A hőmennyiség meghatározása. Egy anyag fajlagos hőkapacitása

(vagy hőátadás).

Egy anyag fajlagos hőkapacitása.

Hőkapacitás- ez az a hőmennyiség, amelyet egy test 1 fokkal felmelegítve vesz fel.

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 azonos tömegű különböző anyagok azonos hőmérsékletre hevítéséhez különböző hőmennyiségre van szükség. 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 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, amely nyáron felmelegszik, 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 1 és ezért K > 0 . Amikor a test lehűl t 2i< t 1 és ezért K< 0 .

Ha ismert az egész test hőkapacitása VAL VEL, K képlet határozza meg:

Q = C (t 2 - t 1 ) .

A palackban lévő gáz belső energiáját nem csak munkavégzéssel, hanem a gáz melegítésével is megváltoztathatja (43. ábra). Ha rögzíti a dugattyút, akkor a gáz térfogata nem változik, de a hőmérséklet, és ezáltal a belső energia nő.

Hőcserének vagy hőátadásnak nevezik azt a folyamatot, amely során az egyik testből a másikba energiát viszünk át munka nélkül.

A hőcsere eredményeként a szervezetbe átadott energiát hőmennyiségnek nevezzük. A hőmennyiséget annak az energiának is nevezik, amelyet a test a hőcsere során lead.

A hőátadás molekuláris képe. A testek közötti határvonalon a hőcsere során a hideg test lassan mozgó molekulái és a forró test gyorsabban mozgó molekulái kölcsönhatásba lépnek. Ennek eredményeként a kinetikus energiák

A molekulák egymáshoz igazodnak, és a hideg test molekuláinak sebessége nő, a forró testé pedig csökken.

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. A VII osztályos fizika kurzusból ismert, hogy egy tömegtest hőmérsékletről hőmérsékletre való felmelegítéséhez meg kell mondani a hőmennyiséget.

Amikor egy test lehűl, végső hőmérséklete alacsonyabb, mint a kezdeti, és a test által leadott hőmennyiség negatív.

A (4.5) képletben szereplő c együtthatót fajlagos hőkapacitásnak nevezzük. A fajlagos hőkapacitás az a hőmennyiség, amelyet 1 kg anyag kap vagy ad fel, ha hőmérséklete 1 K-val változik.

A fajlagos hőkapacitást joule-ban fejezzük ki, osztva kilogrammal, szorozva kelvinnel. A különböző testek különböző mennyiségű energiát igényelnek a hőmérséklet I K-val történő emeléséhez. Így a víz és a réz fajlagos hőkapacitása

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 melegítsünk, több hőt kell átadni rá, mint állandó térfogaton.

A folyékony és szilárd testek hevítés hatására enyhén kitágulnak, fajlagos hőkapacitásuk állandó térfogat és állandó nyomás mellett alig tér el.

Fajlagos párolgási hő. A folyadék gőzzé alakításához bizonyos mennyiségű hőt kell átadni rá. A folyadék hőmérséklete az átalakulás során nem változik. A folyadék gőzzé alakulása állandó hőmérsékleten nem vezet a molekulák kinetikus energiájának növekedéséhez, hanem potenciális energiájuk növekedésével jár. Végül is a gázmolekulák közötti átlagos távolság sokszorosa a folyadékmolekulák közötti távolságnak. Ezenkívül az anyag folyadékból gáz halmazállapotúvá történő átmenete során a térfogatnövekedés a külső nyomás erőivel szembeni munkát igényel.

1 kg folyadék gőzzé alakításához szükséges hőmennyiséget állandó hőmérsékleten ún

fajlagos párolgási hő. Ezt a mennyiséget egy betű jelöli, és joule per kilogrammban van kifejezve

A víz fajpárolgási hője nagyon magas: 100°C hőmérsékleten. Más folyadékoknál (alkohol, éter, higany, kerozin stb.) a párolgási fajhő 3-10-szer kisebb.

A folyékony tömeg gőzzé alakításához annyi hő szükséges, mint:

A gőz lecsapódásakor ugyanannyi hő szabadul fel:

Fajlagos olvadási hő. Amikor egy kristályos test megolvad, a hozzá szállított összes hő a molekulák potenciális energiájának növelésére megy el. A molekulák kinetikus energiája nem változik, mivel az olvadás állandó hőmérsékleten megy végbe.

