Schimbare energie interna prin efectuarea muncii se caracterizează prin cantitatea de muncă, i.e. munca este o măsură a schimbării energiei interne într-un proces dat. Modificarea energiei interne a unui corp în timpul transferului de căldură este caracterizată de o cantitate numită cantitate de căldură.
este o modificare a energiei interne a unui corp în timpul procesului de transfer de căldură fără a efectua muncă. Cantitatea de căldură este indicată prin literă Q .
Munca, energia internă și căldura sunt măsurate în aceleași unități - jouli ( J), ca orice tip de energie.
În măsurătorile termice, o unitate specială de energie a fost folosită anterior ca unitate de cantitate de căldură - caloria ( fecale), egal cu cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi 1 gram de apă cu 1 grad Celsius (mai precis, de la 19,5 la 20,5 ° C). Această unitate, în special, este utilizată în prezent la calcularea consumului de căldură (energie termică) în clădire de apartamente. Echivalentul mecanic al căldurii a fost stabilit experimental - relația dintre calorie și joule: 1 cal = 4,2 J.
Când un corp transferă o anumită cantitate de căldură fără să lucreze, energia sa internă crește dacă corpul degajă o anumită cantitate de căldură, atunci energia sa internă scade.
Dacă turnați 100 g de apă în două vase identice, unul și 400 g în celălalt la aceeași temperatură și le puneți pe arzătoare identice, atunci apa din primul vas va fierbe mai devreme. Astfel, cu cât greutatea corporală este mai mare, cu atât cantitate mare are nevoie de căldură pentru a se încălzi. La fel este și cu răcirea.
Cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp depinde și de tipul de substanță din care este făcut corpul. Această dependență a cantității de căldură necesară pentru încălzirea unui corp de tipul de substanță este caracterizată de o mărime fizică numită capacitate termică specifică substante.
este o mărime fizică egală cu cantitatea de căldură care trebuie transmisă unui kg de substanță pentru a o încălzi cu 1 °C (sau 1 K). 1 kg de substanță eliberează aceeași cantitate de căldură atunci când este răcită cu 1 °C.
Capacitatea termică specifică este desemnată prin literă Cu. Unitatea de măsură a capacității termice specifice este 1 J/kg °C sau 1 J/kg °K.
Capacitatea termică specifică a substanțelor se determină experimental. Lichidele au o capacitate termică specifică mai mare decât metalele; Apa are cea mai mare căldură specifică, aurul are o căldură specifică foarte mică.
Deoarece cantitatea de căldură este egală cu modificarea energiei interne a corpului, putem spune că capacitatea termică specifică arată cât de mult se modifică energia internă. 1 kg substanță atunci când temperatura ei se modifică cu 1 °C. În special, energia internă a 1 kg de plumb crește cu 140 J când este încălzit cu 1 °C și scade cu 140 J când este răcit.
Q necesar pentru încălzirea unui corp de masă m asupra temperaturii t 1 °С până la temperatură t 2 °С, este egal cu produsul capacității termice specifice a substanței, masa corporală și diferența dintre temperaturile finale și inițiale, i.e.Q = c ∙ m (t 2 - t 1)
Aceeași formulă este folosită pentru a calcula cantitatea de căldură pe care o degajă un corp la răcire. Numai în acest caz temperatura finală trebuie scăzută din temperatura inițială, adică. din valoare mai mare scade temperatura mai mica.
Acesta este un rezumat al subiectului „Cantitatea de căldură. Căldura specifică". Selectați pașii următori:
- Accesați următorul rezumat:
După cum se știe, în timpul diferitelor procese mecanice are loc o schimbare a energiei mecanice. O măsură a schimbării energiei mecanice este munca forțelor aplicate sistemului:
În timpul schimbului de căldură, are loc o schimbare a energiei interne a corpului. O măsură a modificării energiei interne în timpul transferului de căldură este cantitatea de căldură.
Cantitatea de căldură este o măsură a modificării energiei interne la care un corp o primește (sau renunță) în timpul procesului de schimb de căldură.
Astfel, atât munca cât și cantitatea de căldură caracterizează schimbarea energiei, dar nu sunt identice cu energia. Ele nu caracterizează starea sistemului în sine, ci determină procesul de tranziție a energiei de la un tip la altul (de la un corp la altul) atunci când starea se schimbă și depind semnificativ de natura procesului.
Principala diferență dintre muncă și cantitatea de căldură este că munca caracterizează procesul de modificare a energiei interne a unui sistem, însoțită de transformarea energiei de la un tip la altul (din mecanic în intern). Cantitatea de căldură caracterizează procesul de transfer al energiei interne de la un corp la altul (de la mai încălzit la mai puțin încălzit), neînsoțit de transformări energetice.
Experiența arată că cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp de masă m de la temperatură la temperatură se calculează prin formula
unde c este capacitatea termică specifică a substanței;
Unitatea SI a capacității termice specifice este joule pe kilogram Kelvin (J/(kg K)).
Căldura specifică c este numeric egal cu cantitatea de căldură care trebuie transmisă unui corp care cântărește 1 kg pentru a-l încălzi cu 1 K.
Capacitate termica corpul este numeric egal cu cantitatea de căldură necesară pentru a modifica temperatura corpului cu 1 K:
Unitatea SI a capacității de căldură a unui corp este joule pe Kelvin (J/K).
Pentru a transforma un lichid în abur la o temperatură constantă, este necesar să consumați o cantitate de căldură
unde L este căldura specifică de vaporizare. Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.
Pentru a topi un corp cristalin de masa m la temperatura de topire, este necesar sa se imparta o cantitate de caldura corpului.
unde este căldura specifică de fuziune. Când un corp cristalizează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.
Cantitatea de căldură eliberată în timpul arderii complete a combustibilului cu masa m,
unde q este căldura specifică de ardere.
Unitatea SI a căldurilor specifice de vaporizare, topire și ardere este joule pe kilogram (J/kg).
Obiectivul articolului nostru este cantitatea de căldură. Vom lua în considerare conceptul de energie internă, care se transformă atunci când această cantitate se modifică. Vom arăta și câteva exemple de aplicare a calculelor în activitate umana.
Căldură
Fiecare persoană are propriile asocieri cu orice cuvânt din limba sa maternă. Sunt hotărâți experienta personalași sentimente iraționale. La ce te gândești de obicei când auzi cuvântul „căldură”? Pătură moale, radiator centrală funcțional iarna, în primul rând lumina soarelui primavara, pisica Sau privirea unei mame, cuvântul reconfortant al unui prieten, atenția la timp.
Fizicienii înțeleg prin aceasta un termen foarte specific. Și foarte important, mai ales în unele secțiuni ale acestei științe complexe, dar fascinante.
Termodinamica
Nu merită să luați în considerare cantitatea de căldură izolat de cele mai simple procese pe care se bazează legea conservării energiei - nimic nu va fi clar. Prin urmare, mai întâi să le reamintim cititorilor noștri.
Termodinamica consideră orice lucru sau obiect ca o combinație a unui număr foarte mare de părți elementare - atomi, ioni, molecule. Ecuațiile sale descriu orice modificare a stării colective a sistemului ca întreg și ca parte a întregului atunci când macroparametrii se modifică. Acesta din urmă se referă la temperatură (notată cu T), presiune (P), concentrația componentelor (de obicei C).
Energie interna
Energie internă - destul de termen complex, al cărui sens merită înțeles înainte de a vorbi despre cantitatea de căldură. Indică energia care se modifică atunci când valoarea macroparametrilor unui obiect crește sau scade și nu depinde de sistemul de referință. Este o parte energie totală. Coincide cu el în condițiile în care centrul de masă al obiectului studiat este în repaus (adică nu există o componentă cinetică).
Când o persoană simte că un obiect (de exemplu, o bicicletă) s-a încălzit sau s-a răcit, aceasta indică faptul că toate moleculele și atomii care alcătuiesc acel sistem au experimentat o schimbare a energiei interne. Cu toate acestea, temperatura constantă nu înseamnă păstrarea acestui indicator.
Muncă și căldură
Energia internă a oricărui sistem termodinamic poate fi transformată în două moduri:
- lucrând la el;
- în timpul schimbului de căldură cu mediul.
Formula pentru acest proces arată astfel:
dU=Q-A, unde U este energia internă, Q este căldura, A este muncă.
Cititorul să nu se lase înșelat de simplitatea expresiei. Rearanjarea arată că Q=dU+A, totuși, introducerea entropiei (S) aduce formula la forma dQ=dSxT.
Din moment ce în în acest caz, ecuația ia forma uneia diferențiale, apoi prima expresie necesită aceeași. În continuare, în funcție de forțele care acționează în obiectul studiat și de parametrul care este calculat, se deduce raportul necesar.
Să luăm o minge de metal ca exemplu de sistem termodinamic. Dacă apăsați pe el, îl aruncați în sus, îl aruncați într-o fântână adâncă, atunci asta înseamnă să lucrați la el. În exterior, toate aceste acțiuni inofensive nu vor provoca niciun rău mingii, dar energia sa internă se va schimba, deși foarte ușor.
A doua metodă este schimbul de căldură. Acum ajungem la scopul principal din acest articol: o descriere a cantității de căldură. Aceasta este o schimbare a energiei interne a unui sistem termodinamic care are loc în timpul schimbului de căldură (vezi formula de mai sus). Se măsoară în jouli sau calorii. Evident, dacă mingea este ținută peste o brichetă, la soare sau pur și simplu înăuntru mână caldă, apoi se va incalzi. Și apoi puteți folosi schimbarea temperaturii pentru a afla cantitatea de căldură care i-a fost comunicată.
De ce gazul este cel mai bun exemplu de schimbare a energiei interne și de ce școlarilor nu le place fizica din această cauză
Mai sus am descris modificările parametrilor termodinamici ai unei mingi metalice. Sunt fără dispozitive speciale nu sunt foarte vizibile, iar cititorul poate crede doar despre procesele care au loc cu obiectul. E alta problema daca sistemul este pe gaz. Apăsați pe el - va fi vizibil, încălziți-l - presiunea va crește, o va coborî sub pământ - și poate fi ușor înregistrată. Prin urmare, în manuale, gazul este cel mai adesea folosit ca sistem termodinamic vizual.
Dar, vai, în învăţământul modern Nu se acordă prea multă atenție experimentelor reale. Savant care scrie Trusa de instrumente, înțelege perfect ce este în joc. I se pare că, folosind exemplul moleculelor de gaz, totul parametrii termodinamici voi în mod corect demonstrat. Dar un student care tocmai descoperă această lume se plictisește auzind despre un balon ideal cu un piston teoretic. Dacă școala ar avea adevărate laboratoare de cercetare și ar fi alocat ore de lucru în ele, lucrurile ar fi altfel. Până acum, din păcate, experimentele sunt doar pe hârtie. Și, cel mai probabil, tocmai acesta este motivul pentru care oamenii consideră această ramură a fizicii ca fiind ceva pur teoretic, departe de viață și inutil.
Prin urmare, am decis să folosim ca exemplu bicicleta deja menționată mai sus. O persoană apasă pe pedale și lucrează la ele. Pe lângă faptul că oferă cuplu întregului mecanism (mulțumită căruia bicicleta se mișcă în spațiu), se modifică energia internă a materialelor din care sunt realizate pârghiile. Ciclistul apasă mânerele pentru a se întoarce și din nou face treaba.
Energia internă a învelișului exterior (plastic sau metal) crește. O persoană iese într-o poiană sub soarele strălucitor - bicicleta se încălzește, cantitatea de căldură se schimbă. Se oprește să se odihnească la umbra unui stejar bătrân și sistemul se răcește, pierzând calorii sau jouli. Crește viteza - crește schimbul de energie. Cu toate acestea, calcularea cantității de căldură în toate aceste cazuri va arăta o valoare foarte mică, imperceptibilă. Prin urmare, se pare că manifestările fizicii termodinamice în viata reala Nu.
Aplicarea calculelor pentru modificările cantității de căldură
Cititorul va spune probabil că toate acestea sunt foarte educative, dar de ce suntem atât de chinuiți la școală cu aceste formule? Și acum vom da exemple în ce domenii ale activității umane sunt necesare în mod direct și cum se referă acest lucru pe oricine în viața de zi cu zi.
Mai întâi, uită-te în jurul tău și numără: câte obiecte metalice te înconjoară? Probabil mai mult de zece. Dar înainte de a deveni o agrafă, un cărucior, un inel sau o unitate flash, orice metal suferă topire. Fiecare fabrică care prelucrează, să zicem, minereu de fier, trebuie să înțeleagă cât de mult combustibil este necesar pentru a optimiza costurile. Și atunci când se calculează acest lucru, este necesar să se cunoască capacitatea de căldură a materiei prime care conțin metal și cantitatea de căldură care trebuie să i se transmită pentru ca totul să se întâmple. procese tehnologice. Deoarece energia eliberată de o unitate de combustibil este calculată în jouli sau calorii, formulele sunt necesare direct.
Sau un alt exemplu: majoritatea supermarketurilor au un departament cu produse congelate - peste, carne, fructe. În cazul în care materiile prime din carne de animale sau fructe de mare sunt transformate în semifabricate, trebuie să știți câtă energie electrică vor consuma unitățile de refrigerare și congelare pe tonă sau unitate. produs finit. Pentru a face acest lucru, trebuie să calculați câtă căldură pierde un kilogram de căpșuni sau calmar atunci când este răcit cu un grad Celsius. Și în cele din urmă, aceasta va arăta câtă energie electrică va consuma un congelator de o anumită putere.
Avioane, nave, trenuri
Mai sus am arătat exemple de obiecte relativ nemișcate, statice, cărora li se transmite o anumită cantitate de căldură sau de la care, dimpotrivă, se ia o anumită cantitate de căldură. Pentru obiectele care se mișcă în condiții de schimbare constantă a temperaturii în timpul funcționării, calculele cantității de căldură sunt importante dintr-un alt motiv.
Există așa ceva ca „oboseala metalică”. Include, de asemenea, maximul sarcini admisibile la un anumit ritm de schimbare a temperaturii. Imaginați-vă un avion care decolează de la tropicele umede în atmosfera superioară înghețată. Inginerii trebuie să lucreze din greu pentru a se asigura că nu se destramă din cauza fisurilor din metal care apar atunci când temperatura se schimbă. Ei caută o compoziție de aliaj care să reziste la sarcini reale și să aibă o marjă mare de siguranță. Și pentru a nu căuta orbește, în speranța de a da din greșeală compoziția dorită, trebuie să faci o mulțime de calcule, inclusiv cele care includ modificări ale cantității de căldură.
(sau transfer de căldură).
Capacitatea termică specifică a unei substanțe.
Capacitate termica- aceasta este cantitatea de căldură absorbită de un corp atunci când este încălzit cu 1 grad.
Capacitatea termică a unui corp este indicată printr-o literă latină majusculă CU.
De ce depinde capacitatea termică a unui corp? În primul rând, din masa sa. Este clar că încălzirea, de exemplu, a 1 kilogram de apă va necesita mai multă căldură decât încălzirea a 200 de grame.
Dar tipul de substanță? Să facem un experiment. Să luăm două vase identice și, după ce am turnat apă cu o greutate de 400 g într-unul dintre ele și ulei vegetal cu o greutate de 400 g în celălalt, vom începe să le încălzim folosind arzătoare identice. Observând citirile termometrului, vom vedea că uleiul se încălzește rapid. Pentru a încălzi apa și uleiul la aceeași temperatură, apa trebuie încălzită mai mult timp. Dar cu cât încălzim mai mult apa, cu atât primește mai multă căldură de la arzător.
Astfel, pentru a încălzi aceeași masă diferite substanțe la aceeași temperatură necesară cantități diferite căldură. Cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp și, prin urmare, capacitatea acestuia de căldură depind de tipul de substanță din care este compus corpul.
Deci, de exemplu, pentru a crește temperatura apei cu greutatea de 1 kg cu 1°C, este necesară o cantitate de căldură egală cu 4200 J și pentru a încălzi aceeași masă cu 1°C ulei de floarea soarelui cantitatea de căldură necesară este de 1700 J.
O mărime fizică care arată câtă căldură este necesară pentru a încălzi 1 kg dintr-o substanță cu 1 ºС se numește capacitatea termică specifică a acestei substante.
Fiecare substanță are propria sa capacitate termică specifică, care este notă cu litera latină c și măsurată în jouli pe kilogram grad (J/(kg °C)).
Capacitatea termică specifică a aceleiași substanțe în diferite stări de agregare(solid, lichid și gazos) este diferit. De exemplu, capacitatea termică specifică a apei este de 4200 J/(kg °C), iar capacitatea termică specifică a gheții este de 2100 J/(kg °C); aluminiul în stare solidă are o capacitate termică specifică de 920 J/(kg - °C), iar în stare lichidă - 1080 J/(kg - °C).
Rețineți că apa are o capacitate termică specifică foarte mare. Prin urmare, apa din mări și oceane, care se încălzește vara, se absoarbe din aer un numar mare de căldură. Datorită acestui fapt, în acele locuri care sunt situate lângă corpuri mari de apă, vara nu este la fel de caldă ca în locurile departe de apă.
Calculul cantității de căldură necesară pentru încălzirea unui corp sau eliberată de acesta în timpul răcirii.
Din cele de mai sus reiese clar că cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp depinde de tipul de substanță din care constă corpul (adică, capacitatea de căldură specifică) și de masa corpului. De asemenea, este clar că cantitatea de căldură depinde de câte grade vom crește temperatura corpului.
Deci, pentru a determina cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp sau eliberată de acesta în timpul răcirii, trebuie să înmulțiți capacitatea termică specifică a corpului cu masa sa și cu diferența dintre temperaturile sale finale și inițiale:
Q = cm (t 2 - t 1 ) ,
Unde Q- cantitatea de caldura, c— capacitatea termică specifică, m- masa corpului , t 1 — temperatura inițială, t 2 — temperatura finală.
Când corpul se încălzește t 2 > t 1 prin urmare Q > 0 . Când corpul se răcește t 2i< t 1 prin urmare Q< 0 .
Dacă se cunoaşte capacitatea termică a întregului corp CU, Q determinat de formula:
Q = C (t 2 - t 1 ) .
După cum știm deja, energia internă a unui corp se poate modifica atât în timpul lucrului, cât și prin transfer de căldură (fără a lucra). Principala diferență între muncă și cantitatea de căldură este că munca determină procesul de conversie a energiei interne a sistemului, care este însoțită de transformarea energiei de la un tip la altul.
În cazul în care se produce o modificare a energiei interne cu ajutorul lui transfer de căldură, transferul de energie de la un corp la altul se realizează datorită conductivitate termică, radiații sau convecție.
Energia pe care un corp o pierde sau o câștigă în timpul transferului de căldură se numește cantitatea de căldură.
Când calculați cantitatea de căldură, trebuie să știți ce cantități o influențează.
Vom încălzi două vase folosind două arzătoare identice. Un vas conține 1 kg apă, celălalt conține 2 kg. Temperatura apei din cele două vase este inițial aceeași. Putem observa că în același timp, apa dintr-unul dintre vase se încălzește mai repede, deși ambele vase primesc o cantitate egală de căldură.
Astfel, concluzionăm: cu cât masa este mai mare corp dat, cu atât mai multă căldură ar trebui consumată pentru a-și scădea sau crește temperatura cu același număr de grade.
Când un corp se răcește, degajă o cantitate mai mare de căldură obiectelor învecinate, cu atât masa lui este mai mare.
Știm cu toții că, dacă trebuie să încălzim un ibric plin cu apă la o temperatură de 50°C, vom petrece mai puțin timp acestei acțiuni decât pentru a încălzi un ibric cu același volum de apă, dar numai la 100°C. În cazul numărul unu, se va da mai puțină căldură apei decât în cazul doi.
Astfel, cantitatea de căldură necesară pentru încălzire depinde direct de dacă câte grade corpul se poate încălzi. Putem concluziona: cantitatea de căldură depinde direct de diferența de temperatură a corpului.
Dar este posibil să se determine cantitatea de căldură necesară nu pentru a încălzi apa, ci o altă substanță, să zicem, ulei, plumb sau fier?
Umpleți un vas cu apă și umpleți celălalt cu ulei vegetal. Masele de apă și ulei sunt egale. Vom încălzi ambele vase uniform pe arzătoare identice. Să începem experimentul la aceeași temperatură inițială ulei vegetal si apa. Cinci minute mai târziu, după ce am măsurat temperaturile uleiului și apei încălzite, vom observa că temperatura uleiului este mult mai mare decât temperatura apei, deși ambele lichide au primit aceeași cantitate de căldură.
Concluzia evidentă este: când este încălzită mase egale uleiul și apa la aceeași temperatură necesită cantități diferite de căldură.
Și tragem imediat o altă concluzie: cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp depinde direct de substanța din care este format corpul însuși (tipul de substanță).
Astfel, cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp (sau eliberată la răcire) depinde direct de masa corpului, de variabilitatea temperaturii acestuia și de tipul de substanță.
Cantitatea de căldură este notată prin simbolul Q. Ca și altele tipuri diferite energie, cantitatea de căldură se măsoară în jouli (J) sau kilojuli (kJ).
1 kJ = 1000 J
Cu toate acestea, istoria arată că oamenii de știință au început să măsoare cantitatea de căldură cu mult înainte ca conceptul de energie să apară în fizică. La acel moment, a fost dezvoltată o unitate specială pentru măsurarea cantității de căldură - calorii (cal) sau kilocalorii (kcal). Cuvântul are rădăcini latine, calor - căldură.
1 kcal = 1000 cal
Calorie– aceasta este cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi 1 g de apă cu 1°C
1 cal = 4,19 J ≈ 4,2 J
1 kcal = 4190 J ≈ 4200 J ≈ 4,2 kJ
Mai ai întrebări? Nu știi cum să-ți faci temele?
Pentru a primi ajutor de la un tutor -.
Prima lecție este gratuită!
blog.site, atunci când copiați materialul integral sau parțial, este necesar un link către sursa originală.
