A melegítés során a szervezet által elnyelt hőmennyiség. A hőmennyiség

« Fizika – 10. évfolyam

Milyen folyamatokban megy végbe az anyag aggregált átalakulása?
Hogyan változtatható meg az anyag állapota?

Bármely test belső energiáját megváltoztathatja munkavégzéssel, fűtéssel vagy éppen ellenkezőleg, hűtéssel.
Így a fém kovácsolásakor munkavégzés és felmelegítés történik, miközben a fémet égő lángon lehet hevíteni.

Továbbá, ha a dugattyú rögzített (13.5. ábra), akkor a gáz térfogata nem változik melegítéskor, és nem történik munka. De a gáz hőmérséklete, és ezáltal belső energiája nő.

A belső energia növekedhet és csökkenhet, így a hőmennyiség lehet pozitív vagy negatív.

Az energia egyik testből a másikba munkavégzés nélkül történő átvitelének folyamatát nevezzük hőcsere.

a változás mennyiségi mértéke belső energia hőátadásban az ún hőmennyiség.

A hőátadás molekuláris képe.

A testek határfelületén zajló hőcsere során a hideg test lassan mozgó molekulái kölcsönhatásba lépnek a forró testek gyorsan mozgó molekuláival. Ennek eredményeként a molekulák kinetikai energiái kiegyenlítődnek, és a hideg test molekuláinak sebessége nő, míg a forró testé csökken.

A hőcsere során az energia egyik formából a másikba nem alakul át, a forróbb test belső energiájának egy része átkerül egy kevésbé melegített testbe.

A hőmennyiség és a hőkapacitás.

Már tudja, hogy egy m tömegű test t 1 hőmérsékletről t 2 hőmérsékletre való felmelegítéséhez hőmennyiséget kell átadni neki:

Q \u003d cm (t 2 - t 1) \u003d cm Δt. (13,5)

Amikor a test lehűl, a végső hőmérséklete t 2 kisebbnek bizonyul, mint a kezdeti hőmérséklet t 1, és a test által leadott hőmennyiség negatív.

A (13.5) képlet c együtthatóját nevezzük fajlagos hőkapacitás anyagokat.

Fajlagos hő- ez az érték számszerűen megegyezik azzal a hőmennyiséggel, amelyet egy 1 kg tömegű anyag kap vagy ad le, ha hőmérséklete 1 K-vel változik.

A gázok fajlagos hőkapacitása a hőátadás folyamatától függ. Ha egy gázt állandó nyomáson melegít, az kitágul és működik. Ahhoz, hogy egy gázt állandó nyomáson 1 °C-kal melegítsünk, át kell szállítani nagy mennyiség hőt, mint az állandó térfogatú melegítésnél, amikor a gáz csak felmelegszik.

A folyadékok és a szilárd anyagok melegítéskor kissé kitágulnak. Fajlagos hőkapacitásuk állandó térfogaton és állandó nyomáson alig különbözik.

Fajlagos párolgási hő.

Ahhoz, hogy egy folyadékot gőzzé alakítsunk a forrási folyamat során, bizonyos mennyiségű hőt kell átadni rá. A folyadék hőmérséklete nem változik, amikor forr. A folyadék gőzzé alakulása állandó hőmérsékleten nem vezet a molekulák kinetikus energiájának növekedéséhez, hanem kölcsönhatásuk potenciális energiájának növekedésével jár. Végül is a gázmolekulák közötti átlagos távolság sokkal nagyobb, mint a folyadékmolekulák között.

Az 1 kg folyadék állandó hőmérsékletű gőzzé alakításához szükséges hőmennyiséggel számszerűen megegyező értéket ún. fajlagos párolgási hő.

A folyadékpárolgás folyamata bármely hőmérsékleten végbemegy, miközben a leggyorsabb molekulák elhagyják a folyadékot, és a párolgás során lehűl. A párolgási fajhő megegyezik a fajlagos párolgási hővel.

