Šilumos talpa– tai šilumos kiekis, kurį organizmas sugeria kaitinant 1 laipsniu.
Kūno šiluminė talpa nurodoma didžiąja lotyniška raide NUO.
Kas lemia kūno šiluminę talpą? Visų pirma, nuo jo masės. Aišku, kad pašildyti, pavyzdžiui, 1 kilogramą vandens reikės daugiau šilumos nei pašildyti 200 gramų.
O kaip dėl medžiagos rūšies? Padarykime eksperimentą. Paimkime du identiškus indus ir, į vieną iš jų pildami 400 g sveriantį vandenį, o į kitą – 400 g sveriantį augalinį aliejų, pradėsime juos šildyti identiškų degiklių pagalba. Stebėdami termometrų rodmenis pamatysime, kad aliejus greitai įkaista. Norint pašildyti vandenį ir aliejų iki vienodos temperatūros, vandenį reikia kaitinti ilgiau. Tačiau kuo ilgiau šildome vandenį, tuo daugiau šilumos jis gauna iš degiklio.
Taigi, norint pašildyti tą pačią skirtingų medžiagų masę iki vienodos temperatūros, reikalingi skirtingi šilumos kiekiai. Kūnui sušildyti reikalingas šilumos kiekis ir atitinkamai jo šiluminė talpa priklauso nuo medžiagos, iš kurios šis kūnas sudarytas.
Taigi, pavyzdžiui, norint padidinti vandens, kurio masė yra 1 kg, temperatūrą 1 ° C, reikia 4200 J šilumos kiekio, o norint pašildyti tą pačią saulėgrąžų aliejaus masę 1 ° C, reikia reikalinga šiluma, lygi 1700 J.
Vadinamas fizikinis dydis, parodantis, kiek šilumos reikia pašildyti 1 kg medžiagos 1 ºС specifinė šilumaši medžiaga.
Kiekviena medžiaga turi savo specifinę šiluminę talpą, kuri žymima lotyniška raide c ir matuojama džauliais kilogramui laipsniui (J / (kg ° C)).
Tos pačios medžiagos savitoji šiluminė talpa skirtingose agregatų būsenose (kietos, skystos ir dujinės) skiriasi. Pavyzdžiui, vandens savitoji šiluminė galia yra 4200 J/(kg ºС), o ledo savitoji šiluminė galia – 2100 J/(kg ºС); kieto aliuminio savitoji šiluminė talpa yra 920 J / (kg - ° C), o skysto - 1080 J / (kg - ° C).
Atkreipkite dėmesį, kad vandens savitoji šiluminė talpa yra labai didelė. Todėl vasarą įkaistantis vanduo jūrose ir vandenynuose sugeria iš oro didelį šilumos kiekį. Dėl šios priežasties tose vietose, kurios yra prie didelių vandens telkinių, vasara nėra tokia karšta, kaip toli nuo vandens.
Šilumos kiekio, reikalingo kūnui sušildyti arba jo išskiriamo vėsinimo metu, apskaičiavimas.
Iš to, kas pasakyta, aišku, kad šilumos kiekis, reikalingas kūnui sušildyti, priklauso nuo medžiagos, iš kurios kūnas susideda, rūšies (t.y. jos specifinės šiluminės talpos) ir nuo kūno masės. Taip pat aišku, kad šilumos kiekis priklauso nuo to, kiek laipsnių ketiname padidinti kūno temperatūrą.
Taigi, norint nustatyti šilumos kiekį, reikalingą kūnui sušildyti arba jo išskiriamą aušinimo metu, reikia padauginti savitąją kūno šilumą iš jo masės ir skirtumo tarp galutinės ir pradinės temperatūros:
K= cm (t 2 - t 1),
kur K- šilumos kiekis, c- savitoji šiluminė galia, m- kūno masė, t1- pradinė temperatūra, t2- galutinė temperatūra.
Kai kūnas įkaista t2> t1 taigi K >0 . Kai kūnas atvėsęs t 2 ir< t1 taigi K< 0 .
Jeigu žinoma viso kūno šiluminė talpa NUO, K nustatoma pagal formulę: Q \u003d C (t 2 - t1).
22) Lydymasis: apibrėžimas, lydymosi arba kietėjimo šilumos kiekio apskaičiavimas, savitoji lydymosi šiluma, t 0 (Q) grafikas.
Termodinamika
Molekulinės fizikos šaka, tirianti energijos perdavimą, kai kurių rūšių energijos virsmo kitomis dėsningumus. Skirtingai nuo molekulinės-kinetinės teorijos, termodinamika neatsižvelgia į vidinę medžiagų struktūrą ir mikroparametrus.
