أوجد مقدار الحرارة. حساب كمية الحرارة أثناء انتقال الحرارة ، السعة الحرارية النوعية لمادة. معادلة توازن الحرارة

كما نعلم بالفعل ، يمكن أن تتغير الطاقة الداخلية للجسم عند القيام بالعمل ونقل الحرارة (دون القيام بأي عمل). الفرق الرئيسي بين الشغل وكمية الحرارة هو أن الشغل يحدد عملية تحويل الطاقة الداخلية للنظام ، والتي يصاحبها تحول الطاقة من نوع إلى آخر.

في حالة استمرار التغيير في الطاقة الداخلية بمساعدة انتقال الحرارة، يتم نقل الطاقة من جسم إلى آخر بسبب توصيل حراري، إشعاع ، أو الحمل.

تسمى الطاقة التي يفقدها الجسم أو يكتسبها أثناء انتقال الحرارة مقدار الدفء.

عند حساب كمية الحرارة ، يجب أن تعرف الكميات التي تؤثر عليها.

من شعلتين متطابقتين سنقوم بتسخين سفينتين. في وعاء واحد 1 كجم من الماء ، والآخر - 2 كجم. درجة حرارة الماء في الوعاءين هي نفسها في البداية. يمكننا أن نرى أنه في نفس الوقت ترتفع درجة حرارة الماء في أحد الأوعية بشكل أسرع ، على الرغم من أن كلا السفينتين تتلقى نفس القدر من الحرارة.

وهكذا نستنتج: كلما زادت الكتلة جسد معينفكلما زاد استهلاك الحرارة لخفض درجة حرارته أو رفعها بنفس العدد من الدرجات.

عندما يبرد الجسم ، فإنه ينبعث من الأجسام المجاورة كلما زادت كمية الحرارة ، زادت كتلته.

نعلم جميعًا أنه إذا احتجنا إلى تسخين غلاية كاملة من الماء إلى درجة حرارة 50 درجة مئوية ، فسنمضي وقتًا أقل في هذا الإجراء مقارنة بتسخين غلاية بنفس حجم الماء ، ولكن حتى 100 درجة مئوية فقط. في الحالة الأولى ، سيتم إعطاء حرارة أقل للماء مقارنة بالثانية.

وبالتالي ، فإن كمية الحرارة المطلوبة للتدفئة تعتمد بشكل مباشر على كم درجهيمكن للجسم الاحماء. بإمكاننا أن نستنتج: كمية الحرارة تعتمد بشكل مباشر على اختلاف درجة حرارة الجسم.

ولكن هل من الممكن تحديد كمية الحرارة المطلوبة ليس لتسخين المياه ، ولكن لبعض المواد الأخرى ، مثل الزيت أو الرصاص أو الحديد.

املأ إناءً واحدًا بالماء والآخر بالزيت النباتي. كتل الماء والنفط متساوية. سيتم تسخين كلا الوعاءين بالتساوي على نفس الشعلات. لنبدأ التجربة عند درجة حرارة أولية متساوية للزيت النباتي والماء. بعد خمس دقائق ، بقياس درجات حرارة الزيت والماء المسخن ، نلاحظ أن درجة حرارة الزيت أعلى بكثير من درجة حرارة الماء ، على الرغم من أن كلا الموائع تلقيا نفس كمية الحرارة.

الاستنتاج الواضح هو: عند تسخينها جماهير متساويةالزيت والماء عند نفس درجة الحرارة كمية مختلفةالدفء.

وعلى الفور نتوصل إلى نتيجة أخرى: كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الجسم تعتمد بشكل مباشر على المادة التي يتكون منها الجسم نفسه (نوع المادة).

وبالتالي ، فإن كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم (أو التي يتم إطلاقها أثناء التبريد) تعتمد بشكل مباشر على كتلة الجسم ، وتغير درجة حرارته ، ونوع المادة.

يتم الإشارة إلى مقدار الحرارة بالرمز Q. مثل الآخرين أنواع مختلفةالطاقة ، يتم قياس كمية الحرارة بالجول (J) أو بالكيلوجول (kJ).

1 كيلو جول = 1000 جول

ومع ذلك ، يُظهر التاريخ أن العلماء بدأوا في قياس كمية الحرارة قبل وقت طويل من ظهور مفهوم مثل الطاقة في الفيزياء. في ذلك الوقت ، تم تطوير وحدة خاصة لقياس كمية الحرارة - كالوري (كالوري) أو كيلو كالوري (كيلو كالوري). الكلمة لها جذور لاتينية كالوروس الحرارة.

1 كيلو كالوري = 1000 كالوري

السعرات الحراريةهي كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة 1 جرام من الماء بمقدار 1 درجة مئوية

1 كال = 4.19 جول 4.2 جول

1 kcal = 4190 J ≈ 4200 J 4.2 kJ

هل لديك اسئلة؟ لا تعرف كيف تقوم بواجبك؟
للحصول على مساعدة مدرس - سجل.
الدرس الأول مجاني!

الموقع ، مع النسخ الكامل أو الجزئي للمادة ، يلزم وجود رابط إلى المصدر.

في هذا الدرس ، سوف نتعلم كيفية حساب كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم أو إطلاقه عندما يبرد. للقيام بذلك ، سنلخص المعرفة التي تم الحصول عليها في الدروس السابقة.

بالإضافة إلى ذلك ، سوف نتعلم كيفية استخدام صيغة كمية الحرارة للتعبير عن الكميات المتبقية من هذه الصيغة وحسابها ، مع معرفة الكميات الأخرى. سيتم أيضًا النظر في مثال لمشكلة مع حل لحساب كمية الحرارة.