Azt az A hőmennyiséget, amely 1 kg olvadásponti kristályos anyag azonos hőmérsékletű folyadékká történő átalakításához szükséges, fajlagos olvadási hőnek nevezzük.

Amikor 1 kg anyag kikristályosodik, pontosan ugyanannyi hő szabadul fel. A jég fajlagos olvadási hője meglehetősen magas:

A kristályos tömegű test megolvasztásához annyi hőre van szükség, mint:

A test kristályosodása során felszabaduló hőmennyiség egyenlő:

1. Hogyan nevezzük a hőmennyiséget? 2. Mitől függ az anyagok fajlagos hőkapacitása? 3. Mit nevezünk párolgási fajhőnek? 4. Hogyan nevezzük a fajlagos olvadási hőt? 5. Milyen esetekben negatív az átadott hőmennyiség?

Ebben a leckében megtanuljuk, hogyan kell kiszámítani a test felmelegítéséhez szükséges vagy a hűtés során felszabaduló hőmennyiséget. Ehhez összefoglaljuk az előző leckéken elsajátított ismereteket.

Ezenkívül megtanuljuk a hőmennyiség képletével kifejezni a fennmaradó mennyiségeket ebből a képletből, és más mennyiségek ismeretében kiszámolni azokat. A hőmennyiség kiszámítására szolgáló megoldással kapcsolatos probléma példáját is figyelembe kell venni.

Ez a lecke a hőmennyiség kiszámítására szolgál, amikor egy testet felmelegítenek vagy hűtve felszabadulnak.

Nagyon fontos a szükséges hőmennyiség kiszámításának képessége. Erre például akkor lehet szükség, amikor kiszámítják, hogy egy helyiség fűtéséhez mennyi hőt kell átadni a víznek.

Rizs. 1. Az a hőmennyiség, amelyet át kell adni a víznek a helyiség fűtéséhez

Vagy a különböző motorokban az üzemanyag elégetésekor felszabaduló hőmennyiség kiszámításához:

Rizs. 2. Az a hőmennyiség, amely felszabadul, amikor az üzemanyag eléget a motorban

Erre az ismeretre van szükség például a Nap által kibocsátott és a Földre eső hőmennyiség meghatározásához is:

Rizs. 3. A Nap által kibocsátott és a Földre eső hőmennyiség

A hőmennyiség kiszámításához három dolgot kell tudnod (4. ábra):

• testtömeg (amely általában mérleg segítségével mérhető);
• az a hőmérséklet-különbség, amellyel a testet fel kell melegíteni vagy hűteni (általában hőmérővel mérik);
• a test fajlagos hőkapacitása (mely a táblázatból határozható meg).

Rizs. 4. Mit kell tudni a meghatározásához

A hőmennyiség kiszámításának képlete a következőképpen néz ki:

Ebben a képletben a következő mennyiségek jelennek meg:

A joule-ban mért hőmennyiség (J);

Egy anyag fajlagos hőkapacitását mértékegységben mérik;

- hőmérséklet-különbség, Celsius fokban mérve ().

Tekintsük a hőmennyiség kiszámításának problémáját.

Feladat

Egy gramm tömegű rézüveg liter térfogatú vizet tartalmaz hőmérsékleten. Mennyi hőt kell átadni egy pohár víznek, hogy a hőmérséklete egyenlő legyen?

Rizs. 5. A problémakörülmények szemléltetése

Először írunk fel egy rövid feltételt ( Adott), és konvertálja át az összes mennyiséget a nemzetközi rendszerbe (SI).

Megoldás:

Először is határozzuk meg, milyen más mennyiségekre van szükségünk a probléma megoldásához. A fajlagos hőkapacitás táblázatát (1. táblázat) felhasználva találjuk (a réz fajhőkapacitása, mivel feltétel szerint az üveg réz), (a víz fajhőkapacitása, mivel feltétel szerint víz van az üvegben). Ráadásul tudjuk, hogy a hőmennyiség kiszámításához víztömegre van szükségünk. A feltétel szerint csak a kötetet adjuk meg. Ezért a táblázatból vesszük a víz sűrűségét: (2. táblázat).

asztal 1. Egyes anyagok fajlagos hőkapacitása,

asztal 2. Egyes folyadékok sűrűsége

Most minden megvan, ami a probléma megoldásához szükséges.