Termodinaminė sistema
Tai rinkinys kūnų, kurie keičiasi energija (darbo ar šilumos pavidalu) tarpusavyje arba su aplinka. Pavyzdžiui, vanduo arbatinuke atvėsta, vyksta vandens šilumos mainai su arbatinuku ir arbatinuko su aplinka. Balionas su dujomis po stūmokliu: stūmoklis atlieka darbą, dėl kurio dujos gauna energiją ir keičiasi jų makro parametrai.
Šilumos kiekis
Tai energijos, kurį sistema gauna arba duoda šilumos mainų procese. Žymima simboliu Q, matuojama, kaip ir bet kuri energija, džauliais.
Dėl įvairių šilumos perdavimo procesų perduodama energija nustatoma savaip.
Šildymas ir vėsinimas
Šiam procesui būdingas sistemos temperatūros pokytis. Šilumos kiekis nustatomas pagal formulę
Medžiagos savitoji šiluminė talpa su matuojamas šilumos kiekiu, reikalingu sušildyti masės vienetųšios medžiagos 1 tūkst. Norint pašildyti 1 kg stiklinės arba 1 kg vandens, reikia kitokio energijos kiekio. Savitoji šiluminė talpa yra žinoma vertė, jau apskaičiuota visoms medžiagoms, žr. vertę fizinėse lentelėse.
C medžiagos šiluminė talpa- tai šilumos kiekis, reikalingas kūnui sušildyti, neatsižvelgiant į jo masę 1K.
Lydymasis ir kristalizacija
Lydymasis yra medžiagos perėjimas iš kietos būsenos į skystą. Atvirkštinis perėjimas vadinamas kristalizacija.
Energija, sunaudota sunaikinant medžiagos kristalinę gardelę, nustatoma pagal formulę
Specifinė lydymosi šiluma yra žinoma kiekvienos medžiagos vertė, žr. vertę fizinėse lentelėse.
Garinimas (garinimas arba virinimas) ir kondensacija
Garinimas – tai medžiagos perėjimas iš skystos (kietos) būsenos į dujinę. Atvirkštinis procesas vadinamas kondensacija.
Specifinė garavimo šiluma yra žinoma kiekvienos medžiagos vertė, žr. vertę fizinėse lentelėse.
Degimas
Šilumos kiekis, išsiskiriantis medžiagai degant
Savitoji degimo šiluma yra žinoma kiekvienos medžiagos vertė, žr. vertę fizinėse lentelėse.
Uždarai ir adiabatiškai izoliuotai kūnų sistemai tenkinama šilumos balanso lygtis. Visų šilumos mainuose dalyvaujančių kūnų duodamų ir gaunamų šilumos kiekių algebrinė suma lygi nuliui:
Q 1 +Q 2 +...+Q n =0
23) Skysčių sandara. paviršinis sluoksnis. Paviršiaus įtempimo jėga: pasireiškimo, skaičiavimo, paviršiaus įtempimo koeficiento pavyzdžiai.
Kartkartėmis bet kuri molekulė gali persikelti į gretimą laisvą vietą. Tokie šuoliai skysčiuose pasitaiko gana dažnai; todėl molekulės nėra susietos su tam tikrais centrais, kaip kristaluose, ir gali judėti per visą skysčio tūrį. Tai paaiškina skysčių sklandumą. Dėl stiprios sąveikos tarp glaudžiai išdėstytų molekulių jos gali sudaryti vietines (nestabilias) tvarkingas grupes, kuriose yra kelios molekulės. Šis reiškinys vadinamas trumpo nuotolio užsakymas(3.5.1 pav.).
Koeficientas β vadinamas tūrio plėtimosi temperatūros koeficientas . Šis skysčių koeficientas yra dešimt kartų didesnis nei kietųjų medžiagų. Vandeniui, pavyzdžiui, esant 20 ° C temperatūrai, β ≈ 2 10 - 4 K - 1, plieno β st ≈ 3,6 10 - 5 K - 1, kvarciniam stiklui β kv ≈ 9 10 - 6 K - vienas .
Vandens šiluminis plėtimasis turi įdomią ir svarbią gyvybei Žemėje anomaliją. Esant žemesnei nei 4 °C temperatūrai, vanduo plečiasi mažėjant temperatūrai (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Užšaldamas vanduo plečiasi, todėl ledas lieka plūduriuoti užšąlančio vandens telkinio paviršiuje. Po ledu užšąlančio vandens temperatūra yra 0°C. Tankesniuose vandens sluoksniuose šalia rezervuaro dugno temperatūra yra apie 4 °C. Dėl to užšąlančių rezervuarų vandenyje gali egzistuoti gyvybė.
