شمارش گرما را پیدا کنید. محاسبه مقدار گرما در حین انتقال حرارت، ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده. معادله تعادل حرارتی

همانطور که قبلاً می دانیم، انرژی درونی بدن می تواند هم هنگام انجام کار و هم از طریق انتقال حرارت (بدون انجام کار) تغییر کند. تفاوت اصلی بین کار و مقدار گرما در این است که کار فرآیند تبدیل انرژی داخلی سیستم را تعیین می کند که با تبدیل انرژی از یک نوع به نوع دیگر همراه است.

در صورتی که تغییر در انرژی درونی به کمک انتقال حرارت، انتقال انرژی از جسمی به جسم دیگر به دلیل انجام می شود رسانایی گرماییتابش یا همرفت.

انرژی که بدن در طی انتقال حرارت از دست می دهد یا به دست می آورد را می گویند مقدار گرما

هنگام محاسبه مقدار گرما، باید بدانید که چه مقادیری بر آن تأثیر می گذارد.

ما دو ظرف را با استفاده از دو مشعل یکسان گرم می کنیم. یک ظرف حاوی 1 کیلوگرم آب و دیگری حاوی 2 کیلوگرم است. دمای آب در دو رگ در ابتدا یکسان است. می بینیم که در همان زمان، آب یکی از رگ ها سریعتر گرم می شود، اگرچه هر دو رگ مقدار مساوی گرما دریافت می کنند.

بنابراین، نتیجه می گیریم: هر چه جرم بیشتر باشد بدن داده شده، باید حرارت بیشتری صرف شود تا دمای آن به همان تعداد درجه کاهش یا افزایش یابد.

وقتی جسمی سرد می شود، گرمای بیشتری به اجسام مجاور می دهد، جرم آن بیشتر می شود.

همه ما می دانیم که اگر بخواهیم یک کتری پر آب را تا دمای 50 درجه سانتی گراد گرم کنیم، زمان کمتری را نسبت به گرم کردن کتری با همان حجم آب، اما فقط تا 100 درجه سانتی گراد، صرف این عمل می کنیم. در مورد شماره یک، گرمای کمتری نسبت به حالت دو به آب داده می شود.

بنابراین، مقدار گرمای مورد نیاز برای گرمایش مستقیماً به این بستگی دارد چند درجهبدن می تواند گرم شود. می توانیم نتیجه بگیریم: مقدار گرما به طور مستقیم به تفاوت دمای بدن بستگی دارد.

اما آیا می توان مقدار حرارت مورد نیاز برای گرم کردن آب، بلکه ماده دیگری مثلاً روغن، سرب یا آهن را تعیین کرد؟

یک ظرف را با آب پر کنید و دیگری را با روغن نباتی پر کنید. جرم آب و روغن برابر است. ما هر دو ظرف را به طور مساوی روی مشعل های یکسان گرم می کنیم. بیایید آزمایش را در دمای اولیه مساوی روغن نباتی و آب شروع کنیم. پنج دقیقه بعد، با اندازه گیری دمای روغن و آب گرم شده، متوجه خواهیم شد که دمای روغن بسیار بالاتر از دمای آب است، اگرچه هر دو مایع به یک اندازه گرما دریافت کردند.

نتیجه واضح این است: هنگام گرم شدن توده های مساویروغن و آب با دمای یکسان مورد نیاز است مقادیر مختلفگرما.

و بلافاصله نتیجه دیگری می گیریم: مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک جسم مستقیماً به ماده ای که خود بدن از آن تشکیل شده است (نوع ماده) بستگی دارد.

بنابراین، مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک جسم (یا در هنگام سرد شدن آزاد می شود) مستقیماً به جرم بدن، تغییرپذیری دمای آن و نوع ماده بستگی دارد.

مقدار گرما را با علامت Q نشان می دهند مانند دیگران انواع مختلفانرژی، مقدار گرما بر حسب ژول (J) یا کیلوژول (کیلوژول) اندازه گیری می شود.

1 کیلوژول = 1000 ژول

با این حال، تاریخ نشان می دهد که دانشمندان مدت ها قبل از ظهور مفهوم انرژی در فیزیک شروع به اندازه گیری میزان گرما کردند. در آن زمان، یک واحد ویژه برای اندازه گیری مقدار گرما - کالری (کالری) یا کیلو کالری (کیلو کالری) ایجاد شد. این کلمه ریشه لاتین دارد، کالری - گرما.

1 کیلو کالری = 1000 کالری

کالری– این مقدار حرارتی است که برای گرم کردن ۱ گرم آب در دمای ۱ درجه سانتی گراد لازم است

1 کالری = 4.19 J ≈ 4.2 J

1 کیلو کالری = 4190 ژول ≈ 4200 ژول ≈ 4.2 کیلوژول

هنوز سوالی دارید؟ نمی دانید چگونه تکالیف خود را انجام دهید؟
برای کمک گرفتن از استاد راهنما، ثبت نام کنید.
درس اول رایگان است

وب سایت، هنگام کپی کردن مطالب به طور کامل یا جزئی، پیوند به منبع مورد نیاز است.

در این درس یاد خواهیم گرفت که چگونه مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک جسم یا آزاد شده توسط آن هنگام خنک شدن را محاسبه کنیم. برای این کار، دانشی را که در درس های قبلی به دست آمده بود، خلاصه می کنیم.

علاوه بر این، با استفاده از فرمول مقدار گرما، یاد خواهیم گرفت که مقادیر باقیمانده از این فرمول را بیان کرده و با دانستن مقادیر دیگر، آنها را محاسبه کنیم. نمونه ای از مسئله با راه حلی برای محاسبه مقدار گرما نیز در نظر گرفته خواهد شد.

این درس به محاسبه مقدار گرما در هنگام گرم شدن یا آزاد شدن جسم هنگام سرد شدن اختصاص دارد.

قابلیت محاسبه مقدار مورد نیازگرما خیلی مهمه این ممکن است برای مثال هنگام محاسبه مقدار گرمایی که برای گرم کردن یک اتاق به آب منتقل می شود مورد نیاز باشد.

برنج. 1. مقدار حرارتی که باید به آب داده شود تا اتاق گرم شود

یا برای محاسبه مقدار گرمایی که هنگام سوزاندن سوخت در موتورهای مختلف آزاد می شود:

برنج. 2. مقدار حرارتی که هنگام سوختن سوخت در موتور آزاد می شود

این دانش همچنین برای تعیین مقدار گرمایی که توسط خورشید آزاد می شود و روی زمین می افتد نیز مورد نیاز است:

برنج. 3. مقدار گرمای آزاد شده توسط خورشید و سقوط بر روی زمین

برای محاسبه مقدار گرما، باید سه چیز را بدانید (شکل 4):

• وزن بدن (که معمولاً با استفاده از ترازو قابل اندازه گیری است)؛
• تفاوت دمایی که بدن باید توسط آن گرم یا سرد شود (معمولاً با استفاده از دماسنج اندازه گیری می شود).
• ظرفیت گرمایی ویژه بدن (که از جدول مشخص می شود).

برنج. 4. آنچه برای تعیین آن باید بدانید

فرمولی که با آن مقدار گرما محاسبه می شود به صورت زیر است:

مقادیر زیر در این فرمول ظاهر می شود:

مقدار گرمای اندازه گیری شده بر حسب ژول (J)؛

ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده با واحد اندازه گیری می شود.

- اختلاف دما، بر حسب درجه سانتیگراد ().

بیایید مشکل محاسبه مقدار گرما را در نظر بگیریم.

وظیفه

یک لیوان مسی با جرم گرم حاوی آب به حجم لیتر در دما است. چه مقدار حرارت باید به یک لیوان آب منتقل شود تا دمای آن برابر شود؟

برنج. 5. تصویر شرایط مشکل

ابتدا بیایید بنویسیم شرایط کوتاه (داده شده) و تمام مقادیر را به سیستم بین المللی (SI) تبدیل کنید.

داده شده:	SI
پیدا کردن:

راه حل:

ابتدا تعیین کنید که برای حل این مشکل به چه مقادیر دیگری نیاز داریم. با استفاده از جدول ظرفیت گرمایی ویژه (جدول 1)، ما ( گرمای ویژهمس، از آنجایی که طبق شرایط شیشه مس است)، (ظرفیت حرارتی خاص آب، زیرا طبق شرایط، آب در لیوان وجود دارد). علاوه بر این، می دانیم که برای محاسبه مقدار گرما به جرم آب نیاز داریم. طبق شرط فقط حجم به ما داده می شود. بنابراین از جدول چگالی آب را می گیریم: (جدول 2).

جدول 1. ظرفیت گرمایی ویژه برخی از مواد،

جدول 2. چگالی برخی مایعات

اکنون همه چیزهایی که برای حل این مشکل نیاز داریم در اختیار داریم.

توجه داشته باشید که مقدار حرارت نهایی شامل مجموع مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن شیشه مسی و مقدار حرارت مورد نیاز برای گرم کردن آب در آن خواهد بود:

ابتدا مقدار حرارت مورد نیاز برای گرم کردن یک لیوان مسی را محاسبه می کنیم:

قبل از محاسبه مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن آب، بیایید جرم آب را با استفاده از فرمولی که از درجه 7 برای ما آشناست محاسبه کنیم:

اکنون می توانیم محاسبه کنیم:

سپس می توانیم محاسبه کنیم:

بیایید به یاد بیاوریم که کیلوژول به چه معناست. پیشوند "کیلو" به معنای .

پاسخ:.

برای راحتی حل مسائل یافتن مقدار گرما (به اصطلاح مسائل مستقیم) و کمیت های مرتبط با این مفهوم می توانید از جدول زیر استفاده کنید.

مقدار مورد نیاز	تعیین	واحدها	فرمول پایه	فرمول کمیت
مقدار گرما

وقتی درباره روش های گرمایش خانه، گزینه های کاهش نشت گرما بحث می کنیم، باید بفهمیم که گرما چیست، در چه واحدهایی اندازه گیری می شود، چگونه منتقل می شود و چگونه از دست می رود. در این صفحه اطلاعات اولیه از دوره فیزیک لازم برای در نظر گرفتن همه موارد فوق ارائه می شود.

گرما یکی از راه های انتقال انرژی است

انرژی ای که بدن در فرآیند تبادل حرارت با آن دریافت یا از دست می دهد محیط، مقدار گرما یا به سادگی گرما نامیده می شود.

به معنای دقیق، گرما یکی از راه های انتقال انرژی است و تنها مقدار انرژی منتقل شده به سیستم معنای فیزیکی دارد، اما کلمه گرما در مفاهیم علمی ثابت شده مانند جریان گرما، ظرفیت گرما، گرمای انتقال فاز، گرمای یک واکنش شیمیایی، هدایت حرارتی، و غیره. بنابراین، در جایی که چنین واژه‌ای گمراه‌کننده نیست، مفاهیم «گرما» و «مقدار گرما» مترادف هستند. با این حال، این اصطلاحات تنها در صورتی قابل استفاده هستند که داده شوند تعریف دقیقو به هیچ وجه نمی توان «مقدار گرما» را یکی از مفاهیم اولیه ای دانست که نیاز به تعریف ندارد. برای جلوگیری از اشتباه، مفهوم "گرما" باید دقیقاً به عنوان روش انتقال انرژی درک شود و مقدار انرژی منتقل شده توسط این روش با مفهوم "میزان گرما" مشخص می شود. توصیه می شود از عباراتی مانند « انرژی حرارتی».

گرما بخش جنبشی انرژی درونی یک ماده است که توسط حرکت بی نظم شدید مولکول ها و اتم هایی که این ماده از آن تشکیل شده است تعیین می شود. دما معیاری برای سنجش شدت حرکت مولکولی است. مقدار گرمای یک جسم در دمای معین به جرم آن بستگی دارد. برای مثال، در همان دما، یک فنجان بزرگ آب حاوی گرمای بیشتری نسبت به یک فنجان کوچک است و یک سطل آب حاوی آب سردممکن است مقدار آن بیشتر از یک فنجان آب داغ باشد (اگرچه دمای آب در سطل کمتر است).

گرما نوعی انرژی است و بنابراین باید با واحد انرژی اندازه گیری شود. که در سیستم بین المللیواحد انرژی SI ژول (J) است. همچنین می توان از یک واحد غیر سیستمی کمیت گرما - کالری استفاده کرد: کالری بین المللی برابر با 4.1868 J است.

تبادل حرارت و انتقال حرارت

انتقال حرارت فرآیند انتقال گرما در یک جسم یا از جسمی به جسم دیگر به دلیل اختلاف دما است. شدت انتقال حرارت به خواص ماده، اختلاف دما بستگی دارد و از قوانین تجربی تعیین شده طبیعت پیروی می کند. برای ایجاد کارآمد سیستم های گرمایش یا سرمایش، موتورهای مختلف، نیروگاه ها و سیستم های عایق حرارتی، باید اصول انتقال حرارت را بدانید. در برخی موارد، تبادل حرارت نامطلوب است (عایق حرارتی کوره های ذوب، سفینه های فضاییو غیره)، در حالی که در دیگران باید تا حد امکان بزرگ باشد (دیگ بخار، مبدل های حرارتی، ظروف آشپزخانه). سه نوع اصلی انتقال حرارت وجود دارد: رسانایی، همرفتی و انتقال حرارت تابشی.

رسانایی گرمایی

اگر در داخل بدن اختلاف دما وجود داشته باشد، انرژی حرارتی از قسمت گرمتر بدن به قسمت سردتر منتقل می شود. این نوع انتقال حرارت که در اثر حرکات حرارتی و برخورد مولکول ها ایجاد می شود، هدایت حرارتی نامیده می شود. هدایت حرارتی میله با مقدار تخمین زده می شود جریان دما، که به ضریب هدایت حرارتی، سطح مقطعی که گرما از طریق آن منتقل می شود و گرادیان دما (نسبت اختلاف دما در انتهای میله به فاصله بین آنها) بستگی دارد. واحد جریان گرما وات است.

رسانایی حرارتی برخی از مواد و مواد
مواد و مواد هدایت حرارتی، W/(m^2*K)
فلزات
آلومینیوم __________________205
برنز ____________________105
تنگستن __________________159
آهن ________________________________67
مس ______________________389
نیکل ________________________________58
سرب ________________________________35
روی ________________________113
مواد دیگر
آزبست _____________________0.08
بتن _________________________________0.59
هوا ______________________0.024
Eider down (شل) ______0.008
چوب (گردو) ________________0.209
خاک اره ______________________0.059
لاستیک (اسفنج) ____________0.038
شیشه _____________________0.75

همرفت

همرفت تبادل حرارتی است که در اثر حرکت توده‌های هوا یا مایع به وجود می‌آید. هنگامی که گرما به مایع یا گاز می رسد، شدت حرکت مولکولی افزایش می یابد و در نتیجه فشار افزایش می یابد. اگر مایع یا گاز از نظر حجم محدود نباشد، منبسط می شود. چگالی موضعی مایع (گاز) کوچکتر می شود و به لطف نیروهای شناوری (ارشمیدسی)، قسمت گرم شده محیط به سمت بالا حرکت می کند (به همین دلیل است که هوای گرم اتاق از رادیاتورها به سقف بالا می رود). در موارد ساده جریان سیال از طریق یک لوله یا جریان در اطراف یک سطح صاف، ضریب انتقال حرارت همرفتی را می توان به صورت تئوری محاسبه کرد. با این حال، هنوز نمی توان یک راه حل تحلیلی برای مشکل همرفت برای یک جریان آشفته یک محیط پیدا کرد.

تابش حرارتی

نوع سوم انتقال حرارت - انتقال حرارت تابشی - با هدایت حرارتی و همرفت متفاوت است زیرا در این حالت گرما از طریق خلاء قابل انتقال است. شباهت آن با سایر روش های انتقال حرارت این است که به دلیل اختلاف دما نیز ایجاد می شود. تابش حرارتی نوعی تابش الکترومغناطیسی است.

خورشید یک ساطع کننده قدرتمند انرژی حرارتی است. حتی در فاصله 150 میلیون کیلومتری زمین را گرم می کند. شدت تابش خورشیدی تقریباً 1.37 W/m2 است.

سرعت انتقال حرارت توسط رسانش و همرفت متناسب با دما است و شار حرارتی تابشی متناسب با توان چهارم دما است.

ظرفیت گرمایی

مواد مختلف توانایی های متفاوتی برای ذخیره گرما دارند. این بستگی به ساختار مولکولی و چگالی آنها دارد. مقدار گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای واحد جرم یک ماده به اندازه یک درجه (1 درجه سانتیگراد یا 1 K) ظرفیت گرمایی ویژه آن نامیده می شود. ظرفیت گرمایی بر حسب J/(kg K) اندازه گیری می شود.

معمولاً بین ظرفیت گرمایی در حجم ثابت ( رزومه) و ظرفیت حرارتی در فشار ثابت (با پی) اگر در طی فرآیند گرمایش حجم بدن یا فشار به ترتیب ثابت بماند. به عنوان مثال، برای گرم کردن یک گرم هوا در یک بالون به میزان 1 K، گرمای بیشتری نسبت به همان گرمایش در یک ظرف مهر و موم شده با دیواره های سفت و سخت مورد نیاز است، زیرا بخشی از انرژی منتقل شده به بالون صرف انبساط هوا می شود. نه در گرمایش وقتی با فشار ثابت گرم می شود، بخشی از گرما برای تولید کار انبساط بدن و بخشی برای افزایش انرژی درونی آن استفاده می شود، در حالی که وقتی با حجم ثابت گرم می شود، تمام گرما صرف افزایش انرژی داخلی می شود. با توجه به این اس آرهمیشه بیشتر از رزومه. در مایعات و جامدات، تفاوت بین اس آرو رزومهنسبتا کوچک.

ماشین های حرارتی

موتورهای حرارتی وسایلی هستند که گرما را به کار مفید. نمونه هایی از این ماشین ها عبارتند از کمپرسورها، توربین ها، بخار، موتورهای بنزینی و جت. یکی از معروف ترین موتورهای حرارتی، توربین بخار است که در نیروگاه های حرارتی مدرن استفاده می شود. یک نمودار ساده از چنین نیروگاهی در شکل 1 نشان داده شده است.

برنج. 1. نمودار ساده شده یک نیروگاه توربین بخار که با سوخت های فسیلی کار می کند.

سیال عامل، آب، در دیگ بخار به بخار فوق گرم تبدیل می شود و با سوزاندن سوخت های فسیلی (زغال سنگ، نفت یا گاز طبیعی) گرم می شود. بخار فشار بالاشفت یک توربین بخار را می چرخاند که ژنراتوری را به حرکت در می آورد که برق تولید می کند. بخار خروجی هنگامی که توسط آب جاری خنک می شود متراکم می شود که مقداری از گرما را جذب می کند. سپس آب به برج خنک کننده می رسد و از آنجا بخشی از گرما به اتمسفر آزاد می شود. میعانات با استفاده از پمپ به دیگ بخار برگردانده می شود و کل چرخه تکرار می شود.

نمونه دیگری از موتورهای حرارتی یخچال خانگی است که نمودار آن در شکل نشان داده شده است. 2.

در یخچال ها و کولرهای خانگی انرژی برای تامین آن از خارج تامین می شود. کمپرسور دما و فشار ماده کار یخچال - فریون، آمونیاک یا دی اکسید کربن را افزایش می دهد. گاز فوق گرم به کندانسور می رسد، جایی که خنک می شود و متراکم می شود و گرما را به محیط آزاد می کند. مایع خروجی از لوله های کندانسور از طریق دریچه گاز به داخل اواپراتور می رود و بخشی از آن تبخیر می شود که با افت شدید دما همراه است. اواپراتور گرما را از محفظه یخچال می گیرد که سیال کار در لوله ها را گرم می کند. این مایع توسط کمپرسور به کندانسور می رسد و چرخه دوباره تکرار می شود.

ظرفیت گرمایی- این مقدار گرمایی است که وقتی 1 درجه گرم می شود توسط بدن جذب می شود.

ظرفیت گرمایی یک جسم با بزرگ نشان داده می شود حرف لاتین با.

ظرفیت گرمایی بدن به چه چیزی بستگی دارد؟ اول از همه، از جرم آن. واضح است که گرم کردن مثلاً 1 کیلوگرم آب نسبت به گرم کردن 200 گرم نیاز به حرارت بیشتری دارد.

در مورد نوع ماده چطور؟ بیایید یک آزمایش انجام دهیم. بیایید دو کشتی یکسان را برداریم و آب به وزن 400 گرم را در یکی از آنها بریزیم و در دیگری - روغن سبزیجاتبا وزن 400 گرم، اجازه دهید آنها را با استفاده از مشعل های یکسان گرم کنیم. با مشاهده قرائت دماسنج خواهیم دید که روغن به سرعت گرم می شود. برای گرم کردن آب و روغن به یک دما، آب باید مدت بیشتری گرم شود. اما هر چه بیشتر آب را گرم کنیم، گرمای بیشتری از مشعل دریافت می کند.

بنابراین، برای گرم کردن همان جرم مواد مختلفبرای رسیدن به دمای یکسان، مقادیر متفاوتی از گرما مورد نیاز است. مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک جسم و بنابراین ظرفیت گرمایی آن به نوع ماده ای که بدن از آن تشکیل شده است بستگی دارد.

به عنوان مثال برای افزایش دمای آب به وزن 1 کیلوگرم به میزان 1 درجه سانتیگراد، حرارتی معادل 4200 ژول لازم است و همان جرم را 1 درجه سانتیگراد گرم کنید. روغن آفتابگردانمقدار حرارت مورد نیاز 1700 ژول است.

کمیت فیزیکینشان دادن مقدار حرارت مورد نیاز برای گرم کردن 1 کیلوگرم ماده در 1 ºС نامیده می شود ظرفیت گرمایی ویژهاز این ماده

هر ماده ظرفیت گرمایی خاص خود را دارد که با حرف لاتین c نشان داده می شود و با ژول بر کیلوگرم درجه (J/(kg °C) اندازه گیری می شود.

ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده در حالت های مختلف تجمع (جامد، مایع و گاز) متفاوت است. به عنوان مثال، ظرفیت گرمایی ویژه آب 4200 ژول / (کیلوگرم درجه سانتیگراد) و ظرفیت گرمایی ویژه یخ 2100 ژول / (کیلوگرم درجه سانتیگراد) است. آلومینیوم در حالت جامد دارای ظرفیت گرمایی ویژه 920 ژول / (کیلوگرم - درجه سانتیگراد) و در حالت مایع - 1080 ژول / (کیلوگرم - درجه سانتیگراد) است.

توجه داشته باشید که آب ظرفیت گرمایی ویژه بسیار بالایی دارد. بنابراین، آب دریاها و اقیانوس ها که در تابستان گرم می شود، از هوا جذب می شود تعداد زیادی ازحرارت. به همین دلیل، در مکان هایی که در نزدیکی آب های بزرگ قرار دارند، تابستان به اندازه مکان های دور از آب گرم نیست.

محاسبه مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک جسم یا آزاد شده از آن در هنگام خنک شدن.

با توجه به مطالب فوق روشن است که مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک جسم به نوع ماده ای که بدن از آن تشکیل شده است (یعنی ظرفیت گرمایی ویژه آن) و به جرم بدن بستگی دارد. همچنین مشخص است که میزان گرما بستگی به این دارد که قرار است دمای بدن را چند درجه افزایش دهیم.

بنابراین، برای تعیین مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک جسم یا آزاد شده توسط آن در هنگام خنک شدن، باید ظرفیت گرمایی ویژه بدن را در جرم آن و در اختلاف بین دمای نهایی و اولیه آن ضرب کنید:

س= سانتی متر (t 2 -t 1),

جایی که س- مقدار گرما، ج- ظرفیت گرمایی ویژه، متر- جرم بدن، t 1- دمای اولیه t 2- دمای نهایی

وقتی بدن گرم می شود t 2> t 1و بنابراین س >0 . وقتی بدن سرد می شود t 2i< t 1و بنابراین س< 0 .

اگر ظرفیت گرمایی کل بدن مشخص باشد با, سبا فرمول تعیین می شود: Q = C (t 2 - t 1).

22) ذوب: تعریف، محاسبه مقدار حرارت ذوب یا انجماد، گرمای ویژه همجوشی، نمودار t 0 (Q).

ترمودینامیک

شاخه ای از فیزیک مولکولی که به مطالعه انتقال انرژی، الگوهای تبدیل یک نوع انرژی به نوع دیگر می پردازد. برخلاف نظریه جنبشی مولکولی، ترمودینامیک در نظر گرفته نمی شود ساختار داخلیمواد و ریزپارامترها

سیستم ترمودینامیکی

مجموعه ای از اجسام است که انرژی (به صورت کار یا گرما) را با یکدیگر یا با محیط مبادله می کنند. مثلاً آب کتری خنک می شود و حرارت بین آب و کتری و حرارت کتری با محیط تبادل می شود. سیلندر با گاز زیر پیستون: پیستون کار را انجام می دهد که در نتیجه گاز انرژی دریافت می کند و درشت پارامترهای آن تغییر می کند.

مقدار گرما

این انرژی، که سیستم در طی فرآیند تبادل حرارت دریافت یا آزاد می کند. با نماد Q نشان داده می شود، مانند هر انرژی دیگر، با ژول اندازه گیری می شود.

در نتیجه فرآیندهای مختلف تبادل حرارت، انرژی منتقل شده به روش خود تعیین می شود.

گرمایش و سرمایش

این فرآیند با تغییر دمای سیستم مشخص می شود. مقدار گرما با فرمول تعیین می شود

ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده بابا مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن اندازه گیری می شود واحد جرماز این ماده 1K. گرم کردن یک کیلوگرم لیوان یا یک کیلوگرم آب به مقادیر متفاوتی انرژی نیاز دارد. ظرفیت گرمایی ویژه یک کمیت شناخته شده است که قبلاً برای همه مواد محاسبه شده است؛ مقدار آن را در جداول فیزیکی ببینید.

ظرفیت حرارتی ماده C- این مقدار گرمایی است که برای گرم کردن یک جسم بدون در نظر گرفتن جرم آن 1K لازم است.

ذوب و تبلور

ذوب عبارت است از انتقال یک ماده از حالت جامد به حالت مایع. انتقال معکوس کریستالیزاسیون نامیده می شود.

انرژی که صرف تخریب می شود شبکه کریستالیمواد، تعیین شده توسط فرمول

گرمای ویژه همجوشی یک مقدار شناخته شده برای هر ماده است؛ مقدار آن را در جداول فیزیکی ببینید.

تبخیر (تبخیر یا جوش) و تراکم

تبخیر عبارت است از انتقال یک ماده از حالت مایع (جامد) به حالت گازی. فرآیند معکوس تراکم نامیده می شود.

گرمای ویژه تبخیر یک مقدار شناخته شده برای هر ماده است؛ مقدار آن را در جداول فیزیکی ببینید.

احتراق

مقدار گرمایی که هنگام سوختن یک ماده آزاد می شود

گرمای ویژه احتراق یک مقدار شناخته شده برای هر ماده است؛ مقدار آن را در جداول فیزیکی ببینید.

برای یک سیستم بسته و جدا شده از اجسام، معادله تعادل حرارتی برآورده می شود. مجموع جبری مقادیر گرمای داده شده و دریافت شده توسط تمام اجسام شرکت کننده در تبادل حرارت برابر با صفر است:

Q 1 + Q 2 +... + Q n = 0

23) ساختار مایعات. لایه سطحی. نیروی کشش سطحی: نمونه هایی از تجلی، محاسبه، ضریب کشش سطحی.

هر از گاهی، هر مولکولی ممکن است به یک مکان خالی نزدیک حرکت کند. چنین جهش هایی در مایعات اغلب اتفاق می افتد. بنابراین، مولکول ها مانند کریستال ها به مراکز خاصی متصل نیستند و می توانند در کل حجم مایع حرکت کنند. این سیال بودن مایعات را توضیح می دهد. به دلیل برهمکنش قوی بین مولکول های نزدیک، آنها می توانند گروه های مرتب شده محلی (ناپایدار) حاوی چندین مولکول را تشکیل دهند. این پدیده نامیده می شود سفارش بستن(شکل 3.5.1).

ضریب β نامیده می شود ضریب دمایی انبساط حجمی . این ضریب برای مایعات ده ها برابر بیشتر از جامدات است. برای آب، به عنوان مثال، در دمای 20 درجه سانتیگراد β در ≈ 2 10 - 4 K - 1، برای فولاد β st ≈ 3.6 10 - 5 K - 1، برای شیشه کوارتز β kv ≈ 9 10 - 6 K - 1 .

انبساط حرارتی آب یک ناهنجاری جالب و مهم برای حیات روی زمین دارد. در دمای کمتر از 4 درجه سانتی گراد، آب با کاهش دما منبسط می شود (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

هنگامی که آب یخ می زند، منبسط می شود، بنابراین یخ روی سطح آب یخ زده شناور می ماند. دمای آب یخ زده زیر یخ صفر درجه سانتی گراد است. در لایه‌های متراکم‌تر آب در کف مخزن، دما حدود 4 درجه سانتی‌گراد است. به لطف این، زندگی می تواند در آب مخازن انجماد وجود داشته باشد.

اکثر ویژگی جالبمایعات وجود دارد سطح آزاد . مایع بر خلاف گازها کل حجم ظرفی را که در آن ریخته می شود پر نمی کند. یک رابط بین مایع و گاز (یا بخار) تشکیل می شود که در آن قرار دارد شرایط خاصدر مقایسه با بقیه جرم مایع.. باید در نظر داشت که به دلیل تراکم پذیری بسیار کم، وجود لایه سطحی با متراکم تر تغییر محسوسی در حجم مایع ایجاد نمی کند. اگر یک مولکول از سطح به مایع حرکت کند، نیروهای برهمکنش بین مولکولی این کار را انجام می دهند کار مثبت. برعکس، برای کشیدن تعداد معینی مولکول از اعماق مایع به سطح (یعنی افزایش سطح مایع)، نیروهای خارجی باید کار مثبت Δ را انجام دهند. آخارجی، متناسب با تغییر Δ اسمساحت سطح:

از مکانیک مشخص شده است که حالت های تعادل یک سیستم با حداقل مقدار انرژی پتانسیل آن مطابقت دارد. نتیجه این است که سطح آزاد مایع تمایل به کاهش مساحت خود دارد. به همین دلیل یک قطره آزاد مایع شکل کروی به خود می گیرد. مایع به گونه ای رفتار می کند که گویی نیروهایی که به طور مماس بر سطح آن عمل می کنند، این سطح را منقبض می کنند (کشش). این نیروها نامیده می شوند نیروهای کشش سطحی .

وجود نیروهای کشش سطحی باعث می شود که سطح یک مایع شبیه به یک فیلم کشسان الاستیک به نظر برسد، با این تفاوت که نیروهای الاستیک در لایه به سطح آن (یعنی نحوه تغییر شکل فیلم) و کشش سطحی بستگی دارد. نیروها وابسته نیستدر سطح مایع.

برخی مایعات مانند آب صابون توانایی تشکیل لایه های نازک را دارند. حباب های صابون شناخته شده شکل کروی منظمی دارند - این نیز تأثیر نیروهای کشش سطحی را نشان می دهد. اگر در محلول صابونقاب سیم را که یکی از اضلاع آن متحرک است پایین بیاورید، سپس کل قاب با یک فیلم مایع پوشیده می شود (شکل 3.5.3).

نیروهای کشش سطحی تمایل به کاهش سطح فیلم دارند. برای متعادل کردن قسمت متحرک قاب باید نیروی خارجی به آن وارد شود اگر تحت تأثیر نیرو، میله متقاطع با Δ حرکت کند. ایکس، سپس کار Δ انجام می شود آ vn = اف vn Δ ایکس = Δ E p = σΔ اس، جایی که Δ اس = 2LΔ ایکس- افزایش سطح هر دو طرف فیلم صابون. از آنجایی که مدول نیروها یکسان است، می توانیم بنویسیم:

بنابراین، ضریب کشش سطحی σ را می توان به صورت تعریف کرد مدول نیروی کشش سطحی که بر واحد طول خطی که سطح را محدود می کند، عمل می کند.

در اثر اعمال نیروهای کشش سطحی در قطرات مایع و داخل حباب های صابونفشار اضافی Δ رخ می دهد پ. اگر از نظر ذهنی یک قطره کروی از شعاع را برش دهید آربه دو نیمه تبدیل شوند، سپس هر یک از آنها باید تحت تأثیر نیروهای کشش سطحی اعمال شده به مرز برش به طول 2π در تعادل باشند. آرو قدرت فشار بیش از حد، در ناحیه π عمل می کند آر 2 بخش (شکل 3.5.4). شرط تعادل به صورت نوشته می شود

اگر این نیروها بیشتر از نیروهای برهمکنش بین مولکول های خود مایع باشد، پس مایع خیس می کندسطح جامد. در این حالت، مایع در یک زاویه حاد مشخص θ، که مشخصه یک جفت مایع-جامد معین است، به سطح جامد نزدیک می شود. زاویه θ نامیده می شود زاویه تماس . اگر نیروهای برهمکنش بین مولکولهای مایع از نیروهای برهمکنش آنها با مولکولهای جامد بیشتر شود، آنگاه زاویه تماس θ مبهم است (شکل 3.5.5). در این مورد می گویند که مایع خیس نمی شودسطح یک جامد در خیس شدن کاملθ = 0، در بدون خیس شدن کاملθ = 180 درجه.

پدیده های مویرگیبالا آمدن یا سقوط مایع در لوله های با قطر کوچک نامیده می شود - مویرگ ها. مایعات خیس از طریق مویرگ ها بالا می روند، مایعات غیر مرطوب پایین می آیند.

در شکل 3.5.6 یک لوله مویرگی با شعاع مشخص را نشان می دهد r، در انتهای پایین به یک مایع مرطوب کننده با چگالی ρ پایین می آید. انتهای بالایی مویرگ باز است. بالا آمدن مایع در مویرگ تا زمانی ادامه می‌یابد که نیروی گرانش وارد بر ستون مایع در مویرگ از نظر بزرگی برابر با حاصل شود. اف n نیروهای کشش سطحی که در امتداد مرز تماس مایع با سطح مویرگ عمل می کنند: اف t = اف n، کجا اف t = میلی گرم = ρ ساعتπ r 2 g, اف n = σ2π r cos θ.

این دلالت می کنه که:

با θ = 180 درجه کاملا غیر مرطوب، cos θ = -1 و بنابراین، ساعت < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

آب تقریباً به طور کامل سطح شیشه تمیز را خیس می کند. برعکس، جیوه به طور کامل سطح شیشه را خیس نمی کند. بنابراین، سطح جیوه در مویرگ شیشه ای به زیر سطح ظرف می رسد.

24) تبخیر: تعریف، انواع (تبخیر، جوش)، محاسبه مقدار حرارت برای تبخیر و تراکم، گرمای مخصوص تبخیر.

تبخیر و تراکم. توضیح پدیده تبخیر بر اساس ایده هایی در مورد ساختار مولکولی ماده. گرمای ویژه تبخیر واحدهای آن

پدیده تبدیل مایع به بخار نامیده می شود تبخیر شدن

تبخیر - فرآیند تبخیر از یک سطح باز رخ می دهد.

مولکول های مایع حرکت می کنند در سرعت های مختلف. اگر هر مولکولی به سطح یک مایع ختم شود، می تواند بر جاذبه مولکول های همسایه غلبه کند و از مایع به بیرون پرواز کند. مولکول های خارج شده بخار تشکیل می دهند. مولکول های باقی مانده از مایع در اثر برخورد سرعت تغییر می کنند. در همان زمان، برخی از مولکول ها سرعت کافی برای پرواز از مایع را به دست می آورند. این فرآیند ادامه می یابد تا مایعات به آرامی تبخیر شوند.

*سرعت تبخیر بستگی به نوع مایع دارد. مایعاتی که مولکول های آنها با نیروی کمتری جذب می شوند سریعتر تبخیر می شوند.

*تبخیر می تواند در هر دمایی رخ دهد. اما در دماهای بالا تبخیر سریعتر اتفاق می افتد .

*سرعت تبخیر بستگی به سطح آن دارد.

*با باد (جریان هوا) تبخیر سریعتر اتفاق می افتد.

در طول تبخیر، انرژی داخلی کاهش می یابد، زیرا در طول تبخیر، مایع مولکول های سریعی را ترک می کند، بنابراین، سرعت متوسط ​​مولکول های باقی مانده کاهش می یابد. این بدان معنی است که اگر هجوم انرژی از خارج وجود نداشته باشد، دمای مایع کاهش می یابد.

پدیده تبدیل بخار به مایع نامیده می شود متراکم شدن با آزاد شدن انرژی همراه است.

تراکم بخار تشکیل ابرها را توضیح می دهد. بخار آب که از سطح زمین بلند می شود، ابرهایی را در لایه های سرد بالایی هوا تشکیل می دهد که از قطرات ریز آب تشکیل شده است.

گرمای ویژه تبخیر - فیزیکی مقداری که نشان می دهد برای تبدیل مایعی با وزن 1 کیلوگرم به بخار بدون تغییر دما چه مقدار گرما لازم است.

Ud. گرمای تبخیر با حرف L نشان داده می شود و با J/kg اندازه گیری می شود

Ud. گرمای تبخیر آب: L=2.3×106 J/kg، الکل L=0.9×106

مقدار حرارت مورد نیاز برای تبدیل مایع به بخار: Q = Lm

فرآیند انتقال انرژی از جسمی به جسم دیگر بدون انجام کار نامیده می شود تبادل حرارتیا انتقال حرارت. تبادل گرما بین اجسامی با دماهای متفاوت اتفاق می افتد. هنگامی که تماس بین اجسام با دماهای مختلف برقرار می شود، بخشی از انرژی درونی با دمای بالاتر از بدن منتقل می شود درجه حرارت بالابه جسمی که دمای آن کمتر است. انرژی منتقل شده به جسم در نتیجه تبادل حرارت نامیده می شود مقدار گرما.

ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده:

اگر فرآیند انتقال حرارت همراه با کار نباشد، بر اساس قانون اول ترمودینامیک، مقدار گرما برابر است با تغییر انرژی درونی بدن: .

میانگین انرژی حرکت انتقالی تصادفی مولکول ها با دمای مطلق متناسب است. تغییر انرژی درونی یک جسم برابر است با مجموع جبری تغییرات انرژی تمام اتم ها یا مولکول ها که تعداد آنها متناسب با جرم بدن است، بنابراین تغییر انرژی درونی و در نتیجه، مقدار گرما متناسب با جرم و تغییر دما است:

ضریب تناسب در این معادله نامیده می شود ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده. ظرفیت گرمایی ویژه نشان می دهد که برای گرم کردن 1 کیلوگرم ماده به میزان 1 K، چه مقدار گرما لازم است.

کار در ترمودینامیک:

در مکانیک کار به عنوان حاصل ضرب مدول نیرو و جابجایی و کسینوس زاویه بین آنها تعریف می شود. کار زمانی انجام می شود که نیرویی بر جسم متحرک وارد شود و برابر با تغییر انرژی جنبشی آن باشد.

در ترمودینامیک حرکت یک جسم به عنوان یک کل در نظر گرفته نمی شود، ما در مورد حرکت اجزای یک جسم ماکروسکوپی نسبت به یکدیگر صحبت می کنیم. در نتیجه حجم بدن تغییر می کند اما سرعت آن برابر با صفر باقی می ماند. کار در ترمودینامیک مانند مکانیک تعریف می شود، اما برابر است با تغییر نه در انرژی جنبشی بدن، بلکه در انرژی درونی آن.

هنگامی که کار انجام می شود (فشرده سازی یا انبساط)، انرژی داخلی گاز تغییر می کند. دلیل این امر این است: در هنگام برخورد الاستیک مولکول های گاز با پیستون متحرک، انرژی جنبشی آنها تغییر می کند.

اجازه دهید کار انجام شده توسط گاز در حین انبساط را محاسبه کنیم. گاز به پیستون نیرو وارد می کند
، جایی که - فشار گاز و - مساحت سطح پیستون وقتی گاز منبسط می شود، پیستون در جهت نیرو حرکت می کند فاصله کوتاه
. اگر فاصله کم باشد، فشار گاز را می توان ثابت در نظر گرفت. کار انجام شده توسط گاز عبارت است از:

جایی که
- تغییر حجم گاز

در فرآیند انبساط گاز، کار مثبتی انجام می دهد، زیرا جهت نیرو و جابجایی منطبق است. در طی فرآیند انبساط، گاز انرژی را به اجسام اطراف آزاد می کند.

کاری که اجسام خارجی روی گاز انجام می دهند با کاری که گاز انجام می دهد فقط در علامت تفاوت دارد
، از آنجا که قدرت ، که بر روی گاز تأثیر می گذارد، مخالف نیرو است ، که با آن گاز روی پیستون عمل می کند و از نظر مدول با آن برابر است (قانون سوم نیوتن). و حرکت به همان شکل باقی می ماند. بنابراین، کار نیروهای خارجی برابر است با:

.

قانون اول ترمودینامیک:

قانون اول ترمودینامیک، قانون بقای انرژی است که به پدیده های حرارتی تعمیم داده شده است. قانون بقای انرژی: انرژی در طبیعت از هیچ به وجود نمی آید و ناپدید نمی شود: مقدار انرژی تغییر نمی کند، فقط از شکلی به شکل دیگر منتقل می شود.

ترمودینامیک اجسامی را در نظر می گیرد که مرکز ثقل آنها تقریباً بدون تغییر باقی می ماند. انرژی مکانیکی چنین اجسامی ثابت می ماند و فقط انرژی درونی می تواند تغییر کند.

انرژی داخلی می تواند به دو صورت تغییر کند: انتقال حرارت و کار. در حالت کلی انرژی داخلی هم در اثر انتقال حرارت و هم در اثر کار انجام شده تغییر می کند. قانون اول ترمودینامیک دقیقاً برای موارد کلی فرموله شده است:

تغییر انرژی درونی یک سیستم در هنگام انتقال از یک حالت به حالت دیگر برابر است با مجموع کار نیروهای خارجی و مقدار گرمای منتقل شده به سیستم:

اگر سیستم ایزوله باشد، هیچ کاری روی آن انجام نمی شود و حرارت را با اجسام اطراف مبادله نمی کند. طبق قانون اول ترمودینامیک انرژی داخلی یک سیستم ایزوله بدون تغییر باقی می ماند.

با توجه به اینکه
قانون اول ترمودینامیک را می توان به صورت زیر نوشت:

مقدار گرمای منتقل شده به سیستم برای تغییر انرژی داخلی آن و انجام کار روی اجسام خارجی توسط سیستم می رود.

قانون دوم ترمودینامیک: در غیاب تغییرات همزمان دیگر در هر دو سیستم یا اجسام اطراف، انتقال گرما از یک سیستم سردتر به سیستم گرمتر غیرممکن است.