Vegye figyelembe, hogy a végső hőmennyiség a rézüveg felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség és a benne lévő víz felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség összegéből áll:

Először számítsuk ki a rézüveg felmelegítéséhez szükséges hőmennyiséget:

A víz felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség kiszámítása előtt számítsuk ki a víz tömegét a 7. osztályból ismert képlettel:

Most kiszámolhatjuk:

Akkor kiszámolhatjuk:

Emlékezzünk, mit jelent a kilojoule. A "kilo" előtag azt jelenti .

Válasz:.

Az ehhez a fogalomhoz kapcsolódó hőmennyiség (úgynevezett közvetlen problémák) és mennyiségek meghatározásával kapcsolatos problémák megoldásának kényelme érdekében az alábbi táblázatot használhatja.

A hőmennyiség fogalma a modern fizika fejlődésének korai szakaszában alakult ki, amikor még nem voltak egyértelmű elképzelések az anyag belső szerkezetéről, mi az energia, milyen energiaformák léteznek a természetben és az energiáról mint formáról. az anyag mozgásának és átalakulásának.

A hőmennyiség alatt a hőcsere során az anyagi testnek átadott energiával egyenértékű fizikai mennyiséget értünk.

Az elavult hő mértékegysége a kalória, amely 4,2 J, ma gyakorlatilag nem használják, és a joule vette át a helyét.

Kezdetben azt feltételezték, hogy a hőenergia hordozója valami teljesen súlytalan, folyadék tulajdonságaival rendelkező közeg. A hőátadás számos fizikai problémáját megoldották és jelenleg is e feltevés alapján oldják meg. A hipotetikus kalória megléte sok alapvetően helyes konstrukció alapja volt. Úgy gondolták, hogy a kalória felszabadul és felszívódik a melegítés és hűtés, az olvadás és a kristályosodás jelenségeiben. A hőátadási folyamatok helyes egyenleteit helytelen fizikai fogalmak alapján kaptuk meg. Ismert egy törvény, amely szerint a hőmennyiség egyenesen arányos a hőcserében részt vevő test tömegével és a hőmérsékleti gradienssel:

Ahol Q a hőmennyiség, m a testtömeg és az együttható Val vel– fajlagos hőkapacitásnak nevezett mennyiség. A fajlagos hőkapacitás a folyamatban részt vevő anyag jellemzője.

Termodinamikai munka

A termikus folyamatok eredményeként tisztán mechanikai munka végezhető. Például, amikor egy gáz felmelegszik, növeli a térfogatát. Vegyünk egy olyan helyzetet, mint az alábbi képen:

Ebben az esetben a mechanikai munka megegyezik a dugattyúra ható gáznyomás erejével, megszorozva a dugattyú által nyomás alatt megtett úttal. Természetesen ez a legegyszerűbb eset. De még ebben is észrevehető egy nehézség: a nyomáserő a gáz térfogatától függ, ami azt jelenti, hogy nem állandókkal, hanem változó mennyiségekkel van dolgunk. Mivel mindhárom változó: nyomás, hőmérséklet és térfogat összefügg egymással, a munkaszámítás lényegesen bonyolultabbá válik. Létezik néhány ideális, végtelenül lassú folyamat: izobár, izoterm, adiabatikus és izokhorikus – amelyekre az ilyen számítások viszonylag egyszerűen elvégezhetők. A nyomás függvényében a térfogat grafikonját ábrázoljuk, és a munkát a forma integráljaként számítjuk ki.

A mechanikai energiával együtt minden testnek (vagy rendszernek) van belső energiája. A belső energia a pihenés energiája. A testet alkotó molekulák termikus kaotikus mozgásából, kölcsönös elrendeződésük potenciális energiájából, az atomokban az elektronok, az atommagokban a nukleonok kinetikai és potenciális energiájából áll, stb.

A termodinamikában nem a belső energia abszolút értékét, hanem változását fontos ismerni.