Įdomiausia skysčių savybė yra buvimas laisvas paviršius . Skystis, skirtingai nei dujos, neužpildo viso indo, į kurį pilamas, tūrio. Tarp skysčio ir dujų (arba garų) susidaro sąsaja, kuri yra ypatingomis sąlygomis, palyginti su likusia skysčio mase.Reikia turėti omenyje, kad dėl itin mažo gniuždomumo susidaro tankesnis supakuotas paviršinis sluoksnis nesukelia jokių pastebimų skysčio tūrio pokyčių. Jei molekulė juda nuo paviršiaus į skystį, tarpmolekulinės sąveikos jėgos atliks teigiamą darbą. Priešingai, tam, kad iš skysčio gylio į paviršių ištrauktų tam tikrą molekulių skaičių (t.y. padidintų skysčio paviršiaus plotą), išorinės jėgos turi atlikti teigiamą darbą Δ A išorinis, proporcingas pokyčiui Δ S paviršiaus plotas:
Iš mechanikos žinoma, kad sistemos pusiausvyros būsenos atitinka mažiausią jos potencialios energijos vertę. Iš to išplaukia, kad laisvas skysčio paviršius linkęs mažinti jo plotą. Dėl šios priežasties laisvas skysčio lašas įgauna sferinę formą. Skystis elgiasi taip, tarsi jėgos veiktų liestine jo paviršių, sumažindamos (susitraukdamos) šį paviršių. Šios jėgos vadinamos paviršiaus įtempimo jėgos .
Dėl paviršiaus įtempimo jėgų skysčio paviršius atrodo kaip elastinga ištempta plėvelė, vienintelis skirtumas, kad plėvelės elastingumo jėgos priklauso nuo jos paviršiaus ploto (t. y. nuo plėvelės deformacijos) ir paviršiaus įtempimo jėgų. nepriklausykite ant skysčio paviršiaus ploto.
Kai kurie skysčiai, pavyzdžiui, muiluotas vanduo, gali sudaryti plonas plėveles. Visi gerai žinomi muilo burbulai turi teisingą sferinę formą – tai taip pat pasireiškia paviršiaus įtempimo jėgų veikimu. Jei į muiluotą tirpalą nuleistas vielinis karkasas, kurio viena iš kraštų juda, tai visas jis bus padengtas skysčio plėvele (3.5.3 pav.).
Paviršiaus įtempimo jėgos linkusios sutrumpinti plėvelės paviršių. Norint subalansuoti judančią rėmo pusę, ją reikia paveikti išorine jėga.Jei, veikiant jėgai, skersinis pasislenka Δ x, tada darbas Δ A ext = F išorinis Δ x = Δ Ep = σΔ S, kur ∆ S = 2LΔ x yra abiejų muilo plėvelės pusių paviršiaus ploto prieaugis. Kadangi jėgų ir moduliai yra vienodi, galime rašyti:
|
Taigi paviršiaus įtempimo koeficientas σ gali būti apibrėžtas kaip paviršiaus įtempimo jėgos, veikiančios paviršių ribojančios linijos ilgio vienetą, modulis.
Dėl paviršiaus įtempimo jėgų skysčio lašuose ir muilo burbulų viduje susidaro perteklinis slėgis Δ p. Jei mintyse nupjausime sferinį spindulio lašą Rį dvi dalis, tada kiekviena iš jų turi būti pusiausvyroje, veikiant paviršiaus įtempimo jėgoms, veikiančioms 2π ilgio pjūvio ribą. R ir viršslėgio jėgos, veikiančios plotą π R 2 sekcijos (3.5.4 pav.). Pusiausvyros sąlyga parašyta kaip
Jei šios jėgos yra didesnės už sąveikos jėgas tarp paties skysčio molekulių, tada skysčio sušlapina kieto kūno paviršius. Šiuo atveju skystis artėja prie kieto kūno paviršiaus tam tikru aštriu kampu θ, kuris būdingas duotai skysčio ir kietos medžiagos porai. Kampas θ vadinamas kontaktinis kampas . Jeigu sąveikos jėgos tarp skysčių molekulių viršija jų sąveikos su kietosiomis molekulėmis jėgas, tai kontaktinis kampas θ pasirodo bukas (3.5.5 pav.). Šiuo atveju sakoma, kad skystis nesušlapina kieto kūno paviršius. At visiškas drėkinimasθ = 0, at visiškas nedrėkimasθ = 180°.
kapiliariniai reiškiniai vadinamas skysčio pakilimu arba kritimu mažo skersmens vamzdeliuose - kapiliarai. Drėkinantys skysčiai kapiliarais kyla į viršų, o nedrėkę leidžiasi žemyn.