هذا الدرس مخصص لحساب كمية الحرارة عند تسخين الجسم أو إطلاقه عند تبريده.

القدرة على الحساب المبلغ المطلوبالدفء مهم جدا. قد يكون هذا ضروريًا ، على سبيل المثال ، عند حساب كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى الماء لتدفئة الغرفة.

أرز. 1. كمية الحرارة التي يجب إبلاغ الماء عنها لتسخين الغرفة

أو لحساب كمية الحرارة المنبعثة عند احتراق الوقود في محركات مختلفة:

أرز. 2. كمية الحرارة التي يتم إطلاقها عند احتراق الوقود في المحرك

أيضًا ، هذه المعرفة ضرورية ، على سبيل المثال ، لتحديد كمية الحرارة التي تطلقها الشمس وتضرب الأرض:

أرز. 3. كمية الحرارة التي تطلقها الشمس وتساقط على الأرض

لحساب كمية الحرارة ، عليك أن تعرف ثلاثة أشياء (الشكل 4):

• وزن الجسم (الذي يمكن قياسه عادة بميزان) ؛
• الفرق في درجة الحرارة الذي من الضروري تسخين الجسم أو تبريده (يقاس عادةً بميزان حرارة) ؛
• السعة الحرارية النوعية للجسم (والتي يمكن تحديدها من الجدول).

أرز. 4. ما تحتاج إلى معرفته لتحديد

صيغة حساب كمية الحرارة هي كما يلي:

تحتوي هذه الصيغة على الكميات التالية:

كمية الحرارة مقاسة بالجول (J) ؛

السعة الحرارية النوعية للمادة ، مقاسة بـ ؛

- فرق درجة الحرارة ، مقاسة بالدرجات المئوية ().

ضع في اعتبارك مشكلة حساب كمية الحرارة.

مهمة

كوب من النحاس بكتلة جرامات يحتوي على ماء بحجم لتر واحد عند درجة حرارة. ما مقدار الحرارة التي يجب نقلها إلى كوب من الماء حتى تصبح درجة حرارته متساوية؟

أرز. 5. توضيح حالة المشكلة

أولا نكتب حالة قصيرة (منح) وتحويل جميع الكميات إلى النظام الدولي (SI).

منح:	SI
يجد:

حل:

أولاً ، حدد الكميات الأخرى التي نحتاجها لحل هذه المسألة. وفقًا لجدول السعة الحرارية المحددة (الجدول 1) ، نجد ( حرارة نوعيةالنحاس ، بما أن الزجاج يكون نحاسيًا حسب الحالة) ، (السعة الحرارية النوعية للماء ، نظرًا لوجود ماء في الزجاج حسب الحالة). بالإضافة إلى ذلك ، نعلم أنه لحساب كمية الحرارة ، نحتاج إلى كتلة من الماء. حسب الشرط ، يتم إعطاؤنا الحجم فقط. لذلك ، نأخذ كثافة الماء من الجدول: (الجدول 2).

فاتورة غير مدفوعة. 1. السعة الحرارية النوعية لبعض المواد ،

فاتورة غير مدفوعة. 2. كثافات بعض السوائل

الآن لدينا كل ما نحتاجه لحل هذه المشكلة.

لاحظ أن الكمية الإجمالية للحرارة ستتكون من مجموع كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الزجاج النحاسي وكمية الحرارة المطلوبة لتسخين الماء فيه:

نحسب أولاً كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الزجاج النحاسي:

قبل حساب كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الماء ، نحسب كتلة الماء باستخدام الصيغة المألوفة لنا من الدرجة 7:

الآن يمكننا حساب:

ثم يمكننا حساب:

تذكر ما تعنيه: كيلوجول. البادئة "كيلو" تعني .

إجابة:.

لتسهيل حل مشاكل إيجاد كمية الحرارة (ما يسمى بالمشكلات المباشرة) والكميات المرتبطة بهذا المفهوم ، يمكنك استخدام الجدول التالي.

القيمة المطلوبة	تعيين	الوحدات	الصيغة الأساسية	صيغة للكمية
كمية الحرارة

عندما نناقش طرق تدفئة المنزل ، وخيارات الحد من تسرب الحرارة ، يجب أن نفهم ماهية الحرارة ، والوحدات التي يتم قياسها ، وكيف تنتقل وكيف تضيع. ستوفر هذه الصفحة المعلومات الأساسية من مسار الفيزياء اللازمة للنظر في جميع القضايا المذكورة أعلاه.

الحرارة هي إحدى طرق نقل الطاقة

الطاقة التي يكتسبها الجسم أو يفقدها في عملية التبادل الحراري معها بيئة، يسمى مقدار الحرارة أو ببساطة الحرارة.

بالمعنى الدقيق للكلمة ، تعتبر الحرارة إحدى طرق نقل الطاقة ، وكمية الطاقة المنقولة إلى النظام فقط لها معنى فيزيائي ، ولكن يتم تضمين كلمة "حرارة" في مثل هذه المفاهيم العلمية الراسخة مثل التدفق الحراري ، السعة الحرارية ، حرارة انتقال الطور ، حرارة التفاعل الكيميائي ، التوصيل الحراري ، إلخ. لذلك ، عندما يكون استخدام هذه الكلمات غير مضلل ، فإن مفاهيم "الحرارة" و "كمية الحرارة" مترادفتان. ومع ذلك ، لا يمكن استخدام هذه المصطلحات إلا إذا تم تقديمها تعريف دقيق، ولا يمكن بأي حال من الأحوال أن تُعزى "كمية الحرارة" إلى عدد من المفاهيم الأولية التي لا تتطلب تعريفًا. لتجنب الأخطاء ، يجب فهم مفهوم "الحرارة" على وجه التحديد على أنه طريقة نقل الطاقة ، وكمية الطاقة المنقولة بهذه الطريقة يُشار إليها بمفهوم "كمية الحرارة". يوصى بتجنب مصطلح مثل " طاقة حرارية».