Ezt az értéket r betűvel jelöljük, és joule per kilogrammban (J / kg) fejezzük ki.

A víz fajpárolgási hője nagyon magas: r H20 = 2,256 10 6 J/kg 100 °C hőmérsékleten. Más folyadékokban, például alkoholban, éterben, higanyban, kerozinban a párolgási hő 3-10-szer kisebb, mint a vízé.

Az m tömegű folyadék gőzzé alakításához annyi hőre van szükség, mint:

Q p \u003d rm. (13,6)

A gőz lecsapódásakor ugyanannyi hő szabadul fel:

Q k \u003d -rm. (13,7)

Fajlagos olvadási hő.

Amikor egy kristályos test megolvad, a hozzá szállított összes hő a molekulák kölcsönhatásának potenciális energiáját növeli. A molekulák kinetikus energiája nem változik, mivel az olvadás állandó hőmérsékleten megy végbe.

Az olvadásponton 1 kg tömegű kristályos anyag folyadékká alakításához szükséges hőmennyiséggel számszerűen megegyező értéket ún. fajlagos olvadási hőés λ betűvel jelöljük.

Egy 1 kg tömegű anyag kristályosodása során pontosan ugyanannyi hő szabadul fel, mint amennyi az olvadáskor felszívódik.

A jég olvadáshője meglehetősen magas: 3,34 10 5 J/kg.

„Ha a jégnek nem lenne nagy olvadási hője, akkor tavasszal a jég teljes tömegének néhány perc vagy másodperc alatt el kellene olvadnia, mivel a levegőből folyamatosan hőátadják a jégnek. Ennek szörnyű következményei lennének; mert még a jelenlegi helyzetben is nagy árvizek és nagy vízözönek keletkeznek a nagy jég- vagy hótömegek olvadásából." R. Fekete, 18. század

Egy m tömegű kristálytest megolvasztásához annyi hőre van szükség, mint:

Qpl \u003d λm. (13,8)

A test kristályosodása során felszabaduló hőmennyiség egyenlő:

Q cr = -λm (13,9)

Hőmérleg egyenlete.

Tekintsük a hőcserét egy több, kezdetben eltérő hőmérsékletű testből álló rendszeren belül, például egy edényben lévő víz és egy vízbe engedett forró vasgolyó közötti hőcsere. Az energiamegmaradás törvénye szerint az egyik test által leadott hőmennyiség számszerűen megegyezik a másik test által leadott hőmennyiséggel.

Az adott hőmennyiség negatívnak, a kapott hőmennyiség pozitívnak minősül. Ezért a Q1 + Q2 teljes hőmennyiség = 0.

Ha egy elszigetelt rendszerben több test között hőcsere történik, akkor

Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)

A (13.10) egyenletet nevezzük hőmérleg egyenlet.

Itt Q 1 Q 2, Q 3 - a testek által kapott vagy leadott hő mennyisége. Ezeket a hőmennyiségeket a (13.5) vagy a (13.6) - (13.9) képletekkel fejezzük ki, ha a hőátadás során az anyag különböző fázisú átalakulásai (olvadás, kristályosodás, párolgás, kondenzáció) következnek be.

Ebben a leckében megtanuljuk, hogyan kell kiszámítani a test felmelegítéséhez vagy lehűlésekor leadott hőmennyiséget. Ehhez összefoglaljuk az előző leckéken szerzett ismereteket.

Ezen kívül megtanuljuk, hogyan lehet a hőmennyiség képletével kifejezni ebből a képletből a fennmaradó mennyiségeket, és más mennyiségek ismeretében kiszámolni azokat. A hőmennyiség kiszámítására szolgáló megoldással kapcsolatos probléma példáját is figyelembe kell venni.

Ez a lecke annak a hőmennyiségnek a kiszámításával foglalkozik, amikor a test felmelegszik, vagy hűtéskor felszabadul belőle.