Ant pav. 3.5.6 parodytas tam tikro spindulio kapiliarinis vamzdelis r apatinis galas nuleidžiamas į drėkinamąjį skystį, kurio tankis ρ. Viršutinis kapiliaro galas yra atviras. Skysčio kilimas kapiliare tęsiasi tol, kol gravitacijos jėga, veikianti skysčio stulpelį kapiliare, absoliučia reikšme tampa lygi gautai F n paviršiaus įtempimo jėgos, veikiančios išilgai skysčio sąlyčio su kapiliaro paviršiumi ribos: F t = F n, kur F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.
Tai reiškia:
Visiškai nesudrėkinus, θ = 180°, cos θ = –1 ir todėl h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Vanduo beveik visiškai sušlapina švarų stiklo paviršių. Ir atvirkščiai, gyvsidabris visiškai nesudrėkina stiklo paviršiaus. Todėl gyvsidabrio lygis stikliniame kapiliare nukrenta žemiau lygio inde.
24) Garinimas: apibrėžimas, rūšys (garinimas, virimas), garavimo ir kondensacijos šilumos kiekio apskaičiavimas, savitoji garavimo šiluma.
Garavimas ir kondensacija. Garavimo reiškinio paaiškinimas remiantis idėjomis apie medžiagos molekulinę struktūrą. Savitoji garavimo šiluma. Jos vienetai.
Reiškinys, kai skystis virsta garais, vadinamas garinimas.
Garavimas - garavimo procesas, vykstantis nuo atviro paviršiaus.
Skysčių molekulės juda skirtingu greičiu. Jei kuri nors molekulė yra skysčio paviršiuje, ji gali įveikti gretimų molekulių trauką ir išskristi iš skysčio. Išeinančios molekulės sudaro garus. Likusių skysčių molekulių greičiai pasikeičia susidūrus. Tokiu atveju kai kurios molekulės įgauna greitį, pakankamą išskristi iš skysčio. Šis procesas tęsiasi, todėl skysčiai išgaruoja lėtai.
*Garavimo greitis priklauso nuo skysčio rūšies. Greičiau išgaruoja tie skysčiai, kuriuose molekulės pritraukiamos mažesne jėga.
*Išgaruoti gali bet kokioje temperatūroje. Tačiau esant aukštesnei temperatūrai, garavimas vyksta greičiau .
*Garavimo greitis priklauso nuo jo paviršiaus ploto.
*Su vėju (oro srautu) garavimas vyksta greičiau.
Garuojant mažėja vidinė energija, nes. išgarinant iš skysčio pasišalina greitos molekulės, todėl likusių molekulių vidutinis greitis mažėja. Tai reiškia, kad jei nėra energijos antplūdžio iš išorės, tada skysčio temperatūra mažėja.
Garų virsmo skysčiu reiškinys vadinamas kondensacija.
Jį lydi energijos išlaisvinimas.
Garų kondensacija paaiškina debesų susidarymą. Vandens garai, kylantys virš žemės, viršutiniuose šaltuose oro sluoksniuose sudaro debesis, susidedančius iš mažyčių vandens lašelių.
Savitoji garavimo šiluma - fizinis. dydis, nurodantis, kiek šilumos reikia, kad 1 kg masės skystis nekeičiant temperatūros virstų garais.
Oud. garavimo šiluma žymimas raide L ir matuojamas J / kg
Oud. vandens garavimo šiluma: L=2,3×10 6 J/kg, alkoholio L=0,9×10 6
Šilumos kiekis, reikalingas skysčiui paversti garais: Q = Lm
Kartu su mechanine energija bet kuris kūnas (ar sistema) turi vidinę energiją. Vidinė energija yra poilsio energija. Jį sudaro šiluminis chaotiškas kūną sudarančių molekulių judėjimas, jų santykinės padėties potenciali energija, elektronų atomuose, nukleonų branduoliuose ir kt.
Termodinamikoje svarbu žinoti ne absoliučią vidinės energijos vertę, o jos kitimą.
Termodinamikos procesuose kinta tik judančių molekulių kinetinė energija (atomo, o juo labiau branduolio struktūrai pakeisti šiluminės energijos nepakanka). Todėl iš tikrųjų veikiant vidinei energijai termodinamikoje reiškia energiją terminis chaotiškumas molekuliniai judesiai.
Vidinė energija U vienas molis idealių dujų yra lygus:
Šiuo būdu, vidinė energija priklauso tik nuo temperatūros. Vidinė energija U yra sistemos būsenos funkcija, nepriklausomai nuo fono.
Akivaizdu, kad bendru atveju termodinaminė sistema gali turėti tiek vidinę, tiek mechaninę energiją, o skirtingos sistemos gali keistis šiomis energijos rūšimis.
Mainai mechaninė energija būdingas tobulas darbas A, ir vidinės energijos mainai perduotos šilumos kiekis Q.