A termodinamikai folyamatokban csak a mozgó molekulák kinetikai energiája változik (a hőenergia nem elegendő egy atom, még kevésbé egy mag szerkezetének megváltoztatásához). Ezért valójában belső energia alatt a termodinamikában energiát értünk termikus kaotikus molekuláris mozgások.

Belső energia U egy mól ideális gáz egyenlő:

És így, a belső energia csak a hőmérséklettől függ. Az U belső energia a rendszer állapotának függvénye, háttértől függetlenül.

Nyilvánvaló, hogy általános esetben egy termodinamikai rendszernek lehet belső és mechanikai energiája is, és a különböző rendszerek kicserélhetik ezeket az energiákat.

Csere mechanikus energia tökéletes jellemzi munka A,és a belső energia cseréje az átadott hőmennyiség Q.

Például télen forró követ dobtál a hóba. A potenciális energia tartalék miatt mechanikai munkát végeztek a hó tömörítésére, a belső energia tartalék miatt pedig a hó olvasztását. Ha a kő hideg volt, i.e. Ha a kő hőmérséklete megegyezik a közeg hőmérsékletével, akkor csak munkát végeznek, de nem történik belső energiacsere.

Tehát a munka és a hő nem különleges energiaforma. Hőtartalékról vagy munkáról nem beszélhetünk. Ez mértéke át egy másik mechanikai vagy belső energiarendszer. Beszélhetünk ezeknek az energiáknak a tartalékáról. Ezenkívül a mechanikai energia hőenergiává alakítható és fordítva. Például, ha kalapáccsal megüt egy üllőt, akkor egy idő után a kalapács és az üllő felmelegszik (ez egy példa disszipáció energia).

Még sok példát hozhatunk az egyik energiaforma másikká való átalakulására.

A tapasztalat azt mutatja, hogy minden esetben A mechanikai energia átalakulása hőenergiává és fordítva mindig szigorúan egyenértékű mennyiségben történik. Ez a lényege a termodinamika első törvényének, amely az energia megmaradás törvényéből következik.

A testnek átadott hőmennyiség a belső energia növelésére és a test munkájának elvégzésére megy el:

- Az az ami termodinamika első főtétele , vagy energiamegmaradás törvénye a termodinamika.

Aláírási szabály: ha hőt adnak át a környezetből ezt a rendszert,és ha a rendszer munkát végez a környező testeken, ebben az esetben . Az előjelszabályt figyelembe véve a termodinamika első főtétele így írható fel:

Ebben a kifejezésben U– rendszerállapot funkció; d U a teljes differenciája, és δ Kés δ A ezek nem. Minden állapotban a rendszernek van egy bizonyos és csak ez az értéke a belső energiának, ezért írhatjuk:

,

Fontos megjegyezni, hogy a hő Kés munka A attól függ, hogy az 1-es állapotból a 2-es állapotba hogyan valósul meg az átmenet (izokórikusan, adiabatikusan stb.), valamint a belső energiától U nem függ. Ugyanakkor nem mondható el, hogy a rendszer adott állapotra meghatározott hő- és munkaértékkel rendelkezik.

A (4.1.2) képletből az következik, hogy a hőmennyiséget a munka és az energia mértékegységeiben fejezzük ki, azaz. joule-ban (J).

A termodinamikában különösen fontosak azok a körkörös vagy ciklikus folyamatok, amelyek során egy rendszer egy sor állapoton áthaladva visszatér eredeti állapotába. A 4.1. ábra a ciklikus folyamatot mutatja 1– A–2–b–1, miközben az A munka elkészült.

Rizs. 4.1

Mert U akkor állapotfüggvény

Ez minden állami funkcióra igaz.

Ha akkor a termodinamika első főtétele szerint, i.e. Lehetetlen olyan időszakosan működő motort építeni, amely több munkát végezne, mint amennyi energiát kívülről juttatnak rá. Más szóval, az első típusú örökmozgó lehetetlen. Ez a termodinamika első főtételének egyik megfogalmazása.

Megjegyzendő, hogy a termodinamika első főtétele nem jelzi, hogy az állapotváltozási folyamatok milyen irányban mennek végbe, ez az egyik hiányossága.