Përcaktimi i sasisë së nxehtësisë. Kapaciteti specifik termik i një lënde

(ose transferimi i nxehtësisë).

Kapaciteti specifik termik i një lënde.

Kapaciteti i nxehtësisëështë sasia e nxehtësisë që përthithet nga trupi kur nxehet me 1 gradë.

Kapaciteti termik i trupit tregohet me një shkronjë të madhe latine ME.

Çfarë e përcakton kapacitetin e nxehtësisë së një trupi? Para së gjithash, nga masa e tij. Është e qartë se ngrohja, për shembull, 1 kilogram ujë do të kërkojë më shumë nxehtësi sesa ngrohja e 200 gram.

Po për llojin e substancës? Le të bëjmë një eksperiment. Le të marrim dy enë identike dhe, duke derdhur ujë me peshë 400 g në njërën prej tyre, dhe vaj vegjetal me peshë 400 g në tjetrën, do të fillojmë t'i ngrohim ato me ndihmën e djegësve identikë. Duke vëzhguar leximet e termometrave, do të shohim se vaji nxehet shpejt. Për të ngrohur ujin dhe vajin në të njëjtën temperaturë, uji duhet të nxehet më gjatë. Por sa më gjatë ta ngrohim ujin, aq më shumë nxehtësi merr nga djegësi.

Kështu, për të ngrohur të njëjtën masë të substancave të ndryshme në të njëjtën temperaturë, nevojiten sasi të ndryshme nxehtësie. Sasia e nxehtësisë që kërkohet për të ngrohur një trup dhe, rrjedhimisht, kapaciteti i tij i nxehtësisë varet nga lloji i substancës nga e cila përbëhet ky trup.

Kështu, për shembull, për të rritur temperaturën e ujit me një masë prej 1 kg me 1 ° C, kërkohet një sasi nxehtësie e barabartë me 4200 J, dhe për të ngrohur të njëjtën masë vaji luledielli me 1 ° C, një sasi prej Kërkohet nxehtësi e barabartë me 1700 J.

Sasia fizike që tregon se sa nxehtësi nevojitet për të ngrohur 1 kg të një lënde me 1 ºС quhet ngrohje specifike këtë substancë.

Çdo substancë ka kapacitetin e vet specifik të nxehtësisë, e cila shënohet me shkronjën latine c dhe matet në xhaul për kilogram-shkallë (J / (kg ° C)).

Kapaciteti specifik i nxehtësisë i së njëjtës substancë në gjendje të ndryshme agregate (të ngurtë, të lëngët dhe të gaztë) është i ndryshëm. Për shembull, kapaciteti termik specifik i ujit është 4200 J/(kg ºС), dhe kapaciteti specifik i nxehtësisë së akullit është 2100 J/(kg ºС); alumini në gjendje të ngurtë ka një kapacitet termik specifik prej 920 J/(kg - °C), dhe në gjendje të lëngët është 1080 J/(kg - °C).

Vini re se uji ka një kapacitet specifik të nxehtësisë shumë të lartë. Prandaj, uji në dete dhe oqeane, duke u ngrohur gjatë verës, thith një sasi të madhe nxehtësie nga ajri. Për shkak të kësaj, në ato vende që ndodhen pranë trupave të mëdhenj të ujit, vera nuk është aq e nxehtë sa në vendet larg ujit.

Llogaritja e sasisë së nxehtësisë që kërkohet për të ngrohur trupin ose të lëshuar prej tij gjatë ftohjes.

Nga sa më sipër, është e qartë se sasia e nxehtësisë e nevojshme për ngrohjen e trupit varet nga lloji i substancës nga i cili përbëhet trupi (d.m.th., kapaciteti i tij specifik i nxehtësisë) dhe nga masa e trupit. Është gjithashtu e qartë se sasia e nxehtësisë varet nga sa gradë do të rrisim temperaturën e trupit.