Pavyzdžiui, žiemą į sniegą metei karštą akmenį. Dėl potencialios energijos rezervo buvo atliktas mechaninis sniegas smulkinimo darbas, o dėl vidinės energijos rezervo sniegas tirpsta. Jei akmuo buvo šaltas, t.y. akmens temperatura lygi aplinkos temperaturai, tada bus tik darbas, bet vidiniu energijos mainai nebus.
Taigi darbas ir šiluma nėra ypatingos energijos formos. Jūs negalite kalbėti apie šilumos atsargas ar darbą. Tai priemonė perkelta kita mechaninės arba vidinės energijos sistema. Galime kalbėti apie šių energijų rezervą. Be to, mechaninė energija gali būti paversta šilumine energija ir atvirkščiai. Pavyzdžiui, jei plaktuku smogsite į priekalą, po kurio laiko kūjis ir priekalas įkais (pavyzdys išsklaidymas energija).
Yra daug daugiau pavyzdžių, kai vienos energijos formos virsta kita.
Patirtis rodo, kad visais atvejais mechaninės energijos pavertimas šilumine energija ir atvirkščiai visada vykdomas griežtai lygiaverčiais kiekiais. Tai yra pirmojo termodinamikos dėsnio, išplaukiančio iš energijos tvermės dėsnio, esmė.
Kūnui perduodamas šilumos kiekis naudojamas vidinei energijai didinti ir darbui organizme atlikti:
| , | (4.1.1) |
- Štai kas yra pirmasis termodinamikos dėsnis , arba termodinamikos energijos tvermės dėsnis.
Pasirašymo taisyklė: jei iš aplinkos perduodama šiluma ši sistema, o jei sistema atlieka aplinkinių kūnų darbus, tuo tarpu . Atsižvelgiant į ženklo taisyklę, pirmasis termodinamikos dėsnis gali būti parašytas taip:
Šioje išraiškoje U yra sistemos būsenos funkcija; d U yra jo bendras skirtumas ir δ K ir δ BET jie nėra. Kiekvienoje būsenoje sistema turi tam tikrą ir tik tokią vidinės energijos vertę, todėl galime rašyti:
 ,
|
Svarbu pažymėti, kad karštis K ir dirbti BET priklauso nuo to, kaip vyksta perėjimas iš 1 būsenos į 2 būseną (izochorinė, adiabatinė ir kt.), ir vidinė energija U nepriklauso. Tuo pačiu metu negalima teigti, kad sistema turi šilumos ir darbo vertę, nustatytą tam tikrai būsenai.
Iš (4.1.2) formulės išplaukia, kad šilumos kiekis išreiškiamas tais pačiais vienetais kaip darbas ir energija, t.y. džauliais (J).
Termodinamikoje ypač svarbūs yra žiediniai arba cikliniai procesai, kurių metu sistema, perėjusi eilę būsenų, grįžta į pradinę būseną. 4.1 paveiksle parodytas ciklinis procesas 1– bet–2–b–1, kol buvo atliktas A darbas.
Ryžiai. 4.1
Nes U tai yra valstybės funkcija
| (4.1.3) |
Tai galioja bet kuriai valstybės funkcijai.
Jeigu tada pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį, t.y. neįmanoma sukurti periodiškai veikiančio variklio, kuris atliktų daugiau darbo, nei jam būtų perduodama iš išorės energija. Kitaip tariant, pirmos rūšies amžinasis variklis yra neįmanomas. Tai viena iš pirmojo termodinamikos dėsnio formuluočių.
Pažymėtina, kad pirmasis termodinamikos dėsnis nenurodo, kuria kryptimi vyksta būsenos kitimo procesai, o tai yra vienas iš jo trūkumų.
Vidinė kūno energija priklauso nuo jo temperatūros ir išorinių sąlygų – tūrio ir tt Jei išorinės sąlygos išlieka nepakitusios, tai yra tūris ir kiti parametrai yra pastovūs, tai vidinė kūno energija priklauso tik nuo jo temperatūros.
Keisti vidinę kūno energiją galima ne tik kaitinant jį liepsnoje ar atliekant mechaninį darbą (nekeičiant kūno padėties, pavyzdžiui, trinties jėgos darbo), bet ir atnešant. jis kontaktuoja su kitu kūnu, kurio temperatūra skiriasi nuo šio kūno temperatūros, t. y. per šilumos perdavimą.
Vidinės energijos kiekis, kurį kūnas įgyja arba praranda šilumos perdavimo procese, vadinamas „šilumos kiekiu“. Šilumos kiekis paprastai žymimas raide `Q`. Jei šilumos perdavimo metu kūno vidinė energija didėja, tada šilumai priskiriamas pliuso ženklas, o kūnui sakoma šiluma `Q`. Sumažėjus vidinei energijai šilumos perdavimo procese, šiluma laikoma neigiama ir sakoma, kad šilumos kiekis `Q` buvo paimtas (arba pašalintas) iš kūno.
