energia változásának mértéke, amelyet a test kap (vagy lemond) a hőcsere során.
Így mind a munka, mind a hőmennyiség jellemzi az energia változását, de nem azonos az energiával. Nem magának a rendszernek az állapotát jellemzik, hanem meghatározzák az energia átmenet folyamatát egyik típusból a másikba (egyik testből a másikba), amikor az állapot megváltozik, és jelentősen függ a folyamat természetétől.
A fő különbség a munka és a hőmennyiség között az, hogy a munka jellemzi a rendszer belső energiájának megváltoztatásának folyamatát, amelyet az energia egyik típusból a másikba való átalakulása kísér (mechanikaiból belsővé). A hőmennyiség jellemzi a belső energia egyik testről a másikra történő átvitelének folyamatát (a melegebbről a kevésbé fűtöttre), amelyet nem kísérnek energiaátalakítások.
A tapasztalatok azt mutatják, hogy egy m tömegű test hőmérsékletről hőmérsékletre való felmelegítéséhez szükséges hőmennyiséget a képlet segítségével számítjuk ki
ahol c az anyag fajlagos hőkapacitása;
A fajlagos hőkapacitás SI mértékegysége joule per kilogramm Kelvin (J/(kg K)).
Fajlagos hő c számszerűen egyenlő azzal a hőmennyiséggel, amelyet egy 1 kg tömegű testnek át kell adni ahhoz, hogy azt 1 K-vel felmelegítse.
Hőkapacitás a test számszerűen egyenlő a testhőmérséklet 1 K-val történő megváltoztatásához szükséges hőmennyiséggel:
Egy test hőkapacitásának SI mértékegysége joule per Kelvin (J/K).
Ahhoz, hogy egy folyadékot állandó hőmérsékleten gőzzé alakítsunk, bizonyos mennyiségű hőt kell felhasználni
ahol L a fajlagos párolgási hő. A gőz lecsapódásakor ugyanannyi hő szabadul fel.
>>Fizika: Hőmennyiség
A palackban lévő gáz belső energiáját nemcsak munkavégzéssel, hanem a gáz felmelegítésével is megváltoztathatja.
Ha rögzíti a dugattyút ( 13.5. ábra), akkor a gáz térfogata nem változik melegítéskor és nem történik munka. De a gáz hőmérséklete, és így belső energiája is nő.
Az energia egyik testből a másikba munkavégzés nélkül történő átvitelének folyamatát nevezzük hőcsere vagy hőátadás.
A belső energia hőátadás során bekövetkező változásának mennyiségi mértékét ún hőmennyiség. A hőmennyiséget annak az energiának is nevezik, amelyet a test a hőcsere során lead.
A hőátadás molekuláris képe
A hőcsere során az energia nem alakul át egyik formából a másikba, a forró test belső energiájának egy része átkerül a hideg testbe.
Hőmennyiség és hőkapacitás. Azt már tudod, hogy fel kell melegíteni egy tömeges testet m hőmérsékleten t 1 hőmérsékletig t 2át kell adni a hőmennyiséget:
Amikor a test lehűl, a végső hőmérséklete t 2 alacsonyabbnak bizonyul, mint a kezdeti hőmérséklet t 1és a test által leadott hőmennyiség negatív.
Együttható c képletben (13.5) nevezzük fajlagos hőkapacitás anyagokat. A fajlagos hőkapacitás számszerűen megegyezik azzal a hőmennyiséggel, amelyet egy 1 kg tömegű anyag kap vagy bocsát ki, ha hőmérséklete 1 K-vel változik.
A fajlagos hőkapacitás nemcsak az anyag tulajdonságaitól függ, hanem a hőátadás folyamatától is. Ha egy gázt állandó nyomáson melegít, az kitágul és működik. Ahhoz, hogy egy gázt állandó nyomáson 1°C-kal felmelegítsen, több hőt kell átadnia, mint állandó térfogaton, amikor a gáz csak felmelegszik.
A folyadékok és a szilárd anyagok melegítéskor kissé kitágulnak. Fajlagos hőkapacitásuk állandó térfogaton és állandó nyomáson alig különbözik.
Fajlagos párolgási hő. Ahhoz, hogy egy folyadékot gőzzé alakítsunk a forrás közben, bizonyos mennyiségű hőt kell átadni rá. A folyadék hőmérséklete nem változik, amikor forr. A folyadék gőzzé alakulása állandó hőmérsékleten nem vezet a molekulák kinetikus energiájának növekedéséhez, hanem kölcsönhatásuk potenciális energiájának növekedésével jár. Végül is a gázmolekulák közötti átlagos távolság sokkal nagyobb, mint a folyadékmolekulák között.
Az 1 kg tömegű folyadék állandó hőmérsékletű gőzzé alakításához szükséges hőmennyiséggel számszerűen megegyező mennyiséget ún. fajlagos párolgási hő. Ezt az értéket betű jelöli rés joule per kilogrammban (J/kg) vannak kifejezve.
A víz fajpárolgási hője nagyon magas: r H2O=2,256 10 6 J/kg 100°C hőmérsékleten. Más folyadékok, például alkohol, éter, higany, kerozin esetében a párolgási hő 3-10-szer kisebb, mint a vízé.
A folyadék tömeggé alakítása m a gőznek annyi hőre van szüksége, mint:
A gőz lecsapódásakor ugyanannyi hő szabadul fel:
Az olvadásponton 1 kg tömegű kristályos anyag folyadékká alakításához szükséges hőmennyiséggel számszerűen megegyező értéket fajlagos olvadási hőnek nevezzük.
Egy 1 kg tömegű anyag kikristályosodásakor pontosan ugyanannyi hő szabadul fel, mint amennyi az olvadáskor elnyelődik.