Pra, për të përcaktuar sasinë e nxehtësisë që kërkohet për të ngrohur trupin ose të lëshuar prej tij gjatë ftohjes, duhet të shumëzoni nxehtësinë specifike të trupit me masën e tij dhe ndryshimin midis temperaturave të tij përfundimtare dhe fillestare:

P = cm (t 2 - t 1 ) ,

Ku P- sasia e nxehtësisë, cështë kapaciteti specifik i nxehtësisë, m- masa trupore, t 1 - temperatura fillestare, t 2 është temperatura përfundimtare.

Kur trupi nxehet t 2 > t 1 dhe si rrjedhim P > 0 . Kur trupi ftohet t 2 dhe< t 1 dhe si rrjedhim P< 0 .

Nëse dihet kapaciteti termik i të gjithë trupit ME, P përcaktohet nga formula:

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

Ju mund të ndryshoni energjinë e brendshme të gazit në cilindër jo vetëm duke kryer punë, por edhe duke ngrohur gazin (Fig. 43). Nëse pistoni është i fiksuar, atëherë vëllimi i gazit nuk do të ndryshojë, por temperatura, dhe rrjedhimisht energjia e brendshme, do të rritet.

Procesi i transferimit të energjisë nga një trup në tjetrin pa kryer punë quhet transferim i nxehtësisë ose transferim i nxehtësisë.

Energjia e transferuar në trup si rezultat i transferimit të nxehtësisë quhet sasia e nxehtësisë. Sasia e nxehtësisë quhet edhe energjia që trupi lëshon në procesin e transferimit të nxehtësisë.

Pamja molekulare e transferimit të nxehtësisë. Gjatë shkëmbimit të nxehtësisë në kufirin midis trupave, molekulat që lëvizin ngadalë të një trupi të ftohtë ndërveprojnë me molekulat që lëvizin më shpejt të një trupi të nxehtë. Si rezultat, energjitë kinetike

molekulat rreshtohen dhe shpejtësitë e molekulave të një trupi të ftohtë rriten dhe ato të një trupi të nxehtë zvogëlohen.

Gjatë shkëmbimit të nxehtësisë, nuk ka shndërrim të energjisë nga një formë në tjetrën: një pjesë e energjisë së brendshme të një trupi të nxehtë transferohet në një trup të ftohtë.

Sasia e nxehtësisë dhe kapaciteti i nxehtësisë. Nga kursi i fizikës së klasës VII, dihet se për të ngrohur një trup me masë nga temperatura në temperaturë, është e nevojshme të informohet për sasinë e nxehtësisë.

Kur trupi ftohet, temperatura e tij përfundimtare është më e vogël se ajo fillestare dhe sasia e nxehtësisë që lëshohet nga trupi është negative.

Koeficienti c në formulën (4.5) quhet kapaciteti specifik i nxehtësisë. Kapaciteti specifik i nxehtësisë është sasia e nxehtësisë që 1 kg substancë merr ose lëshon kur temperatura e saj ndryshon me 1 K -

Kapaciteti specifik i nxehtësisë shprehet në xhaul për kilogram herë kelvin. Trupa të ndryshëm kërkojnë një sasi të pabarabartë energjie për të rritur temperaturën me I K. Kështu, kapaciteti termik specifik i ujit dhe bakrit

Kapaciteti specifik i nxehtësisë varet jo vetëm nga vetitë e substancës, por edhe nga procesi në të cilin ndodh transferimi i nxehtësisë.Nëse ngrohni një gaz me presion konstant, ai do të zgjerohet dhe do të funksionojë. Për të ngrohur një gaz me 1 °C me presion konstant, do t'i duhet të transferojë më shumë nxehtësi sesa ta ngrohë atë në vëllim konstant.

Lëngjet dhe lëndët e ngurta zgjerohen pak kur nxehen, dhe kapacitetet e tyre specifike të nxehtësisë në vëllim konstant dhe presion konstant ndryshojnë pak.

Nxehtësia specifike e avullimit. Për të kthyer një lëng në avull, një sasi e caktuar nxehtësie duhet të transferohet në të. Temperatura e lëngut nuk ndryshon gjatë këtij transformimi. Shndërrimi i lëngut në avull në një temperaturë konstante nuk çon në një rritje të energjisë kinetike të molekulave, por shoqërohet me një rritje të energjisë së tyre potenciale. Në fund të fundit, distanca mesatare midis molekulave të gazit është shumë herë më e madhe se midis molekulave të lëngshme. Përveç kësaj, një rritje në vëllim gjatë kalimit të një substance nga një gjendje e lëngshme në një gjendje të gaztë kërkon që të kryhet puna kundër forcave të presionit të jashtëm.

Sasia e nxehtësisë e nevojshme për të kthyer 1 kg lëng në avull në një temperaturë konstante quhet

nxehtësia specifike e avullimit. Kjo vlerë shënohet me një shkronjë dhe shprehet në xhaul për kilogram.

Nxehtësia specifike e avullimit të ujit është shumë e lartë: në një temperaturë prej 100°C. Për lëngjet e tjera (alkool, eter, merkur, vajguri, etj.), nxehtësia specifike e avullimit është 3-10 herë më pak.

Për të kthyer një masë të lëngshme në avull nevojitet një sasi nxehtësie e barabartë me:

Kur avulli kondensohet, lirohet e njëjta sasi nxehtësie:

Nxehtësia specifike e shkrirjes. Kur një trup kristalor shkrihet, e gjithë nxehtësia që i jepet shkon për të rritur energjinë potenciale të molekulave. Energjia kinetike e molekulave nuk ndryshon, pasi shkrirja ndodh në një temperaturë konstante.

Sasia e nxehtësisë A që kërkohet për të kthyer 1 kg të një lënde kristalore në pikën e shkrirjes në një lëng me të njëjtën temperaturë quhet nxehtësia specifike e shkrirjes.

Gjatë kristalizimit të 1 kg të një lënde, lirohet saktësisht e njëjta sasi nxehtësie. Nxehtësia specifike e shkrirjes së akullit është mjaft e lartë:

Për të shkrirë një trup kristalor me një masë, kërkohet një sasi nxehtësie e barabartë me:

Sasia e nxehtësisë së çliruar gjatë kristalizimit të trupit është e barabartë me:

1. Si quhet sasia e nxehtësisë? 2. Çfarë e përcakton kapacitetin termik specifik të substancave? 3. Si quhet nxehtësia specifike e avullimit? 4. Çfarë quhet nxehtësia specifike e shkrirjes? 5. Në cilat raste sasia e nxehtësisë së transferuar është negative?

Në këtë mësim, ne do të mësojmë se si të llogarisim sasinë e nxehtësisë që nevojitet për të ngrohur një trup ose për ta çliruar atë kur ftohet. Për ta bërë këtë, ne do të përmbledhim njohuritë që janë marrë në mësimet e mëparshme.

Përveç kësaj, ne do të mësojmë se si të përdorim formulën për sasinë e nxehtësisë për të shprehur sasitë e mbetura nga kjo formulë dhe për t'i llogaritur ato, duke ditur sasi të tjera. Një shembull i një problemi me një zgjidhje për llogaritjen e sasisë së nxehtësisë gjithashtu do të merret parasysh.

Ky mësim i kushtohet llogaritjes së sasisë së nxehtësisë kur një trup nxehet ose lëshohet prej tij kur ftohet.

Aftësia për të llogaritur sasinë e kërkuar të nxehtësisë është shumë e rëndësishme. Kjo mund të jetë e nevojshme, për shembull, kur llogaritet sasia e nxehtësisë që duhet t'i jepet ujit për të ngrohur një dhomë.

Oriz. 1. Sasia e nxehtësisë që duhet t'i raportohet ujit për të ngrohur dhomën

Ose për të llogaritur sasinë e nxehtësisë që lirohet kur karburanti digjet në motorë të ndryshëm:

Oriz. 2. Sasia e nxehtësisë që lirohet kur karburanti digjet në motor

Gjithashtu, kjo njohuri është e nevojshme, për shembull, për të përcaktuar sasinë e nxehtësisë që lëshohet nga Dielli dhe godet Tokën:

Oriz. 3. Sasia e nxehtësisë që lëshon Dielli dhe bie në Tokë

Për të llogaritur sasinë e nxehtësisë, duhet të dini tre gjëra (Fig. 4):

• pesha e trupit (e cila zakonisht mund të matet me një peshore);
• ndryshimi i temperaturës me të cilin është e nevojshme të ngrohni trupin ose ta ftohni atë (zakonisht matet me një termometër);
• kapaciteti specifik termik i trupit (i cili mund të përcaktohet nga tabela).

Oriz. 4. Çfarë duhet të dini për të përcaktuar

Formula për llogaritjen e sasisë së nxehtësisë është si më poshtë:

Kjo formulë përmban sasitë e mëposhtme:

Sasia e nxehtësisë, e matur në xhaul (J);

Kapaciteti specifik termik i një lënde, i matur në;

- ndryshimi i temperaturës, i matur në gradë Celsius ().

Konsideroni problemin e llogaritjes së sasisë së nxehtësisë.

Detyrë

Një gotë bakri me një masë gramësh përmban ujë me një vëllim prej një litri në një temperaturë prej . Sa nxehtësi duhet të transferohet në një gotë me ujë në mënyrë që temperatura e saj të bëhet e barabartë me ?

Oriz. 5. Ilustrimi i gjendjes së problemit

Së pari, ne shkruajmë një kusht të shkurtër ( E dhënë) dhe konvertoni të gjitha sasitë në sistemin ndërkombëtar (SI).

Zgjidhja:

Së pari, përcaktoni se cilat sasi të tjera na duhen për të zgjidhur këtë problem. Sipas tabelës së kapacitetit specifik të nxehtësisë (Tabela 1), gjejmë (kapacitetin specifik të nxehtësisë së bakrit, pasi sipas gjendjes xhami është bakër), (kapaciteti specifik termik i ujit, pasi sipas kushteve ka ujë në gotë). Përveç kësaj, ne e dimë se për të llogaritur sasinë e nxehtësisë, na duhet një masë uji. Me kusht, na jepet vetëm vëllimi. Prandaj, marrim dendësinë e ujit nga tabela: (Tabela 2).

Tab. 1. Kapaciteti specifik termik i disa substancave,

Tab. 2. Dendësia e disa lëngjeve

Tani kemi gjithçka që na nevojitet për të zgjidhur këtë problem.

Vini re se sasia totale e nxehtësisë do të përbëhet nga shuma e sasisë së nxehtësisë që kërkohet për të ngrohur xhamin e bakrit dhe sasisë së nxehtësisë që kërkohet për të ngrohur ujin në të:

Ne fillimisht llogarisim sasinë e nxehtësisë që kërkohet për të ngrohur xhamin e bakrit:

Para se të llogarisim sasinë e nxehtësisë së nevojshme për ngrohjen e ujit, ne llogarisim masën e ujit duke përdorur formulën e njohur për ne nga klasa 7:

Tani mund të llogarisim:

Atëherë mund të llogarisim:

Kujtoni se çfarë do të thotë: kiloxhaul. Parashtesa "kilo" do të thotë .

Përgjigje:.

Për lehtësinë e zgjidhjes së problemeve të gjetjes së sasisë së nxehtësisë (të ashtuquajturat probleme të drejtpërdrejta) dhe sasive që lidhen me këtë koncept, mund të përdorni tabelën e mëposhtme.

Koncepti i sasisë së nxehtësisë u formua në fazat e hershme të zhvillimit të fizikës moderne, kur nuk kishte ide të qarta për strukturën e brendshme të materies, për atë që është energjia, për cilat forma të energjisë ekzistojnë në natyrë dhe për energjinë si. një formë lëvizjeje dhe transformimi të materies.

Sasia e nxehtësisë kuptohet si një sasi fizike ekuivalente me energjinë e transferuar në trupin material në procesin e shkëmbimit të nxehtësisë.

Njësia e vjetëruar e sasisë së nxehtësisë është kalori, e barabartë me 4.2 J, sot kjo njësi praktikisht nuk përdoret, dhe xhauli ka zënë vendin e saj.

Fillimisht, u supozua se bartësi i energjisë termike është një medium plotësisht pa peshë që ka vetitë e një lëngu. Probleme të shumta fizike të transferimit të nxehtësisë janë zgjidhur dhe janë ende duke u zgjidhur bazuar në këtë premisë. Ekzistenca e një kalori hipotetike u mor si bazë për shumë ndërtime thelbësisht të sakta. Besohej se kaloritë lirohen dhe përthithen në dukuritë e ngrohjes dhe ftohjes, shkrirjes dhe kristalizimit. Ekuacionet e sakta për proceset e transferimit të nxehtësisë janë marrë nga koncepte të pasakta fizike. Ekziston një ligj i njohur sipas të cilit sasia e nxehtësisë është drejtpërdrejt proporcionale me masën e trupit të përfshirë në shkëmbimin e nxehtësisë dhe gradientin e temperaturës:

Ku Q është sasia e nxehtësisë, m është masa e trupit dhe koeficienti Me- një sasi e quajtur kapacitet specifik i nxehtësisë. Kapaciteti specifik i nxehtësisë është një karakteristikë e substancës së përfshirë në proces.

Puna në termodinamikë

Si rezultat i proceseve termike, mund të kryhet punë thjesht mekanike. Për shembull, kur nxehet, një gaz rrit vëllimin e tij. Le të marrim një situatë si në figurën më poshtë:

Në këtë rast, puna mekanike do të jetë e barabartë me forcën e presionit të gazit në piston shumëzuar me rrugën e përshkuar nga pistoni nën presion. Sigurisht, ky është rasti më i thjeshtë. Por edhe në të vihet re një vështirësi: forca e presionit do të varet nga vëllimi i gazit, që do të thotë se nuk kemi të bëjmë me konstante, por me variabla. Meqenëse të tre variablat: presioni, temperatura dhe vëllimi janë të lidhura me njëri-tjetrin, llogaritja e punës bëhet shumë më e ndërlikuar. Ekzistojnë disa procese ideale, pafundësisht të ngadalta: izobarike, izotermike, adiabatike dhe izokorike - për të cilat llogaritjet e tilla mund të kryhen relativisht thjesht. Vizatohet grafiku i presionit kundrejt vëllimit dhe puna llogaritet si një integral i formës.

Së bashku me energjinë mekanike, çdo trup (ose sistem) ka energji të brendshme. Energjia e brendshme është energji pushimi. Ai përbëhet nga lëvizja kaotike termike e molekulave që përbëjnë trupin, energjia potenciale e pozicionit të tyre relativ, energjia kinetike dhe potenciale e elektroneve në atome, nukleoneve në bërthama etj.

Në termodinamikë, është e rëndësishme të dihet jo vlera absolute e energjisë së brendshme, por ndryshimi i saj.

Në proceset termodinamike, ndryshon vetëm energjia kinetike e molekulave në lëvizje (energjia termike nuk është e mjaftueshme për të ndryshuar strukturën e një atomi, dhe aq më tepër të një bërthame). Prandaj, në fakt nën energjinë e brendshme në termodinamikë do të thotë energji termike kaotike lëvizjet molekulare.

Energjia e brendshme U një mol i një gazi ideal është i barabartë me:

Kështu, energjia e brendshme varet vetëm nga temperatura. Energjia e brendshme U është funksion i gjendjes së sistemit, pavarësisht prejardhjes.

Është e qartë se, në rastin e përgjithshëm, një sistem termodinamik mund të ketë energji të brendshme dhe mekanike, dhe sisteme të ndryshme mund të shkëmbejnë këto lloje të energjisë.

Shkëmbim energji mekanike karakterizohet nga perfekte puna A, dhe shkëmbimi i energjisë së brendshme - sasia e nxehtësisë së transferuar Q.

Për shembull, në dimër ju hodhët një gur të nxehtë në dëborë. Për shkak të rezervës së energjisë potenciale është bërë punë mekanike për shtypjen e borës dhe për shkak të rezervës së energjisë së brendshme bora është shkrirë. Nëse guri ishte i ftohtë, d.m.th. temperatura e gurit është e barabartë me temperaturën e mjedisit, atëherë do të punohet vetëm, por nuk do të ketë shkëmbim të energjisë së brendshme.

Pra, puna dhe nxehtësia nuk janë forma të veçanta të energjisë. Ju nuk mund të flisni për stokun e ngrohjes ose punës. Kjo masë e transferuar një sistem tjetër të energjisë mekanike ose të brendshme. Mund të flasim për rezervën e këtyre energjive. Përveç kësaj, energjia mekanike mund të shndërrohet në energji termike dhe anasjelltas. Për shembull, nëse goditni një kudhër me një çekiç, atëherë pas një kohe çekiçi dhe kudhëza do të nxehen (ky është një shembull shpërndarje energji).

Ka shumë shembuj të tjerë të shndërrimit të një forme energjie në një tjetër.

Përvoja tregon se në të gjitha rastet, shndërrimi i energjisë mekanike në energji termike dhe anasjelltas kryhet gjithmonë në sasi rreptësisht ekuivalente. Ky është thelbi i ligjit të parë të termodinamikës, i cili rrjedh nga ligji i ruajtjes së energjisë.

Sasia e nxehtësisë që i jepet trupit përdoret për të rritur energjinë e brendshme dhe për të kryer punë në trup:

- Kjo është ajo që është ligji i parë i termodinamikës , ose ligji i ruajtjes së energjisë në termodinamikë.

Rregulli i shenjës: nëse nxehtësia bartet nga mjedisi ky sistem, dhe nëse sistemi kryen punë në trupat përreth, ndërsa . Duke pasur parasysh rregullin e shenjës, ligji i parë i termodinamikës mund të shkruhet si:

Në këtë shprehje Uështë funksioni i gjendjes së sistemit; d Uështë diferenciali i tij total, dhe δ P dhe δ A ata nuk janë të. Në çdo gjendje, sistemi ka një vlerë të caktuar dhe të vetme të energjisë së brendshme, kështu që mund të shkruajmë:

,

Është e rëndësishme të theksohet se nxehtësia P dhe puna A varet nga mënyra se si bëhet kalimi nga gjendja 1 në gjendjen 2 (izokorike, adiabatike, etj.), dhe nga energjia e brendshme U nuk varet. Në të njëjtën kohë, nuk mund të thuhet se sistemi ka një vlerë të nxehtësisë dhe punës të përcaktuar për një gjendje të caktuar.

Nga formula (4.1.2) del se sasia e nxehtësisë shprehet në të njëjtat njësi si puna dhe energjia, d.m.th. në xhaul (J).

Rëndësi të veçantë në termodinamikë kanë proceset rrethore ose ciklike në të cilat sistemi, pasi kalon nëpër një sërë gjendjesh, kthehet në gjendjen e tij origjinale. Figura 4.1 tregon një proces ciklik 1- A–2–b–1, ndërsa u krye puna A.

Oriz. 4.1

Sepse Uështë funksioni shtetëror, pra

Kjo është e vërtetë për çdo funksion shtetëror.

Nëse atëherë sipas ligjit të parë të termodinamikës, d.m.th. është e pamundur të ndërtohet një motor që funksionon periodikisht që do të bënte më shumë punë sesa sasia e energjisë që i jepet nga jashtë. Me fjalë të tjera, një makinë lëvizjeje e përhershme e llojit të parë është e pamundur. Ky është një nga formulimet e ligjit të parë të termodinamikës.

Duhet theksuar se ligji i parë i termodinamikës nuk tregon se në cilin drejtim shkojnë proceset e ndryshimit të gjendjes, që është një nga mangësitë e tij.