Šilumos kiekis gali būti matuojamas tais pačiais vienetais, kuriais matuojama mechaninė energija. SI kalba yra „1“. džaulis. Yra dar vienas šilumos matavimo vienetas – kalorijos. Kalorijų yra šilumos kiekis, reikalingas pašildyti „1“ g vandens „1^@ bb"C". Santykį tarp šių vienetų nustatė Džaulis: `1` cal `= 4,18` J. Tai reiškia, kad dėl darbo `4,18` kJ, `1` kilogramo vandens temperatūra padidės `1` laipsniu.
Šilumos kiekis, reikalingas kūnui sušildyti `1^@ bb"C" vadinamas kūno šilumine talpa. Kūno šiluminė talpa žymima raide "C". Jei kūnui buvo suteiktas nedidelis „Delta Q“ šilumos kiekis, o kūno temperatūra pasikeitė „Delta t“ laipsniais, tada
| „Q=C*Deltat=C*(t_2 – t_1)=c*m*(t_2 – t_1)“. | (1.3) |
Jei kūną supa kevalas, kuris prastai praleidžia šilumą, tai kūno temperatūra, paliekant ją pačiam, išliks praktiškai pastovi ilgą laiką. Tokių idealių kriauklių, žinoma, gamtoje nėra, tačiau galima sukurti tokius kriauklus, kurie savo savybėmis priartėja prie tokių.
Pavyzdžiai yra erdvėlaivių oda, Dewar laivai, naudojami fizikoje ir technologijose. Dewar indas yra stiklinis arba metalinis indas su dvigubomis veidrodinėmis sienelėmis, tarp kurių susidaro didelis vakuumas. Stiklinė namų termoso kolba taip pat yra Dewar indas.
Korpusas yra izoliacinis kalorimetras- prietaisas, matuojantis šilumos kiekį. Kalorimetras yra didelis plonasienis stiklas, uždėtas ant kamštienos gabalėlių kito didelio stiklo viduje, kad tarp sienelių liktų oro sluoksnis, ir iš viršaus uždarytas karščiui atspariu dangteliu.
Jei du ar daugiau skirtingų temperatūrų kūnų patenka į šiluminį kontaktą kalorimetre ir laukiama, tai po kurio laiko kalorimetro viduje nusistovi šiluminė pusiausvyra. Pereinant į šiluminę pusiausvyrą, vieni kūnai skirs šilumą (bendras šilumos kiekis `Q_(sf"otd")`, kiti gaus šilumą (bendras šilumos kiekis `Q_(sf"floor") `). O kadangi kalorimetras ir jame esantys kūnai šilumą keičia ne su supančia erdve, o tik tarpusavyje, galime parašyti ryšį, dar vadinamą šilumos balanso lygtis:
Kai kuriuose šiluminiuose procesuose kūnas gali sugerti arba išleisti šilumą nekeičiant jo temperatūros. Tokie terminiai procesai vyksta, kai keičiasi medžiagos agregacijos būsena – lydosi, kristalizuojasi, garuoja, kondensuojasi ir verda. Trumpai apsistokime ties pagrindinėmis šių procesų savybėmis.
Tirpimas- kristalinės kietosios medžiagos pavertimo skysčiu procesas. Lydymosi procesas vyksta pastovioje temperatūroje, o šiluma sugeriama.
Savitoji lydymosi šiluma "lambda" yra lygi šilumos kiekiui, kurio reikia, kad ištirptų "1" kg kristalinės medžiagos, paimtos lydymosi temperatūroje. Šilumos kiekis „Q_(sf"pl)", reikalingas kietam „m“ masės kūnui lydymosi temperatūroje perkelti į skystą būseną, yra lygus
Kadangi lydymosi temperatūra išlieka pastovi, kūnui perduodamos šilumos kiekis padidina potencialią molekulinės sąveikos energiją, o kristalinė gardelė sunaikinama.
Procesas kristalizacija yra atvirkštinis lydymosi procesas. Kristalizacijos metu skystis virsta kietu kūnu ir išsiskiria šilumos kiekis, kuris taip pat nustatomas pagal (1.5) formulę.
Garavimas yra skysčio pavertimo garais procesas. Garavimas vyksta nuo atviro skysčio paviršiaus. Garavimo procese iš skysčio išeina greičiausios molekulės, t.y. molekulės, kurios gali įveikti skysčio molekulių traukos jėgas. Dėl to, jei skystis yra termiškai izoliuotas, tada garavimo procese jis atvėsta.