الحرارة هي الجزء الحركي من الطاقة الداخلية للمادة ، ويتم تحديده من خلال الحركة الفوضوية الشديدة للجزيئات والذرات التي تتكون منها هذه المادة. درجة الحرارة هي مقياس لشدة الحركة الجزيئية. تعتمد كمية الحرارة التي يمتلكها الجسم عند درجة حرارة معينة على كتلته ؛ على سبيل المثال ، عند نفس درجة الحرارة ، يتم احتواء قدر أكبر من الحرارة في كوب كبير من الماء مقارنة بكوب صغير ، وفي دلو من ماء باردقد يكون أكثر مما هو عليه في كوب من الماء الساخن (على الرغم من أن درجة حرارة الماء في الدلو أقل).

الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة ولذلك يجب قياسها بوحدات الطاقة. في النظام الدوليوحدة الطاقة في النظام الدولي للوحدات هي الجول (J). يُسمح أيضًا باستخدام وحدة خارج النظام لمقدار الحرارة - السعرات الحرارية: السعرات الحرارية الدولية هي 4.1868 ج.

نقل الحرارة ونقل الحرارة

نقل الحرارة هو عملية نقل الحرارة داخل الجسم أو من جسم إلى آخر بسبب الاختلافات في درجات الحرارة. تعتمد شدة انتقال الحرارة على خصائص المادة واختلاف درجة الحرارة وتطيع قوانين الطبيعة الموضوعة تجريبياً. لإنشاء أنظمة تدفئة أو تبريد فعالة ، ومحركات مختلفة ، ومحطات توليد الطاقة ، وأنظمة عزل حراري ، تحتاج إلى معرفة مبادئ نقل الحرارة. في بعض الحالات ، يكون نقل الحرارة غير مرغوب فيه (العزل الحراري لأفران الصهر ، سفن الفضاءإلخ) ، بينما في حالات أخرى يجب أن تكون كبيرة قدر الإمكان (غلايات البخار ، المبادلات الحرارية ، أدوات المطبخ). هناك ثلاثة أنواع رئيسية من نقل الحرارة: التوصيل ، والحمل الحراري ، ونقل الحرارة بالإشعاع.

توصيل حراري

إذا كان هناك اختلاف في درجة الحرارة داخل الجسم ، فإن الطاقة الحرارية تنتقل من الجزء الأكثر سخونة إلى الجزء الأكثر برودة. يسمى هذا النوع من نقل الحرارة ، بسبب الحركات الحرارية وتصادم الجزيئات ، بالتوصيل الحراري. تقدر الموصلية الحرارية للقضيب بالقيمة تدفق الحرارة، والتي تعتمد على معامل التوصيل الحراري ، ومنطقة المقطع العرضي التي تنتقل الحرارة من خلالها وتدرج درجة الحرارة (نسبة فرق درجة الحرارة في نهايات القضيب إلى المسافة بينهما). وحدة التدفق الحراري هي واط.

التوصيل الحراري لبعض المواد والمواد
المواد والمواد الموصلية الحرارية ، W / (م ^ 2 * كلفن)
المعادن
الألومنيوم ___________________205
البرونز _____________________105
تنجستن ___________________159
حديد ___________________________________67
نحاس _______________________389
نيكل ______________________58
يؤدي ______________________35
زنك _______________________113
مواد اخرى
الأسبستوس _______________________ 0.08
الخرسانة ________________________ 0.59.0000
الهواء _______________________ 0.024
العيد أسفل (سائب) ______ 0.008
خشب (جوز) ________________ 0.209.00
نشارة الخشب _______________________ 0.059
مطاط (إسفنجي) ____________ 0.038.0000
زجاج _______________________ 0.75

الحمل

الحمل الحراري هو انتقال الحرارة بسبب حركة كتل الهواء أو السائل. عندما يتم تطبيق الحرارة على سائل أو غاز ، تزداد شدة حركة الجزيئات ، ونتيجة لذلك ، يزداد الضغط. إذا لم يكن حجم السائل أو الغاز محدودًا ، فسيتمددان ؛ تصبح الكثافة المحلية للسائل (الغاز) أقل ، وبسبب قوى الطفو (أرخميدس) ، يتحرك الجزء الساخن من الوسط لأعلى (وهذا هو سبب ارتفاع الهواء الدافئ في الغرفة من البطاريات إلى السقف). في الحالات البسيطة لتدفق السوائل عبر أنبوب أو تدفق حول سطح مستو ، يمكن حساب معامل انتقال الحرارة بالحمل نظريًا. ومع ذلك ، لم يكن من الممكن حتى الآن إيجاد حل تحليلي لمشكلة الحمل الحراري لتدفق مضطرب لوسط.

الإشعاع الحراري

النوع الثالث من نقل الحرارة - نقل الحرارة بالإشعاع - يختلف عن التوصيل الحراري والحمل الحراري في تلك الحرارة في هذه الحالة يمكن نقلها من خلال الفراغ. تشابهه مع طرق نقل الحرارة الأخرى هو أنه يرجع أيضًا إلى اختلاف درجة الحرارة. الإشعاع الحراري هو أحد أنواع الإشعاع الكهرومغناطيسي.

الشمس باعث قوي للطاقة الحرارية. يسخن الأرض حتى على مسافة 150 مليون كيلومتر. تبلغ كثافة الإشعاع الشمسي حوالي 1.37 واط / م 2.