A jég olvadáshője meglehetősen magas: 3,34 10 5 J/kg. „Ha a jégnek nem lenne nagy olvadási hője” – írta R. Black még a 18. században –, akkor tavasszal a jég teljes tömegének néhány perc vagy másodperc alatt el kellett volna olvadnia, mivel a hő folyamatosan átadódik a jégnek. a levegőből. Ennek súlyos következményei lennének; elvégre a jelenlegi helyzetben is nagy árvizek és erős vízhozamok keletkeznek, amikor nagy tömegű jég vagy hó olvad.”
Kristályos testsúly megolvasztása érdekében m, a szükséges hőmennyiség egyenlő:
A test kristályosodása során felszabaduló hőmennyiség egyenlő:
A test belső energiája változik felmelegedés és hűtés, párolgás és kondenzáció, olvadás és kristályosodás során. Minden esetben bizonyos mennyiségű hő kerül a szervezetbe, illetve távozik onnan.
???
1. Mit nevezünk mennyiségnek melegség?
2. Mitől függ egy anyag fajlagos hőkapacitása?
3. Mit nevezünk párolgási fajhőnek?
4. Hogyan nevezzük a fajlagos olvadási hőt?
5. Milyen esetekben a hőmennyiség pozitív, és milyen esetekben negatív?
G.Ja.Mjakisev, B.B.Buhovcev, N.N. Szockij, fizika 10. osztály
Az óra tartalma leckejegyzetek keretóra prezentációgyorsítási módszerek támogatása interaktív technológiák Gyakorlat feladatok és gyakorlatok önellenőrző műhelyek, tréningek, esetek, küldetések házi feladat megbeszélés kérdések szónoki kérdések a tanulóktól Illusztrációk audio, videoklippek és multimédia fényképek, képek, grafikák, táblázatok, diagramok, humor, anekdoták, viccek, képregények, példázatok, mondások, keresztrejtvények, idézetek Kiegészítők absztraktokat cikkek trükkök a kíváncsi kiságyak tankönyvek alap- és kiegészítő szótár egyéb Tankönyvek és leckék javításaa tankönyv hibáinak javítása egy töredék frissítése a tankönyvben, innováció elemei a leckében, az elavult ismeretek újakkal való helyettesítése Csak tanároknak tökéletes leckékévre vonatkozó módszertani ajánlások; Integrált leckékHa javításai vagy javaslatai vannak ehhez a leckéhez,
Mi melegszik fel gyorsabban a tűzhelyen - egy vízforraló vagy egy vödör víz? A válasz nyilvánvaló - egy teáskanna. Akkor a második kérdés az, hogy miért?
A válasz nem kevésbé nyilvánvaló - mert a vízforralóban kisebb a víz tömege. Nagy. Most pedig igazi fizikai élményt szerezhet otthon. Ehhez két egyforma kis serpenyőre, azonos mennyiségű vízre és növényi olajra, például fél literre és egy tűzhelyre lesz szüksége. Helyezze az edényeket olajjal és vízzel ugyanarra a hőre. Most figyeld, mi fog gyorsabban felmelegedni. Ha van folyadékok hőmérője, akkor használhatja, ha nincs, akkor időnként egyszerűen ellenőrizheti a hőmérsékletet az ujjával, csak vigyázzon, nehogy megégjen. Mindenesetre hamarosan látni fogja, hogy az olaj sokkal gyorsabban melegszik fel, mint a víz. És még egy kérdés, ami tapasztalat formájában is megvalósítható. Mi fog gyorsabban felforrni - meleg víz vagy hideg? Ismét minden nyilvánvaló – a meleg lesz az első a célegyenesben. Miért ezek a furcsa kérdések és kísérletek? A „hőmennyiségnek” nevezett fizikai mennyiség meghatározása.
A hőmennyiség
A hőmennyiség az az energia, amelyet a test a hőátadás során veszít vagy nyer. Ez egyértelmű a névből. Hűtéskor a szervezet bizonyos mennyiségű hőt veszít, melegítéskor pedig felveszi. A kérdéseinkre adott válaszok pedig megmutatták nekünk Mitől függ a hőmennyiség? Először is, minél nagyobb egy test tömege, annál nagyobb hőmennyiséget kell felhasználni a hőmérséklet egy fokkal történő megváltoztatásához. Másodszor, a test felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség attól függ, hogy milyen anyagból áll, vagyis az anyag típusától. Harmadszor pedig a testhőmérséklet hőátadás előtti és utáni különbsége is fontos számításainkhoz. A fentiek alapján megtehetjük határozza meg a hőmennyiséget a képlet segítségével:
ahol Q a hőmennyiség,
m - testtömeg,
(t_2-t_1) - a kezdeti és a végső testhőmérséklet közötti különbség,
c az anyag fajlagos hőkapacitása a megfelelő táblázatokból.
Ezzel a képlettel kiszámíthatja azt a hőmennyiséget, amely bármely test felmelegítéséhez szükséges, vagy amelyet ez a test hűtéskor felszabadít.
A hőmennyiséget joule-ban (1 J) mérik, mint minden energiafajtát. Ezt az értéket azonban nem olyan régen vezették be, és az emberek sokkal korábban kezdték el mérni a hőmennyiséget. És egy korunkban széles körben használt egységet használtak - kalória (1 cal). 1 kalória az a hőmennyiség, amely 1 gramm víz 1 Celsius-fokkal való felmelegítéséhez szükséges. Ezektől az adatoktól vezérelve azok, akik szeretik az elfogyasztott ételek kalóriáit számolni, szórakozásból kiszámolhatják, hogy a nap folyamán étellel elfogyasztott energiából hány liter vizet lehet felforralni.
Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete