Ako už vieme, vnútorná energia telesa sa môže meniť tak pri práci, ako aj pri prenose tepla (bez práce). Hlavný rozdiel medzi prácou a množstvom tepla je v tom, že práca určuje proces premeny vnútornej energie systému, ktorý je sprevádzaný premenou energie z jedného druhu na druhý.
V prípade, že zmena vnútornej energie postupuje pomocou prenos tepla, prenos energie z jedného tela do druhého sa uskutočňuje v dôsledku tepelná vodivosť, žiarenia, príp konvekcia.
Energia, ktorú telo stráca alebo získava pri prenose tepla, sa nazýva množstvo tepla.
Pri výpočte množstva tepla musíte vedieť, aké množstvá ho ovplyvňujú.
Z dvoch rovnakých horákov budeme ohrievať dve nádoby. V jednej nádobe 1 kg vody, v druhej - 2 kg. Teplota vody v oboch nádobách je spočiatku rovnaká. Vidíme, že za rovnaký čas sa voda v jednej z nádob zohreje rýchlejšie, hoci obe nádoby dostávajú rovnaké množstvo tepla.
Dospeli sme teda k záveru: čím väčšia je hmotnosť dané telo, tým viac tepla sa musí vynaložiť, aby sa jeho teplota znížila alebo zvýšila o rovnaký počet stupňov.
Keď sa teleso ochladzuje, odovzdáva okolitým objektom, čím väčšie je množstvo tepla, tým väčšia je jeho hmotnosť.
Všetci vieme, že ak potrebujeme zohriať plnú kanvicu vody na teplotu 50°C, strávime týmto úkonom menej času, ako ohrievaním kanvice s rovnakým objemom vody, ale len do 100°C. V prípade číslo jedna sa do vody dostane menej tepla ako v druhom.
Množstvo tepla potrebného na vykurovanie je teda priamo závislé od koľko stupňov telo sa môže zahriať. Môžeme skonštatovať: množstvo tepla priamo závisí od teplotného rozdielu tela.
Je však možné určiť množstvo tepla potrebného na ohrev vody, ale na inú látku, napríklad olej, olovo alebo železo.
Naplňte jednu nádobu vodou a druhú rastlinným olejom. Hmotnosti vody a oleja sú rovnaké. Obe nádoby budú rovnomerne ohrievané na rovnakých horákoch. Začnime experiment pri rovnakej počiatočnej teplote rastlinného oleja a vody. O päť minút neskôr, meraním teplôt zohriateho oleja a vody, zistíme, že teplota oleja je oveľa vyššia ako teplota vody, hoci obe kvapaliny dostali rovnaké množstvo tepla.
Jednoznačný záver je: pri zahriatí rovnaké hmotnosti olej a voda pri rovnakej teplote iná suma teplo.
A hneď vyvodíme ďalší záver: množstvo tepla, ktoré je potrebné na zahriatie tela, priamo závisí od látky, z ktorej pozostáva samotné telo (druh látky).
Množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa (alebo uvoľneného pri ochladzovaní) teda priamo závisí od hmotnosti daného telesa, premenlivosti jeho teploty a druhu látky.
Množstvo tepla je označené symbolom Q. Ako iné rôzne druhy energie sa množstvo tepla meria v jouloch (J) alebo v kilojouloch (kJ).
1 kJ = 1 000 J
História však ukazuje, že vedci začali merať množstvo tepla dávno predtým, ako sa vo fyzike objavil taký pojem ako energia. V tom čase bola vyvinutá špeciálna jednotka na meranie množstva tepla - kalórie (cal) alebo kilokalórie (kcal). Slovo má latinské korene, calorus - teplo.
1 kcal = 1000 kcal
Kalórie je množstvo tepla potrebné na zvýšenie teploty 1 g vody o 1 °C
1 kal = 4,19 J ≈ 4,2 J
1 kcal = 4190 J ≈ 4200 J ≈ 4,2 kJ
Máte nejaké otázky? Neviete ako si spraviť domácu úlohu?
Ak chcete získať pomoc tútora - zaregistrujte sa.
Prvá lekcia je zadarmo!
stránky, s úplným alebo čiastočným kopírovaním materiálu, je potrebný odkaz na zdroj.
V tejto lekcii sa naučíme, ako vypočítať množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa alebo jeho uvoľnenie, keď sa ochladí. K tomu zhrnieme poznatky, ktoré sme získali v predchádzajúcich lekciách.
Okrem toho sa naučíme, ako použiť vzorec pre množstvo tepla na vyjadrenie zostávajúcich veličín z tohto vzorca a vypočítať ich so znalosťou iných veličín. Zváži sa aj príklad problému s riešením výpočtu množstva tepla.
Táto lekcia je venovaná výpočtu množstva tepla, keď sa telo zahrieva alebo uvoľňuje pri ochladzovaní.
Schopnosť vypočítať požadované množstvo teplo je veľmi dôležité. To môže byť potrebné napríklad pri výpočte množstva tepla, ktoré sa musí odovzdať vode na vykurovanie miestnosti.
Ryža. 1. Množstvo tepla, ktoré sa musí nahlásiť vode na vykúrenie miestnosti
Alebo na výpočet množstva tepla, ktoré sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva v rôznych motoroch:
Ryža. 2. Množstvo tepla, ktoré sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva v motore
Tieto znalosti sú potrebné napríklad aj na určenie množstva tepla, ktoré uvoľňuje Slnko a dopadá na Zem:
Ryža. 3. Množstvo tepla uvoľneného Slnkom a dopadajúceho na Zem
Na výpočet množstva tepla potrebujete vedieť tri veci (obr. 4):
- telesná hmotnosť (ktorá sa zvyčajne dá merať váhou);
- teplotný rozdiel, o ktorý je potrebné telo zohriať alebo ochladiť (zvyčajne merané teplomerom);
- merná tepelná kapacita telesa (ktorá sa dá zistiť z tabuľky).
Ryža. 4. Čo potrebujete vedieť určiť
Vzorec na výpočet množstva tepla je nasledujúci:
Tento vzorec obsahuje nasledujúce množstvá:
množstvo tepla merané v jouloch (J);
Špecifická tepelná kapacita látky meraná v;
- teplotný rozdiel, meraný v stupňoch Celzia ().
Zvážte problém výpočtu množstva tepla.
Úloha
Medené sklo s hmotnosťou gramov obsahuje vodu s objemom jeden liter pri teplote . Koľko tepla treba odovzdať poháru vody, aby sa jeho teplota vyrovnala ?
Ryža. 5. Ilustrácia stavu problému
Najprv si píšeme krátky stav (Dané) a previesť všetky veličiny do medzinárodného systému (SI).
|
Vzhľadom na to: |
SI |
|
|
Nájsť: |
Riešenie:
Najprv určte, aké ďalšie množstvá potrebujeme na vyriešenie tohto problému. Podľa tabuľky mernej tepelnej kapacity (tabuľka 1) zistíme ( špecifické teplo meď, keďže podľa stavu je sklo medené), (merná tepelná kapacita vody, keďže podľa stavu je v skle voda). Okrem toho vieme, že na výpočet množstva tepla potrebujeme množstvo vody. Podmienkou je nám daný iba objem. Preto vezmeme hustotu vody z tabuľky: (Tabuľka 2).
Tab. 1. Merná tepelná kapacita niektorých látok,
Tab. 2. Hustoty niektorých kvapalín
Teraz máme všetko, čo potrebujeme na vyriešenie tohto problému.
Upozorňujeme, že celkové množstvo tepla bude pozostávať zo súčtu množstva tepla potrebného na ohrev medeného skla a množstva tepla potrebného na ohrev vody v ňom:
Najprv vypočítame množstvo tepla potrebného na ohrev medeného skla:
Pred výpočtom množstva tepla potrebného na ohrev vody vypočítame hmotnosť vody pomocou vzorca, ktorý je nám známy od triedy 7:
Teraz môžeme vypočítať:
Potom môžeme vypočítať:
Spomeňte si, čo to znamená: kilojouly. Predpona "kilo" znamená 
.
odpoveď:.
Na uľahčenie riešenia problémov zisťovania množstva tepla (takzvané priame problémy) a množstiev spojených s týmto konceptom môžete použiť nasledujúcu tabuľku.
|
Požadovaná hodnota |
Označenie |
Jednotky |
Základný vzorec |
Vzorec pre množstvo |
|
Množstvo tepla |
Keď hovoríme o spôsoboch vykurovania domu, možnostiach zníženia únikov tepla, musíme pochopiť, čo je teplo, v akých jednotkách sa meria, ako sa prenáša a ako sa stráca. Táto stránka poskytne základné informácie z kurzu fyziky potrebné na zváženie všetkých vyššie uvedených problémov.
Teplo je jedným zo spôsobov prenosu energie
Energia, ktorú telo získava alebo stráca v procese výmeny tepla životné prostredie, sa nazýva množstvo tepla alebo jednoducho teplo.
V prísnom zmysle slova je teplo jedným zo spôsobov prenosu energie a iba množstvo energie prenesenej do systému má fyzikálny význam, ale slovo "teplo" je zahrnuté v takých osvedčených vedeckých pojmoch, ako je tepelný tok, tepelná kapacita , teplo fázového prechodu, teplo chemickej reakcie, tepelná vodivosť atď. Preto tam, kde používanie tohto slova nie je zavádzajúce, pojmy „teplo“ a „množstvo tepla“ sú synonymá. Tieto výrazy však možno použiť len vtedy, ak sú uvedené presná definícia, a v žiadnom prípade nemožno "množstvo tepla" pripísať počtu počiatočných konceptov, ktoré nevyžadujú definíciu. Aby sa predišlo chybám, pojem „teplo“ treba chápať práve ako spôsob prenosu energie a množstvo prenesenej energie týmto spôsobom označujeme pojmom „množstvo tepla“. Odporúča sa vyhnúť sa výrazu ako „ termálna energia».
Teplo je kinetická časť vnútornej energie látky, určená intenzívnym chaotickým pohybom molekúl a atómov, ktoré tvoria túto látku. Teplota je mierou intenzity molekulárneho pohybu. Množstvo tepla, ktoré má teleso pri danej teplote, závisí od jeho hmotnosti; Napríklad pri rovnakej teplote sa vo veľkej šálke vody nachádza viac tepla ako v malej a vo vedre s studená voda môže to byť viac ako v šálke horúcej vody (hoci teplota vody vo vedre je nižšia).
Teplo je forma energie, a preto sa musí merať v jednotkách energie. IN medzinárodný systém Jednotkou energie SI je joule (J). Je tiež povolené používať mimosystémovú jednotku množstva tepla - kalórií: medzinárodná kalória je 4,1868 J.
Prenos tepla a prenos tepla
Prenos tepla je proces prenosu tepla v tele alebo z jedného telesa do druhého v dôsledku teplotných rozdielov. Intenzita prenosu tepla závisí od vlastností látky, teplotného rozdielu a riadi sa experimentálne stanovenými prírodnými zákonmi. Na vytvorenie efektívnych vykurovacích alebo chladiacich systémov, rôznych motorov, elektrární, tepelnoizolačných systémov potrebujete poznať princípy prenosu tepla. V niektorých prípadoch je prenos tepla nežiaduci (tepelná izolácia taviacich pecí, vesmírne lode atď.), kým v iných by mala byť čo najväčšia (parné kotly, výmenníky, kuchynské náčinie). Existujú tri hlavné typy prenosu tepla: vedenie, prúdenie a prenos tepla sálaním.
Tepelná vodivosť
Ak je vo vnútri telesa teplotný rozdiel, potom tepelná energia prechádza z jeho teplejšej časti do chladnejšej. Tento typ prenosu tepla v dôsledku tepelných pohybov a zrážok molekúl sa nazýva tepelná vodivosť. Tepelná vodivosť tyče sa odhaduje hodnotou tepelný tok, ktorý závisí od súčiniteľa tepelnej vodivosti, plochy prierezu, ktorým sa prenáša teplo a teplotného gradientu (pomer rozdielu teplôt na koncoch tyče k vzdialenosti medzi nimi). Jednotkou tepelného toku je watt.
TEPELNÁ VODIVOSŤ NIEKTORÝCH LÁTOK A MATERIÁLOV
Látky a materiály Tepelná vodivosť, W/(m^2*K)
Kovy
Hliník ____________________205
Bronz ______________________105
Volfrám ____________________159
Žehlička _____________________________________67
Meď _________________________389
Nikel _______________________58
Viesť _______________________35
Zinok _________________________113
Iné materiály
Azbest ________________________0,08
Betón _________________________0,59
Vzduch ________________________0,024
Eider down (voľne) ______0,008
Drevo (orech) _________________0,209
Piliny ________________________0,059
Guma (hubovitá) _____________0,038
Sklo ________________________0,75
Konvekcia
Konvekcia je prenos tepla v dôsledku pohybu hmôt vzduchu alebo kvapaliny. Pri pôsobení tepla na kvapalinu alebo plyn sa intenzita pohybu molekúl zvyšuje a v dôsledku toho sa zvyšuje tlak. Ak kvapalina alebo plyn nie sú obmedzené v objeme, potom expandujú; lokálna hustota kvapaliny (plynu) sa zmenšuje a v dôsledku vztlakových (archimedovských) síl sa ohriata časť média pohybuje nahor (preto teplý vzduch v miestnosti stúpa od batérií k stropu). V jednoduchých prípadoch prúdenia tekutiny potrubím alebo prúdenia okolo rovného povrchu možno koeficient konvekčného prestupu tepla vypočítať teoreticky. Doposiaľ sa však nepodarilo nájsť analytické riešenie problému konvekcie pre turbulentné prúdenie média.
tepelné žiarenie
Tretí typ prenosu tepla - prenos tepla sálaním - sa líši od vedenia tepla a konvekcie tým, že teplo sa v tomto prípade môže prenášať cez vákuum. Jeho podobnosť s inými spôsobmi prenosu tepla spočíva v tom, že je to spôsobené aj teplotným rozdielom. Tepelné žiarenie je jedným z typov elektromagnetického žiarenia.
Slnko je silným žiaričom tepelnej energie; ohrieva Zem aj na vzdialenosť 150 miliónov km. Intenzita slnečného žiarenia je približne 1,37 W/m2.
Rýchlosť prenosu tepla vedením a konvekciou je úmerná teplote a sálavý tepelný tok je úmerný štvrtej mocnine teploty.
Tepelná kapacita
Rôzne látky majú rôznu schopnosť akumulovať teplo; závisí to od ich molekulárnej štruktúry a hustoty. Množstvo tepla potrebné na zvýšenie teploty jednotkovej hmotnosti látky o jeden stupeň (1 ° C alebo 1 K) sa nazýva jej špecifická tepelná kapacita. Tepelná kapacita sa meria v J/(kg K).
Zvyčajne rozlišujte tepelnú kapacitu pri konštantnom objeme ( ŽIVOTOPIS) a tepelná kapacita pri konštantný tlak (C P), ak sa počas procesu zahrievania udržiava objem telesa alebo tlak konštantný, resp. Napríklad na zahriatie jedného gramu vzduchu v balóne o 1 K je potrebné viac tepla ako na jeho zohriatie rovnakým spôsobom v uzavretej nádobe s pevnými stenami, pretože časť energie odovzdanej balónu sa vynaloží na expanziu balónika. vzduchu, a nie jeho ohrevu. Keď sa zahrieva pri konštantnom tlaku, časť tepla ide na výrobu práce expanzie tela a časť - na zvýšenie jeho vnútornej energie, zatiaľ čo pri zahrievaní na konštantný objem sa všetko teplo vynakladá na zvýšenie vnútornej energie; kvôli tomuto C R vždy viac ako ŽIVOTOPIS. Pre kvapaliny a tuhé látky je rozdiel medzi C R A ŽIVOTOPIS relatívne malé.
tepelné stroje
Tepelné motory sú zariadenia, ktoré premieňajú teplo na užitočná práca. Príkladmi takýchto strojov sú kompresory, turbíny, parné, benzínové a prúdové motory. Jedným z najznámejších tepelných motorov je parná turbína používaná v moderných tepelných elektrárňach. Zjednodušená schéma takejto elektrárne je na obrázku 1.
Ryža. 1. Zjednodušená schéma elektrárne s parnou turbínou pracujúcou na fosílne palivá.
Pracovná tekutina – voda – sa premieňa na prehriatu paru v parnom kotli vykurovanom spaľovaním fosílnych palív (uhlie, ropa alebo zemný plyn). Para vysoký tlak otáča hriadeľ parnej turbíny, ktorá poháňa generátor vyrábajúci elektrinu. Odpadová para sa pri ochladzovaní tečúcou vodou kondenzuje, ktorá absorbuje časť tepla. Ďalej sa voda privádza do chladiacej veže (chladiacej veže), odkiaľ sa časť tepla uvoľňuje do atmosféry. Kondenzát sa prečerpá späť do parného kotla a celý cyklus sa opakuje.
Ďalším príkladom tepelného motora je chladnička pre domácnosť, ktorej schéma je znázornená na obr. 2.
V chladničkách a domácich klimatizáciách sa energia dodáva zvonku, aby ju zabezpečila. Kompresor zvyšuje teplotu a tlak pracovnej látky chladničky - freónu, amoniaku alebo oxidu uhličitého. Prehriaty plyn sa privádza do kondenzátora, kde sa ochladzuje a kondenzuje a odovzdáva teplo do okolia. Kvapalina opúšťajúca dýzy kondenzátora prechádza cez škrtiaci ventil do výparníka a časť sa odparí, čo je sprevádzané prudkým poklesom teploty. Výparník odoberá teplo z komory chladničky, ktorá ohrieva pracovnú tekutinu v dýzach; táto kvapalina je dodávaná kompresorom do kondenzátora a cyklus sa znova opakuje.
Tepelná kapacita je množstvo tepla, ktoré telo absorbuje pri zahriatí o 1 stupeň.
Tepelná kapacita telesa je označená veľkými písmenami latinské písmeno S.
Čo určuje tepelnú kapacitu telesa? V prvom rade z jeho hmoty. Je jasné, že ohriatie napríklad 1 kilogramu vody bude vyžadovať viac tepla ako ohriatie 200 gramov.
A čo druh látky? Urobme experiment. Vezmime si dve identické nádoby a do jednej z nich nalejeme 400 g vody a do druhej - zeleninový olej s hmotnosťou 400 g ich začneme ohrievať pomocou rovnakých horákov. Pozorovaním údajov teplomerov uvidíme, že sa olej rýchlo zohreje. Aby sa voda a olej zohriali na rovnakú teplotu, musí sa voda ohrievať dlhšie. Ale čím dlhšie vodu ohrievame, tým viac tepla dostáva od horáka.
Teda na zahriatie rovnakej hmoty rôzne látky Na rovnakú teplotu sú potrebné rôzne množstvá tepla. Množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa a následne aj jeho tepelná kapacita závisí od druhu látky, z ktorej sa teleso skladá.
Napríklad na zvýšenie teploty vody s hmotnosťou 1 kg o 1 ° C je potrebné množstvo tepla rovnajúce sa 4200 J a na zahriatie rovnakej hmoty o 1 ° C slnečnicový olej je potrebné množstvo tepla rovnajúce sa 1700 J.
Fyzikálne množstvo, ktorá ukazuje, koľko tepla je potrebné na zahriatie 1 kg látky o 1 ºС, sa nazýva špecifické teplo túto látku.
Každá látka má svoju špecifickú tepelnú kapacitu, ktorá sa označuje latinským písmenom c a meria sa v jouloch na kilogram-stupeň (J / (kg ° C)).
Merná tepelná kapacita tej istej látky v rôznych agregovaných skupenstvách (tuhé, kvapalné a plynné) je rôzna. Napríklad merná tepelná kapacita vody je 4200 J/(kg ºС) a merná tepelná kapacita ľadu je 2100 J/(kg ºС); hliník v pevnom stave má špecifickú tepelnú kapacitu 920 J / (kg - ° C) a v kvapalnom stave - 1080 J / (kg - ° C).
Všimnite si, že voda má veľmi vysokú špecifickú tepelnú kapacitu. Preto sa voda v moriach a oceánoch, ktorá sa v lete zahrieva, absorbuje zo vzduchu veľké množstvo teplo. Z tohto dôvodu na miestach, ktoré sa nachádzajú v blízkosti veľkých vodných plôch, leto nie je také horúce ako na miestach ďaleko od vody.
Výpočet množstva tepla potrebného na zahriatie telesa alebo ním uvoľneného pri ochladzovaní.
Z uvedeného je zrejmé, že množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa závisí od druhu látky, z ktorej sa teleso skladá (t. j. jeho mernej tepelnej kapacity) a od hmotnosti telesa. Je tiež jasné, že množstvo tepla závisí od toho, o koľko stupňov sa chystáme zvýšiť telesnú teplotu.
Takže na určenie množstva tepla potrebného na zahriatie telesa alebo ním uvoľneného počas chladenia je potrebné vynásobiť špecifické teplo telesa jeho hmotnosťou a rozdielom medzi jeho konečnou a počiatočnou teplotou:
Q= cm (t 2 - t 1),
Kde Q- množstvo tepla, c- Špecifická tepelná kapacita, m- telesná hmotnosť, t1- počiatočná teplota, t2- konečná teplota.
Keď je telo zahriate t2> t1 a preto Q >0 . Keď je telo vychladnuté t 2and< t1 a preto Q< 0 .
Ak je známa tepelná kapacita celého tela S, Q sa určuje podľa vzorca: Q \u003d C (t 2 - t1).
22) Tavenie: definícia, výpočet množstva tepla na tavenie alebo tuhnutie, merné teplo tavenia, graf t 0 (Q).
Termodynamika
Odvetvie molekulárnej fyziky, ktoré študuje prenos energie, vzorce transformácie niektorých druhov energie na iné. Na rozdiel od molekulárno-kinetickej teórie termodynamika neberie do úvahy vnútorná štruktúra látky a mikroparametre.
Termodynamický systém
Ide o súbor telies, ktoré si vymieňajú energiu (vo forme práce alebo tepla) medzi sebou alebo s prostredím. Napríklad voda v kanvici sa ochladzuje, dochádza k výmene tepla vody s kanvicou a kanvice s okolím. Valec s plynom pod piestom: piest vykonáva prácu, v dôsledku čoho plyn dostáva energiu a menia sa jeho makro parametre.
Množstvo tepla
Toto energie, ktorý prijíma alebo dáva systém v procese výmeny tepla. Označené symbolom Q, merané ako každá energia v jouloch.
V dôsledku rôznych procesov prenosu tepla sa prenášaná energia určuje vlastným spôsobom.
Kúrenie a chladenie
Tento proces je charakterizovaný zmenou teploty systému. Množstvo tepla je určené vzorcom
Merná tepelná kapacita látky s merané množstvom tepla potrebného na zahriatie hmotnostných jednotiek tejto látky o 1K. Ohrev 1 kg skla alebo 1 kg vody vyžaduje iné množstvo energie. Merná tepelná kapacita je známa hodnota už vypočítaná pre všetky látky, pozri hodnotu vo fyzikálnych tabuľkách.
Tepelná kapacita látky C- toto je množstvo tepla, ktoré je potrebné na zahriatie tela bez zohľadnenia jeho hmotnosti o 1K.
Topenie a kryštalizácia
Topenie je prechod látky z pevného do kvapalného stavu. Reverzný prechod sa nazýva kryštalizácia.
Energia vynaložená na ničenie kryštálová mriežka látok, sa určuje podľa vzorca
Špecifické teplo topenia je známa hodnota pre každú látku, pozri hodnotu vo fyzikálnych tabuľkách.
Vyparovanie (vyparovanie alebo varenie) a kondenzácia
Vyparovanie je prechod látky z kvapalného (tuhého) do plynného skupenstva. Opačný proces sa nazýva kondenzácia.
Špecifické výparné teplo je známa hodnota pre každú látku, pozri hodnotu vo fyzikálnych tabuľkách.
Spaľovanie
Množstvo tepla uvoľneného pri horení látky
Špecifické spalné teplo je známa hodnota pre každú látku, pozri hodnotu vo fyzikálnych tabuľkách.
Pre uzavretú a adiabaticky izolovanú sústavu telies je rovnica tepelnej bilancie splnená. Algebraický súčet množstva tepla odovzdaného a prijatého všetkými telesami zúčastňujúcimi sa výmeny tepla sa rovná nule:
Q1+Q2+...+Qn=0
23) Štruktúra kvapalín. povrchová vrstva. Sila povrchového napätia: príklady prejavu, výpočet, koeficient povrchového napätia.
Z času na čas sa môže ktorákoľvek molekula presunúť na susedné voľné miesto. Takéto skoky v kvapalinách sa vyskytujú pomerne často; preto molekuly nie sú viazané na určité centrá ako v kryštáloch a môžu sa pohybovať v celom objeme kvapaliny. To vysvetľuje tekutosť kvapalín. Vďaka silnej interakcii medzi tesne umiestnenými molekulami môžu vytvárať lokálne (nestabilné) usporiadané skupiny obsahujúce niekoľko molekúl. Tento jav sa nazýva objednávka krátkeho dosahu(obr. 3.5.1).
Koeficient β sa nazýva teplotný koeficient objemovej rozťažnosti . Tento koeficient pre kvapaliny je desaťkrát vyšší ako pre tuhé látky. Napríklad pre vodu, pri teplote 20 °C, β v ≈ 2 10 - 4 K - 1, pre oceľ β st ≈ 3,6 10 - 5 K - 1, pre kremenné sklo β kv ≈ 9 10 - 6 K - 1.
Tepelná rozťažnosť vody má pre život na Zemi zaujímavú a dôležitú anomáliu. Pri teplotách pod 4 °C voda expanduje s klesajúcou teplotou (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Keď voda zamrzne, roztiahne sa, takže ľad zostane plávať na hladine zamŕzajúcej vodnej plochy. Teplota mraziacej vody pod ľadom je 0°C. V hustejších vrstvách vody pri dne nádrže je teplota okolo 4 °C. Vďaka tomu môže vo vode mrazivých nádrží existovať život.
Väčšina zaujímavá vlastnosť kvapalín je prítomnosť voľný povrch . Kvapalina, na rozdiel od plynov, nevyplní celý objem nádoby, do ktorej sa naleje. Vzniká rozhranie medzi kvapalinou a plynom (alebo parou), ktoré sa nachádza v špeciálne podmienky v porovnaní so zvyškom tekutej hmoty.Treba si uvedomiť, že v dôsledku extrémne nízkej stlačiteľnosti nevedie prítomnosť hustejšej povrchovej vrstvy k žiadnej výraznej zmene objemu kvapaliny. Ak sa molekula presunie z povrchu do kvapaliny, vytvoria sa sily medzimolekulovej interakcie pozitívna práca. Naopak, aby bolo možné vytiahnuť určitý počet molekúl z hĺbky kvapaliny na povrch (t.j. zväčšiť povrch kvapaliny), vonkajšie sily musia vykonať pozitívnu prácu Δ A vonkajšie, úmerné zmene Δ S plocha povrchu:
Z mechaniky je známe, že rovnovážne stavy systému zodpovedajú minimálnej hodnote jeho potenciálnej energie. Z toho vyplýva, že voľný povrch kvapaliny má tendenciu zmenšovať svoju plochu. Z tohto dôvodu voľná kvapka kvapaliny nadobúda sférický tvar. Kvapalina sa správa tak, ako keby sily pôsobili tangenciálne k jej povrchu, čím sa tento povrch zmenšuje (sťahuje). Tieto sily sú tzv sily povrchového napätia .
Prítomnosť síl povrchového napätia spôsobuje, že povrch kvapaliny vyzerá ako elastická napnutá fólia, len s tým rozdielom, že elastické sily vo fólii závisia od jej povrchovej plochy (t. j. od toho, ako sa fólia deformuje) a od síl povrchového napätia. nezávisia na povrchu kvapaliny.
Niektoré kvapaliny, ako napríklad mydlová voda, majú schopnosť vytvárať tenké filmy. Všetky známe mydlové bubliny majú správny guľovitý tvar – tým sa prejavuje aj pôsobenie síl povrchového napätia. Ak v mydlový roztok znížte drôtený rám, ktorého jedna strana je pohyblivá, potom bude celý pokrytý filmom kvapaliny (obr. 3.5.3).
Sily povrchového napätia majú tendenciu skracovať povrch fólie. Aby sa vyrovnala pohyblivá strana rámu, musí naň pôsobiť vonkajšia sila Ak sa pri pôsobení sily priečka posunie o Δ X, potom dielo Δ A ext = F ext Δ X = Δ Ep = σΔ S, kde ∆ S = 2LΔ X je prírastok plochy povrchu oboch strán mydlového filmu. Keďže moduly síl a sú rovnaké, môžeme písať:
|
Koeficient povrchového napätia σ teda možno definovať ako modul sily povrchového napätia pôsobiacej na jednotku dĺžky čiary ohraničujúcej povrch.
V dôsledku pôsobenia síl povrchového napätia v kvapkách kvapaliny a vo vnútri mydlové bubliny vzniká pretlak Δ p. Ak mentálne odrežeme sférický pokles polomeru R na dve polovice, potom každá z nich musí byť v rovnováhe pri pôsobení síl povrchového napätia aplikovaných na hranicu rezu s dĺžkou 2π R a silu pretlak pôsobiace na plochu π R 2 rezy (obr. 3.5.4). Podmienka rovnováhy sa zapíše ako
Ak sú tieto sily väčšie ako sily vzájomného pôsobenia medzi molekulami samotnej kvapaliny, potom kvapaliny mokrá povrch pevné telo. V tomto prípade sa kvapalina približuje k povrchu tuhého telesa pod nejakým ostrým uhlom θ, ktorý je charakteristický pre daný pár kvapalina-tuhá látka. Uhol θ sa nazýva kontaktný uhol . Ak interakčné sily medzi molekulami kvapaliny prevyšujú sily ich interakcie s molekulami pevnej látky, potom sa kontaktný uhol θ ukáže ako tupý (obr. 3.5.5). V tomto prípade sa hovorí, že kvapalina nezmáča sa povrchu pevného telesa. O úplné zmáčanie 0 = 0, at úplné nezmáčanie 6 = 180°.
kapilárne javy nazývaný vzostup alebo pokles tekutiny v rúrkach s malým priemerom - kapiláry. Zmáčavé kvapaliny stúpajú cez kapiláry, nezmáčavé kvapaliny klesajú.
Na obr. 3.5.6 je znázornená kapilára s určitým polomerom r spustená spodným koncom do zmáčacej kvapaliny s hustotou ρ. Horný koniec kapiláry je otvorený. Stúpanie kvapaliny v kapiláre pokračuje, kým sa gravitačná sila pôsobiaca na stĺpec kvapaliny v kapiláre nerovná v absolútnej hodnote výslednej F n sily povrchového napätia pôsobiace pozdĺž hranice kontaktu kvapaliny s povrchom kapiláry: F t = F n, kde F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.
To znamená:
Pri úplnom nezmáčaní je θ = 180°, cos θ = –1, a preto h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Voda takmer úplne zmáča čistý sklenený povrch. Naopak, ortuť nezmáča povrch skla úplne. Preto hladina ortuti v sklenenej kapiláre klesne pod hladinu v nádobe.
24) Vyparovanie: definícia, druhy (vyparovanie, var), výpočet množstva tepla na vyparovanie a kondenzáciu, merné teplo vyparovania.
Odparovanie a kondenzácia. Vysvetlenie fenoménu vyparovania na základe predstáv o molekulárnej štruktúre hmoty. Špecifické teplo vyparovania. Jej jednotky.
Fenomén premeny kvapaliny na paru sa nazýva odparovanie.
Odparovanie - proces vyparovania prebiehajúci z otvoreného povrchu.
Molekuly v kvapaline sa pohybujú s rôzne rýchlosti. Ak je akákoľvek molekula na povrchu kvapaliny, môže prekonať príťažlivosť susedných molekúl a vyletieť z kvapaliny. Unikajúce molekuly tvoria paru. Rýchlosti zostávajúcich molekúl kvapaliny sa pri zrážke menia. V tomto prípade niektoré molekuly nadobudnú rýchlosť dostatočnú na to, aby vyleteli z kvapaliny. Tento proces pokračuje, takže kvapaliny sa pomaly vyparujú.
* Rýchlosť odparovania závisí od typu kvapaliny. Tie kvapaliny sa vyparujú rýchlejšie, v ktorých sú molekuly priťahované menšou silou.
*Odparovanie môže nastať pri akejkoľvek teplote. Ale pri vyšších teplotách je odparovanie rýchlejšie .
*Rýchlosť odparovania závisí od plochy povrchu.
*Pri vetre (prúdení vzduchu) dochádza k rýchlejšiemu odparovaniu.
Pri vyparovaní sa vnútorná energia znižuje, pretože. počas odparovania rýchle molekuly opúšťajú kvapalinu, preto priemerná rýchlosť zostávajúcich molekúl klesá. To znamená, že ak nedochádza k prílevu energie zvonku, teplota kvapaliny klesá.
Fenomén premeny pár na kvapalinu sa nazýva kondenzácia.
Je sprevádzané uvoľňovaním energie.
Kondenzácia pár vysvetľuje vznik oblakov. Vodná para stúpajúca nad zemou vytvára v horných studených vrstvách vzduchu oblaky, ktoré pozostávajú z drobných kvapiek vody.
Špecifické teplo vyparovania - fyzický. veličina udávajúca, koľko tepla je potrebné na premenu kvapaliny s hmotnosťou 1 kg na paru bez zmeny teploty.
Oud. výparné teplo označuje sa písmenom L a meria sa v J / kg
Oud. výparné teplo vody: L=2,3×106 J/kg, alkohol L=0,9×106
Množstvo tepla potrebné na premenu kvapaliny na paru: Q = Lm
Proces prenosu energie z jedného tela do druhého bez vykonania práce sa nazýva výmena tepla alebo prenos tepla. K prenosu tepla dochádza medzi telesami, ktoré majú rôznu teplotu. Pri nadviazaní kontaktu medzi telesami s rôznymi teplotami sa časť vnútornej energie prenáša z tela s viacerými vysoká teplota k telu s nižšou teplotou. Energia odovzdaná do tela v dôsledku prenosu tepla sa nazýva množstvo tepla.
Špecifická tepelná kapacita látky:
Ak proces prenosu tepla nie je sprevádzaný prácou, potom na základe prvého termodynamického zákona sa množstvo tepla rovná zmene vnútornej energie telesa: .
Priemerná energia náhodného translačného pohybu molekúl je úmerná absolútnej teplote. Zmena vnútornej energie telesa sa rovná algebraickému súčtu zmien energie všetkých atómov alebo molekúl, ktorých počet je úmerný hmotnosti telesa, takže zmena vnútornej energie a následne množstvo tepla je úmerné zmene hmotnosti a teploty:
Faktor úmernosti v tejto rovnici sa nazýva merná tepelná kapacita látky. Merná tepelná kapacita udáva, koľko tepla je potrebné na zvýšenie teploty 1 kg látky o 1 K.
Práca v termodynamike:
V mechanike je práca definovaná ako súčin modulov sily a posunutia a kosínus uhla medzi nimi. Práca sa vykoná, keď sila pôsobí na pohybujúce sa teleso a rovná sa zmene jeho kinetickej energie.
V termodynamike sa neuvažuje o pohybe telesa ako celku, hovoríme o pohybe častí makroskopického telesa voči sebe navzájom. V dôsledku toho sa objem tela mení a jeho rýchlosť zostáva rovná nule. Práca v termodynamike je definovaná rovnako ako v mechanike, ale rovná sa zmene nie kinetickej energie telesa, ale jeho vnútornej energie.
Pri vykonávaní práce (stlačenie alebo expanzia) sa vnútorná energia plynu mení. Dôvod je nasledovný: pri pružných zrážkach molekúl plynu s pohybujúcim sa piestom sa mení ich kinetická energia.
Vypočítajme prácu plynu počas expanzie. Plyn pôsobí na piest silou 
, Kde 
je tlak plynu a 
- plocha povrchu 
piest. Pri expanzii plynu sa piest pohybuje v smere sily 
na krátku vzdialenosť 
. Ak je vzdialenosť malá, tlak plynu možno považovať za konštantný. Práca plynu je:
Kde 
- zmena objemu plynu.
V procese expanzie plynu vykonáva pozitívnu prácu, pretože smer sily a posunu sa zhodujú. V procese expanzie plyn odovzdáva energiu okolitým telesám.
Práca vykonaná vonkajšími telesami na plyne sa líši od práce plynu iba v znamienkach 
, pretože sila 
pôsobiace na plyn je opačné ako sila 
, s ktorým plyn pôsobí na piest a rovná sa mu v absolútnej hodnote (tretí Newtonov zákon); a pohyb zostáva rovnaký. Preto sa práca vonkajších síl rovná:
.
Prvý zákon termodynamiky:
Prvý zákon termodynamiky je zákon zachovania energie, rozšírený na tepelné javy. Zákon zachovania energie: energia v prírode nevzniká z ničoho a nezaniká: množstvo energie sa nemení, len sa mení z jednej formy na druhú.
V termodynamike sa uvažuje o telesách, ktorých poloha ťažiska sa prakticky nemení. Mechanická energia takýchto telies zostáva konštantná a môže sa meniť iba vnútorná energia.
Vnútornú energiu možno meniť dvoma spôsobmi: prenosom tepla a prácou. Vo všeobecnosti sa vnútorná energia mení tak v dôsledku prenosu tepla, ako aj v dôsledku výkonu práce. Prvý zákon termodynamiky je formulovaný presne pre takéto všeobecné prípady:
Zmena vnútornej energie systému počas jeho prechodu z jedného stavu do druhého sa rovná súčtu práce vonkajších síl a množstva tepla preneseného do systému:
Ak je systém izolovaný, tak sa na ňom nepracuje a nevymieňa si teplo s okolitými telesami. Podľa prvého zákona termodynamiky vnútorná energia izolovaného systému zostáva nezmenená.
Vzhľadom na to 
Prvý termodynamický zákon možno napísať takto:
Množstvo tepla preneseného do systému ide na zmenu jeho vnútornej energie a na vykonanie práce na vonkajších telesách systémom.
Druhý zákon termodynamiky: je nemožné preniesť teplo z chladnejšej sústavy do teplejšej pri absencii iných súčasných zmien v oboch sústavách alebo v okolitých telesách.