يتناسب معدل انتقال الحرارة بالتوصيل والحمل الحراري مع درجة الحرارة ، ويتناسب التدفق الحراري المشع مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة.

السعة الحرارية

المواد المختلفة لها قدرة مختلفة على تخزين الحرارة ؛ يعتمد ذلك على تركيبها الجزيئي وكثافتها. كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة وحدة كتلة من مادة بمقدار درجة واحدة (1 درجة مئوية أو 1 كلفن) تسمى السعة الحرارية النوعية لها. يتم قياس السعة الحرارية بـ J / (kg K).

عادة ما يميز السعة الحرارية عند حجم ثابت ( السيرة الذاتية) والسعة الحرارية عند ضغط متواصل (ج ص) ، إذا ظل حجم الجسم أو الضغط ثابتًا أثناء عملية التسخين ، على التوالي. على سبيل المثال ، لتسخين غرام واحد من الهواء في بالون بمقدار 1 كلفن ، يلزم مزيد من الحرارة بدلاً من تسخينه بنفس الطريقة في وعاء مغلق بجدران صلبة ، حيث يتم إنفاق جزء من الطاقة المنقولة إلى البالون على توسيع الهواء ، وليس على تسخينه. عند تسخينها بضغط ثابت ، يذهب جزء من الحرارة إلى إنتاج عمل تمدد الجسم ، وجزء آخر - لزيادة طاقته الداخلية ، بينما عند تسخينه بحجم ثابت ، يتم إنفاق كل الحرارة على زيادة الطاقة الداخلية ؛ ونتيجة لهذا سجل تجاريدائما أكثر من السيرة الذاتية. بالنسبة للسوائل والمواد الصلبة ، الفرق بين سجل تجاريو السيرة الذاتيةصغير نسبيًا.

الآلات الحرارية

المحركات الحرارية هي الأجهزة التي تحول الحرارة إلى عمل مفيد. ومن أمثلة هذه الآلات الضواغط والتوربينات والبخار والبنزين والمحركات النفاثة. من أشهر المحركات الحرارية التوربينات البخارية المستخدمة في محطات الطاقة الحرارية الحديثة. يظهر رسم تخطيطي مبسط لمحطة الطاقة هذه في الشكل 1.

أرز. 1. رسم تخطيطي مبسط لمحطة طاقة توربينية بخارية تعمل بالوقود الأحفوري.

يتم تحويل سائل العمل - الماء - إلى بخار شديد الحرارة في غلاية بخارية يتم تسخينها عن طريق حرق الوقود الأحفوري (الفحم أو الزيت أو الغاز الطبيعي). بخار ضغط مرتفعيقوم بتدوير عمود التوربينات البخارية ، والذي يقوم بتشغيل المولد الذي يولد الكهرباء. يتكثف بخار العادم عند تبريده بالماء الجاري الذي يمتص جزءًا من الحرارة. بعد ذلك ، يتم تغذية الماء في برج التبريد (برج التبريد) ، حيث يتم إطلاق جزء من الحرارة في الغلاف الجوي. يتم ضخ المكثف مرة أخرى إلى غلاية البخار وتتكرر الدورة بأكملها.

مثال آخر على المحرك الحراري هو ثلاجة منزلية ، يظهر الرسم التخطيطي لها في الشكل. 2.

في الثلاجات ومكيفات الهواء المنزلية ، يتم توفير الطاقة من الخارج لتوفيرها. يزيد الضاغط من درجة حرارة وضغط مادة عمل الثلاجة - الفريون أو الأمونيا أو ثاني أكسيد الكربون. يتم إدخال الغاز شديد السخونة في المكثف ، حيث يتم تبريده وتكثيفه ، مما يعطي حرارة للبيئة. يمر السائل الذي يخرج من فوهات المكثف عبر صمام الاختناق إلى المبخر ، ويتبخر جزء منه ، ويصاحب ذلك انخفاض حاد في درجة الحرارة. يأخذ المبخر الحرارة من حجرة الثلاجة ، مما يؤدي إلى تسخين سائل العمل في الفتحات ؛ يتم توفير هذا السائل بواسطة الضاغط للمكثف ، وتتكرر الدورة مرة أخرى.

السعة الحراريةهي كمية الحرارة التي يمتصها الجسم عند تسخينه بدرجة واحدة.

يشار إلى السعة الحرارية للجسم بأحرف كبيرة حرف لاتيني مع.

ما الذي يحدد السعة الحرارية للجسم؟ بادئ ذي بدء ، من كتلته. من الواضح أن التسخين ، على سبيل المثال ، كيلوغرام واحد من الماء يتطلب حرارة أكثر من تسخين 200 جرام.

ماذا عن نوع المادة؟ لنقم بتجربة. لنأخذ إناءين متطابقين ونصب 400 جرام من الماء في أحدهما ، وفي الآخر - زيت نباتيبوزن 400 جرام ، سنبدأ في تسخينها بمساعدة الشعلات المماثلة. من خلال مراقبة قراءات موازين الحرارة ، سنرى أن الزيت يسخن بسرعة. لتسخين الماء والزيت إلى نفس درجة الحرارة ، يجب تسخين الماء لفترة أطول. لكن كلما طالت مدة تسخين الماء ، زادت الحرارة التي يتلقاها من الموقد.

وهكذا ، لتسخين نفس الكتلة مواد مختلفةهناك حاجة إلى كميات مختلفة من الحرارة لنفس درجة الحرارة. كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الجسم ، وبالتالي ، قدرته الحرارية تعتمد على نوع المادة التي يتكون منها هذا الجسم.

لذلك ، على سبيل المثال ، لزيادة درجة حرارة الماء بكتلة 1 كجم بمقدار 1 درجة مئوية ، يلزم وجود كمية حرارة تساوي 4200 J ، وتسخين نفس الكتلة بمقدار 1 درجة مئوية زيت عباد الشمسمطلوب كمية حرارة تساوي 1700 J.

الكمية الماديةيوضح مقدار الحرارة المطلوبة لتسخين 1 كجم من مادة بمقدار 1 درجة مئوية حرارة نوعيةهذه المادة.

كل مادة لها سعة حرارية خاصة بها ، والتي يُشار إليها بالحرف اللاتيني c ويتم قياسها بالجول لكل كيلوغرام درجة (J / (كجم درجة مئوية)).

تختلف السعة الحرارية المحددة لنفس المادة في حالات التجميع المختلفة (الصلبة والسائلة والغازية). على سبيل المثال ، السعة الحرارية النوعية للماء هي 4200 J / (kg С) ، والسعة الحرارية النوعية للجليد هي 2100 J / (kg С) ؛ يحتوي الألمنيوم في الحالة الصلبة على سعة حرارية محددة تبلغ 920 جول / (كجم - درجة مئوية) ، وفي الحالة السائلة - 1080 جول / (كجم - درجة مئوية).

لاحظ أن الماء له سعة حرارية عالية جدًا. لذلك ، فإن الماء في البحار والمحيطات ، الذي يسخن في الصيف ، يمتص من الهواء عدد كبير منحرارة. نتيجة لذلك ، في تلك الأماكن التي تقع بالقرب من المسطحات المائية الكبيرة ، لا يكون الصيف حارًا كما هو الحال في الأماكن البعيدة عن الماء.

حساب كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الجسم أو التي يطلقها أثناء التبريد.

مما سبق يتضح أن كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم تعتمد على نوع المادة التي يتكون منها الجسم (أي السعة الحرارية المحددة له) وعلى كتلة الجسم. من الواضح أيضًا أن كمية الحرارة تعتمد على عدد درجات زيادة درجة حرارة الجسم.

لذلك ، لتحديد كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الجسم أو التي يطلقها أثناء التبريد ، تحتاج إلى ضرب الحرارة النوعية للجسم في كتلته والفرق بين درجات الحرارة النهائية والأولية:

س= سم (ر 2 - 1),

أين س- كمية الحرارة ، ج- السعة الحرارية محددة، م- كتلة الجسم، t1- درجة الحرارة الأولية ، T2- درجة الحرارة النهائية.

عندما يسخن الجسم T2> t1وبالتالي س >0 . عندما يبرد الجسم ر 2 و< t1وبالتالي س< 0 .

إذا كانت السعة الحرارية لكامل الجسم معروفة مع, سيتم تحديده من خلال الصيغة: س \ u003d ج ​​(ر 2 - t1).

22) الذوبان: التعريف وحساب كمية الحرارة للذوبان أو التصلب ، حرارة الذوبان النوعية ، الرسم البياني لـ t 0 (Q).

الديناميكا الحرارية

فرع من فروع الفيزياء الجزيئية يدرس نقل الطاقة وأنماط تحويل بعض أنواع الطاقة إلى أنواع أخرى. على عكس النظرية الحركية الجزيئية ، لا تأخذ الديناميكا الحرارية في الاعتبار الهيكل الداخليالمواد والمعلمات الدقيقة.

نظام الديناميكا الحرارية

هذه مجموعة من الهيئات التي تتبادل الطاقة (في شكل عمل أو حرارة) مع بعضها البعض أو مع البيئة. على سبيل المثال ، يبرد الماء في إبريق الشاي ، ويتم تبادل حرارة الماء مع إبريق الشاي وإبريق الشاي مع البيئة. اسطوانة بها غاز تحت المكبس: يقوم المكبس بالعمل ، ونتيجة لذلك يتلقى الغاز الطاقة وتتغير معلماته الكلية.

كمية الحرارة

هذا طاقة، التي يتم استلامها أو إعطاؤها بواسطة النظام في عملية التبادل الحراري. يُشار إليه بالرمز Q ، ويقاس ، مثل أي طاقة ، بالجول.

نتيجة لعمليات نقل الحرارة المختلفة ، يتم تحديد الطاقة المنقولة بطريقتها الخاصة.

التدفئة والتبريد

تتميز هذه العملية بتغيير في درجة حرارة النظام. يتم تحديد مقدار الحرارة بواسطة الصيغة

السعة الحرارية النوعية لمادة معتقاس بكمية الحرارة المطلوبة للتسخين وحدات الكتلةمن هذه المادة بنسبة 1 كيلو. يتطلب تسخين 1 كجم من الزجاج أو 1 كجم من الماء كمية مختلفة من الطاقة. السعة الحرارية المحددة هي قيمة معروفة محسوبة بالفعل لجميع المواد ، انظر القيمة في الجداول المادية.

السعة الحرارية للمادة ج- هذه هي كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم دون مراعاة كتلته بمقدار 1 ك.

الذوبان والتبلور

الذوبان هو انتقال المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. الانتقال العكسي يسمى التبلور.

تنفق الطاقة على التدمير شعرية الكريستالالمواد التي تحددها الصيغة

الحرارة النوعية للانصهار هي قيمة معروفة لكل مادة ، انظر القيمة في الجداول الفيزيائية.

التبخير (التبخر أو الغليان) والتكثيف

التبخير هو انتقال المادة من الحالة السائلة (الصلبة) إلى الحالة الغازية. تسمى العملية العكسية التكثيف.

الحرارة النوعية للتبخير هي قيمة معروفة لكل مادة ، انظر القيمة في الجداول الفيزيائية.

الإحتراق

كمية الحرارة المنبعثة عندما تحترق مادة ما

تعتبر الحرارة النوعية للاحتراق قيمة معروفة لكل مادة ، انظر القيمة في الجداول الفيزيائية.

بالنسبة لنظام أجسام مغلق ومعزول مؤقتًا ، يتم استيفاء معادلة توازن الحرارة. المجموع الجبري لكميات الحرارة المعطاة والمستقبلة من قبل جميع الهيئات المشاركة في التبادل الحراري يساوي صفرًا:

س 1 + س 2 + ... + س ن = 0

23) تركيب السوائل. طبقة سطحية. قوة التوتر السطحي: أمثلة على التظاهر ، الحساب ، معامل التوتر السطحي.

من وقت لآخر ، يمكن لأي جزيء أن ينتقل إلى مكان شاغر مجاور. تحدث مثل هذه القفزات في السوائل بشكل متكرر ؛ لذلك ، لا ترتبط الجزيئات بمراكز معينة ، كما هو الحال في البلورات ، ويمكن أن تتحرك في جميع أنحاء الحجم الكلي للسائل. هذا ما يفسر سيولة السوائل. نظرًا للتفاعل القوي بين الجزيئات المتقاربة ، يمكن أن تشكل مجموعات محلية (غير مستقرة) مرتبة تحتوي على عدة جزيئات. هذه الظاهرة تسمى ترتيب قصير المدى(الشكل 3.5.1).

المعامل β يسمى معامل درجة حرارة تمدد الحجم . هذا المعامل للسوائل أكبر بعشر مرات من المعامل للمواد الصلبة. بالنسبة للماء ، على سبيل المثال ، عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ، β في ≈ 2 10-4 K - 1 ، للصلب st ≈ 3.6 10-5 K - 1 ، لزجاج الكوارتز β kv ≈ 9 10-6 K - 1.

التمدد الحراري للماء له شذوذ مثير للاهتمام ومهم للحياة على الأرض. عند درجات حرارة أقل من 4 درجات مئوية ، يتمدد الماء مع انخفاض درجة الحرارة (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

عندما يتجمد الماء ، يتمدد ، لذلك يبقى الجليد عائمًا على سطح الماء المتجمد. درجة حرارة الماء المتجمد تحت الجليد 0 درجة مئوية. في طبقات الماء الأكثر كثافة بالقرب من قاع الخزان ، تكون درجة الحرارة حوالي 4 درجات مئوية. بفضل هذا ، يمكن أن توجد الحياة في مياه الخزانات المتجمدة.

معظم ميزة مثيرة للاهتمامالسوائل هو الوجود سطح الحرة . السائل ، على عكس الغازات ، لا يملأ الحجم الكامل للوعاء الذي يصب فيه. يتكون السطح البيني بين السائل والغاز (أو البخار) الموجود فيه شروط خاصةمقارنة بباقي الكتلة السائلة.يجب أن يوضع في الاعتبار أنه بسبب الانضغاط المنخفض للغاية ، فإن وجود طبقة سطحية أكثر كثافة لا يؤدي إلى أي تغيير ملحوظ في حجم السائل. إذا تحرك الجزيء من السطح إلى السائل ، فستحدث قوى التفاعل بين الجزيئات عمل ايجابي. على العكس من ذلك ، من أجل سحب عدد معين من الجزيئات من عمق السائل إلى السطح (أي زيادة مساحة سطح السائل) ، يجب أن تقوم القوى الخارجية بعمل إيجابي Δ أخارجي يتناسب مع التغيير Δ سمساحة السطح:

من المعروف من الميكانيكا أن حالات التوازن لنظام ما تتوافق مع الحد الأدنى لقيمة طاقته الكامنة. ويترتب على ذلك أن السطح الحر للسائل يميل إلى تقليل مساحته. لهذا السبب ، تأخذ القطرة الحرة من السائل شكلاً كرويًا. يتصرف المائع كما لو أن القوى تعمل بشكل عرضي على سطحه ، مما يقلل (ينقبض) هذا السطح. هذه القوى تسمى قوى التوتر السطحي .

إن وجود قوى التوتر السطحي يجعل سطح السائل يبدو وكأنه غشاء مرن ممتد ، مع الاختلاف الوحيد في أن القوى المرنة في الفيلم تعتمد على مساحة سطحه (أي على كيفية تشوه الفيلم) ، وقوى التوتر السطحي لا تعتمدعلى مساحة سطح السائل.

تمتلك بعض السوائل ، مثل الماء والصابون ، القدرة على تكوين أغشية رقيقة. جميع فقاعات الصابون المعروفة لها الشكل الكروي الصحيح - وهذا يظهر أيضًا تأثير قوى التوتر السطحي. إذا كان في محلول صابونقم بخفض إطار السلك ، بحيث يكون أحد جوانبه متحركًا ، ثم يتم تغطيته بالكامل بفيلم من السائل (الشكل 3.5.3).

تميل قوى التوتر السطحي إلى تقصير سطح الفيلم. لموازنة الجانب المتحرك من الإطار ، يجب تطبيق قوة خارجية عليه. إذا تحرك العارضة بمقدار تحت تأثير القوة xثم العمل Δ أتحويلة = Fتحويلة Δ x = Δ الحلقة = σΔ سأين ∆ س = 2إلΔ xهي الزيادة في مساحة السطح لكلا جانبي فيلم الصابون. نظرًا لأن معاملات القوى هي نفسها ، فيمكننا كتابة:

وبالتالي ، يمكن تعريف معامل التوتر السطحي σ على أنه معامل قوة التوتر السطحي المؤثرة لكل وحدة طول للخط الذي يحيط بالسطح.

نتيجة لتأثير قوى التوتر السطحي في القطرات السائلة والداخل فقاعات الصابونيحدث الضغط الزائد Δ ص. إذا قطعنا عقليًا قطرة كروية نصف قطرها صإلى نصفين ، يجب أن يكون كل منهما في حالة توازن تحت تأثير قوى التوتر السطحي المطبقة على حدود القطع بطول 2π صوالقوة الضغط الزائدتعمل على المنطقة π صقسمان (الشكل 3.5.4). تتم كتابة حالة التوازن كـ

إذا كانت هذه القوى أكبر من قوى التفاعل بين جزيئات السائل نفسه ، فعندئذ السائل يبللسطح جسم صلب. في هذه الحالة ، يقترب السائل من سطح الجسم الصلب بزاوية حادة θ ، وهي خاصية مميزة للزوج السائل والصلب المحدد. الزاوية θ تسمى زاوية الأتصال . إذا تجاوزت قوى التفاعل بين الجزيئات السائلة قوى تفاعلها مع الجزيئات الصلبة ، فإن زاوية التلامس θ اتضح أنها منفرجة (الشكل 3.5.5). في هذه الحالة ، يُقال السائل لا تبللسطح جسم صلب. في ترطيب كاملθ = 0 ، في عدم ترطيب كاملθ = 180 درجة.

الظواهر الشعريةيسمى ارتفاع أو هبوط السوائل في الأنابيب ذات القطر الصغير - الشعيرات الدموية. ترتفع السوائل المبللة عبر الشعيرات الدموية ، وتنزل السوائل غير المبللة.

على التين. يوضح الشكل 3.5.6 أنبوبًا شعريًا بنصف قطر معين صخفضت بالطرف السفلي إلى سائل ترطيب كثافته ρ. الطرف العلوي للشعيرات الدموية مفتوح. يستمر ارتفاع السائل في الشعيرات الدموية حتى تصبح قوة الجاذبية المؤثرة على عمود السائل في الشعيرات الدموية متساوية في القيمة المطلقة مع الناتج Fن قوى التوتر السطحي التي تعمل على طول حدود التلامس بين السائل وسطح الشعيرات الدموية: Fر = Fن ، أين Fر = ملغ = ρ حπ ص 2 ز, Fن = σ2π صكوس θ.

هذا يعني:

مع عدم ترطيب كامل ، θ = 180 درجة ، cos θ = –1 ، وبالتالي ، ح < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

يبلل الماء سطح الزجاج النظيف تقريبًا. وعلى العكس من ذلك ، فإن الزئبق لا يبلل السطح الزجاجي تمامًا. لذلك ، ينخفض ​​مستوى الزئبق في الأنبوب الشعري الزجاجي إلى ما دون المستوى الموجود في الوعاء.

24) التبخير: التعريف ، الأنواع (التبخر ، الغليان) ، حساب كمية الحرارة للتبخير والتكثيف ، حرارة التبخير النوعية.

التبخر والتكثيف. شرح ظاهرة التبخر بناءً على أفكار حول التركيب الجزيئي للمادة. الحرارة النوعية للتبخير. وحداتها.

تسمى ظاهرة تحول السائل إلى بخار تبخير.

تبخر - عملية التبخير التي تحدث من سطح مفتوح.

تتحرك الجزيئات في السائل مع سرعات مختلفة. إذا كان أي جزيء على سطح السائل ، يمكنه التغلب على جاذبية الجزيئات المجاورة ويطير خارج السائل. تشكل الجزيئات الهاربة بخارًا. تتغير سرعات الجزيئات السائلة المتبقية عند الاصطدام. في هذه الحالة ، تكتسب بعض الجزيئات سرعة كافية للخروج من السائل. تستمر هذه العملية ، لذلك تتبخر السوائل ببطء.

* معدل التبخر يعتمد على نوع السائل. تتبخر هذه السوائل بشكل أسرع ، حيث تنجذب الجزيئات بقوة أقل.

* يمكن أن يحدث التبخر في أي درجة حرارة. لكن في درجات الحرارة المرتفعة ، يكون التبخر أسرع .

* يعتمد معدل التبخر على مساحة سطحه.

* مع الرياح (تدفق الهواء) ، يحدث التبخر بشكل أسرع.

أثناء التبخر ، تنخفض الطاقة الداخلية بسبب. أثناء التبخر ، تترك الجزيئات السريعة السائل ، وبالتالي ينخفض ​​متوسط ​​سرعة الجزيئات المتبقية. هذا يعني أنه إذا لم يكن هناك تدفق للطاقة من الخارج ، فإن درجة حرارة السائل تنخفض.

تسمى ظاهرة تحول البخار إلى سائل تركيز. يرافقه إطلاق الطاقة.

يفسر تكاثف البخار تكوين الغيوم. يتكون بخار الماء المتصاعد فوق سطح الأرض من السحب في طبقات الهواء الباردة العليا ، والتي تتكون من قطرات صغيرة من الماء.

الحرارة النوعية للتبخير - بدني. كمية تشير إلى مقدار الحرارة المطلوب لتحويل سائل كتلته 1 كجم إلى بخار دون تغيير درجة الحرارة.

العود. حرارة التبخير يشار إليه بالحرف L ويقاس بـ J / كجم

العود. حرارة تبخير الماء: L = 2.3 × 10 6 J / kg ، كحول L = 0.9 × 10 6

كمية الحرارة المطلوبة لتحويل السائل إلى بخار: Q = Lm

تسمى عملية نقل الطاقة من جسم إلى آخر دون القيام بأي عمل التبادل الحراريأو انتقال الحرارة. يحدث انتقال الحرارة بين الأجسام ذات درجات الحرارة المختلفة. عندما يتم الاتصال بين الأجسام ذات درجات الحرارة المختلفة ، يتم نقل جزء من الطاقة الداخلية من الجسم مع المزيد درجة حرارة عاليةلجسم ذي درجة حرارة منخفضة. تسمى الطاقة المنقولة إلى الجسم نتيجة انتقال الحرارة كمية الحرارة.

السعة الحرارية النوعية للمادة:

إذا لم تكن عملية نقل الحرارة مصحوبة بعمل ، إذن ، بناءً على القانون الأول للديناميكا الحرارية ، فإن كمية الحرارة تساوي التغير في الطاقة الداخلية للجسم:.

يتناسب متوسط ​​طاقة الحركة الانتقالية العشوائية للجزيئات مع درجة الحرارة المطلقة. التغير في الطاقة الداخلية للجسم يساوي المجموع الجبري للتغيرات في طاقة جميع الذرات أو الجزيئات ، وعددها يتناسب مع كتلة الجسم ، وبالتالي فإن التغير في الطاقة الداخلية ، وبالتالي ، كمية الحرارة تتناسب مع الكتلة وتغير درجة الحرارة:

يسمى عامل التناسب في هذه المعادلة السعة الحرارية النوعية للمادة. تشير السعة الحرارية النوعية إلى مقدار الحرارة المطلوب لرفع درجة حرارة 1 كجم من المادة بمقدار 1 كلفن.

العمل في الديناميكا الحرارية:

في الميكانيكا ، يُعرَّف الشغل بأنه حاصل ضرب وحدات القوة والإزاحة وجيب الزاوية بينهما. يتم الشغل عندما تؤثر القوة على جسم متحرك وتساوي التغير في طاقته الحركية.

في الديناميكا الحرارية ، لا تؤخذ في الاعتبار حركة الجسم ككل ؛ نحن نتحدث عن حركة أجزاء من الجسم العياني بالنسبة لبعضها البعض. ونتيجة لذلك ، يتغير حجم الجسم وتظل سرعته مساوية للصفر. يُعرَّف العمل في الديناميكا الحرارية بنفس الطريقة كما في الميكانيكا ، ولكنه يساوي التغيير ليس في الطاقة الحركية للجسم ، ولكن في طاقته الداخلية.

عند الانتهاء من العمل (الضغط أو التمدد) ، تتغير الطاقة الداخلية للغاز. والسبب في ذلك كالتالي: أثناء الاصطدام المرن لجزيئات الغاز بمكبس متحرك ، تتغير طاقتها الحركية.

دعونا نحسب عمل الغاز أثناء التمدد. يعمل الغاز على المكبس بقوة
، أين هو ضغط الغاز ، و - مساحة السطح مكبس. عندما يتمدد الغاز ، يتحرك المكبس في اتجاه القوة لمسافة قصيرة
. إذا كانت المسافة صغيرة ، فيمكن اعتبار ضغط الغاز ثابتًا. عمل الغاز هو:

أين
- تغير في حجم الغاز.

في عملية تمدد الغاز ، يقوم بعمل إيجابي ، حيث يتزامن اتجاه القوة والإزاحة. في عملية التمدد ، يعطي الغاز الطاقة للأجسام المحيطة.

يختلف العمل الذي تقوم به الهيئات الخارجية على الغاز عن عمل الغاز فقط في اللافتة
، لأن القوة العمل على الغاز هو عكس القوة ، التي يعمل بها الغاز على المكبس ، ويكون مساويًا له في القيمة المطلقة (قانون نيوتن الثالث) ؛ وتبقى الحركة على حالها. لذلك ، فإن عمل القوى الخارجية يساوي:

.

القانون الأول للديناميكا الحرارية:

القانون الأول للديناميكا الحرارية هو قانون الحفاظ على الطاقة ، الممتد إلى الظواهر الحرارية. قانون الحفاظ على الطاقة: الطاقة في الطبيعة لا تنشأ من لا شيء ولا تختفي: كمية الطاقة لا تتغير ، إنها تتغير فقط من شكل إلى آخر.

في الديناميكا الحرارية ، يُنظر إلى الأجسام ، ولا يتغير موضع مركز الثقل عمليًا. تظل الطاقة الميكانيكية لهذه الأجسام ثابتة ، ولا يمكن تغيير سوى الطاقة الداخلية.

يمكن تغيير الطاقة الداخلية بطريقتين: نقل الحرارة والعمل. في الحالة العامة ، تتغير الطاقة الداخلية بسبب انتقال الحرارة وبسبب أداء العمل. تمت صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية بدقة لمثل هذه الحالات العامة:

التغيير في الطاقة الداخلية للنظام أثناء انتقاله من حالة إلى أخرى يساوي مجموع عمل القوى الخارجية وكمية الحرارة المنقولة إلى النظام:

إذا كان النظام معزولاً ، فلن يتم عمل أي عمل عليه ولا يتبادل الحرارة مع الأجسام المحيطة. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية تظل الطاقة الداخلية لنظام معزول دون تغيير.

بشرط
يمكن كتابة القانون الأول للديناميكا الحرارية على النحو التالي:

تذهب كمية الحرارة المنقولة إلى النظام لتغيير طاقته الداخلية وأداء العمل على الأجسام الخارجية بواسطة النظام.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية: من المستحيل نقل الحرارة من نظام أكثر برودة إلى نظام أكثر سخونة في حالة عدم وجود تغييرات متزامنة أخرى في كلا النظامين أو في الأجسام المحيطة.