Savitoji garavimo šiluma „L“ yra lygi šilumos kiekiui, kurio reikia „1“ kg skysčio paversti garais. Šilumos kiekis `Q_(sf "exp")`, kurio reikės, kad skystis, kurio masė "m" paverstų garų būseną, yra lygus
| „Q_(sf"sp") =L*m". | (1.6) |
Kondensatas yra procesas, kuris yra atvirkštinis garavimui. Kondensuodami garai virsta skysčiu. Taip išsiskiria šiluma. Šilumos kiekis, išsiskiriantis kondensuojantis garams, nustatomas pagal (1.6) formulę.
Virimas- procesas, kurio metu skysčio sočiųjų garų slėgis lygus atmosferos slėgiui, todėl garavimas vyksta ne tik nuo paviršiaus, bet ir visame tūryje (skystyje visada yra oro burbuliukų, verdant juose susidaro garų slėgis pasiekia atmosferos slėgį, o burbuliukai kyla aukštyn).
Balione esančių dujų vidinę energiją galite keisti ne tik dirbdami, bet ir kaitindami dujas (43 pav.). Jei stūmoklis yra fiksuotas, tada dujų tūris nepasikeis, tačiau padidės temperatūra, taigi ir vidinė energija.
Energijos perkėlimas iš vieno kūno į kitą neatliekant darbo vadinamas šilumos perdavimu arba šilumos perdavimu.
Energija, perduodama kūnui dėl šilumos perdavimo, vadinama šilumos kiekiu. Šilumos kiekis taip pat vadinamas energija, kurią kūnas išskiria šilumos perdavimo procese.
Šilumos perdavimo molekulinis vaizdas.Šilumos mainų metu ties riba tarp kūnų lėtai judančios šalto kūno molekulės sąveikauja su greičiau judančiomis karšto kūno molekulėmis. Dėl to kinetinės energijos
molekulės išsirikiuoja ir šalto kūno molekulių greičiai didėja, o karšto – mažėja.
Šilumos mainų metu energija nevirsta iš vienos formos į kitą: dalis karšto kūno vidinės energijos perduodama šaltam kūnui.
Šilumos kiekis ir šiluminė talpa. Iš VII klasės fizikos kurso žinoma, kad norint sušildyti kūną, kurio masė yra nuo temperatūros iki temperatūros, reikia jį informuoti apie šilumos kiekį
Kai kūnas vėsta, jo galutinė temperatūra yra žemesnė nei pradinė, o kūno išskiriamas šilumos kiekis yra neigiamas.
Koeficientas c formulėje (4.5) vadinamas savitoji šiluminė talpa. Savitoji šiluminė talpa – tai šilumos kiekis, kurį gauna arba išskiria 1 kg medžiagos, kai jos temperatūra pasikeičia 1 K.
Savitoji šiluminė talpa išreiškiama džauliais kilogramui padauginus kelvino. Skirtingiems kūnams reikia nevienodo energijos kiekio, kad temperatūra padidėtų I K. Taigi vandens ir vario savitoji šiluminė talpa
Specifinė šiluminė talpa priklauso ne tik nuo medžiagos savybių, bet ir nuo proceso, kurio metu vyksta šilumos perdavimas.Jei kaitinsite dujas esant pastoviam slėgiui, jos išsiplės ir dirbs. Norint pašildyti dujas 1 °C esant pastoviam slėgiui, joms reikės perduoti daugiau šilumos nei šildyti esant pastoviam tūriui.
Skysčiai ir kietosios medžiagos kaitinant šiek tiek plečiasi, o jų savitosios šiluminės talpos esant pastoviam tūriui ir pastoviam slėgiui mažai skiriasi.
Savitoji garavimo šiluma. Norint skystį paversti garais, į jį turi būti perduotas tam tikras šilumos kiekis. Skysčio temperatūra šios transformacijos metu nekinta. Skysčio pavertimas garais pastovioje temperatūroje nepadidėja molekulių kinetinė energija, bet kartu didėja jų potenciali energija. Juk vidutinis atstumas tarp dujų molekulių yra daug kartų didesnis nei tarp skysčių molekulių. Be to, padidėjus tūriui medžiagai pereinant iš skystos į dujinę būseną, reikia dirbti prieš išorinio slėgio jėgas.
Vadinamas šilumos kiekis, reikalingas pastovioje temperatūroje 1 kg skysčio paversti garais
specifinė garavimo šiluma. Ši vertė žymima raide ir išreiškiama džauliais kilogramui.
Savitoji vandens garavimo šiluma yra labai didelė: 100°C temperatūroje. Kitų skysčių (alkoholio, eterio, gyvsidabrio, žibalo ir kt.) savitoji garavimo šiluma yra 3-10 kartų mažesnė.
Norint skystą masę paversti garais, reikalingas šilumos kiekis, lygus:
Kai kondensuojasi garai, išsiskiria tiek pat šilumos:
Savitoji sintezės šiluma. Kai kristalinis kūnas ištirpsta, visa jam tiekiama šiluma eina molekulių potencialios energijos didinimui. Molekulių kinetinė energija nekinta, nes lydymas vyksta pastovioje temperatūroje.
Šilumos A kiekis, reikalingas 1 kg kristalinės medžiagos lydymosi temperatūroje paversti tokios pat temperatūros skysčiu, vadinamas specifine lydymosi šiluma.
1 kg medžiagos kristalizacijos metu išsiskiria lygiai tiek pat šilumos. Ledo lydymosi savitoji šiluma yra gana didelė:
Norint išlydyti kristalinį kūną su mase, reikalingas šilumos kiekis, lygus:
Kūno kristalizacijos metu išsiskiriančios šilumos kiekis yra lygus:
1. Kas vadinamas šilumos kiekiu? 2. Kas lemia specifinę medžiagų šiluminę talpą? 3. Kas vadinama specifine garavimo šiluma? 4. Kas vadinama specifine sintezės šiluma? 5. Kokiais atvejais perduotos šilumos kiekis yra neigiamas?
Kas greičiau įkaista ant viryklės – virdulys ar kibiras vandens? Atsakymas akivaizdus – virdulys. Tada antras klausimas yra kodėl?
Atsakymas ne mažiau akivaizdus – nes vandens masė virdulyje mažesnė. gerai. O dabar patys tikriausią fizinę patirtį galite atlikti namuose. Norėdami tai padaryti, jums reikės dviejų vienodų mažų puodų, vienodo kiekio vandens ir augalinio aliejaus, pavyzdžiui, po pusę litro, ir viryklės. Ant tos pačios ugnies uždėkite puodus su aliejumi ir vandeniu. O dabar tik žiūrėkite, kas greičiau įkais. Jei yra termometras skysčiams, galite jį naudoti, jei ne, galite tiesiog karts nuo karto pabandyti temperatūrą pirštu, tik būkite atsargūs, kad nesusidegintumėte. Bet kuriuo atveju greitai pamatysite, kad aliejus įkaista žymiai greičiau nei vanduo. Ir dar vienas klausimas, kurį taip pat galima įgyvendinti patirties pavidalu. Kas užverda greičiau – šiltas vanduo ar šaltas? Vėl viskas aišku – pirmasis finišuos šiltasis. Kodėl visi šie keisti klausimai ir eksperimentai? Norint nustatyti fizinį dydį, vadinamą "šilumos kiekiu".
Šilumos kiekis
Šilumos kiekis – tai energija, kurią organizmas praranda arba įgyja perduodant šilumą. Tai aišku iš pavadinimo. Vėsdamas kūnas praras tam tikrą šilumos kiekį, o kaitinamas – sugers. Ir atsakymai į mūsų klausimus mums parodė nuo ko priklauso šilumos kiekis? Pirma, kuo didesnė kūno masė, tuo didesnis šilumos kiekis turi būti išleistas, kad jo temperatūra pasikeistų vienu laipsniu. Antra, šilumos kiekis, reikalingas kūnui sušildyti, priklauso nuo medžiagos, iš kurios jis sudarytas, tai yra, nuo medžiagos rūšies. Ir trečia, mūsų skaičiavimams svarbus ir kūno temperatūros skirtumas prieš ir po šilumos perdavimo. Remdamiesi tuo, kas išdėstyta pirmiau, galime šilumos kiekį nustatykite pagal formulę:
Q=cm(t_2-t_1) ,
kur Q yra šilumos kiekis,
m - kūno svoris,
(t_2-t_1) – skirtumas tarp pradinės ir galutinės kūno temperatūros,
c - medžiagos savitoji šiluminė talpa, pateikiama atitinkamose lentelėse.
Naudodami šią formulę galite apskaičiuoti šilumos kiekį, kurio reikia bet kuriam kūnui sušildyti arba kurį šis kūnas išskirs vėsdamas.
Šilumos kiekis matuojamas džauliais (1 J), kaip ir bet kuri kita energijos rūšis. Tačiau ši vertė buvo įvesta ne taip seniai, o šilumos kiekį žmonės pradėjo matuoti daug anksčiau. Ir jie naudojo mūsų laikais plačiai naudojamą vienetą - kaloriją (1 cal). 1 kalorija – tai šilumos kiekis, reikalingas 1 gramo vandens temperatūrai pakelti 1 laipsniu Celsijaus. Vadovaudamiesi šiais duomenimis, mėgstantys skaičiuoti kalorijas valgomame maiste, įdomumo dėlei gali paskaičiuoti, kiek litrų vandens galima užvirti su energija, kurią jie suvartoja su maistu per dieną.