Számítási képesség szükséges mennyiséget a melegség nagyon fontos. Erre például akkor lehet szükség, ha kiszámítják azt a hőmennyiséget, amelyet a helyiség fűtéséhez a víznek át kell adni.

Rizs. 1. Az a hőmennyiség, amelyet jelenteni kell a víznek a helyiség fűtéséhez

Vagy a különböző motorokban az üzemanyag elégetésekor felszabaduló hőmennyiség kiszámításához:

Rizs. 2. Az a hőmennyiség, amely felszabadul, amikor az üzemanyag eléget a motorban

Ezekre az ismeretekre szükség van például a Nap által kibocsátott és a Földet érő hőmennyiség meghatározásához is:

Rizs. 3. A Nap által kibocsátott és a Földre eső hőmennyiség

A hőmennyiség kiszámításához három dolgot kell tudnod (4. ábra):

• testsúly (ami általában mérleggel mérhető);
• a hőmérséklet-különbség, amellyel a testet fel kell melegíteni vagy le kell hűteni (általában hőmérővel mérik);
• a test fajlagos hőkapacitása (mely a táblázatból határozható meg).

Rizs. 4. Mit kell tudni a meghatározásához

A hőmennyiség kiszámításának képlete a következő:

Ez a képlet a következő mennyiségeket tartalmazza:

A hőmennyiség joule-ban (J) mérve;

Fajlagos hő anyagok, mérve;

- hőmérséklet-különbség, Celsius-fokban mérve ().

Tekintsük a hőmennyiség kiszámításának problémáját.

Feladat

Egy gramm tömegű rézüveg egy liter térfogatú vizet tartalmaz, hőmérsékleten. Mennyi hőt kell átadni egy pohár víznek, hogy a hőmérséklete egyenlő legyen ?

Rizs. 5. A probléma állapotának szemléltetése

Először írunk rövid állapotú (Adott), és konvertálja át az összes mennyiséget a nemzetközi rendszerbe (SI).

Adott:	SI
Megtalálni:

Döntés:

Először is határozzuk meg, milyen más mennyiségekre van szükségünk a probléma megoldásához. A fajlagos hőkapacitás táblázata szerint (1. táblázat) azt találjuk (a réz fajhőkapacitása, mivel feltétel szerint az üveg réz), (a víz fajhőkapacitása, mivel feltétel szerint víz van az üvegben). Ráadásul tudjuk, hogy a hőmennyiség kiszámításához víztömegre van szükségünk. Feltétel szerint csak a kötetet adjuk meg. Ezért a víz sűrűségét a táblázatból vesszük: (2. táblázat).

Tab. 1. Egyes anyagok fajlagos hőkapacitása,

Tab. 2. Egyes folyadékok sűrűsége

Most már minden megvan, ami a probléma megoldásához szükséges.

Vegye figyelembe, hogy a teljes hőmennyiség a rézüveg felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség és a benne lévő víz felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség összegéből áll:

Először kiszámítjuk a rézüveg melegítéséhez szükséges hőmennyiséget:

A víz melegítéséhez szükséges hőmennyiség kiszámítása előtt kiszámítjuk a víz tömegét a 7. osztályból ismert képlettel:

Most kiszámolhatjuk:

Akkor kiszámolhatjuk:

Emlékezzen vissza, mit jelent: kilojoule. A „kilo” előtag azt jelenti .

Válasz:.

A hőmennyiség (úgynevezett közvetlen problémák) és az ehhez a fogalomhoz kapcsolódó mennyiségek meghatározásával kapcsolatos problémák megoldásának kényelme érdekében az alábbi táblázatot használhatja.

Kívánt érték	Kijelölés	Egységek	Alapképlet	A mennyiség képlete
A hőmennyiség

A palackban lévő gáz belső energiáját nemcsak munkavégzéssel, hanem a gáz melegítésével is megváltoztathatja (43. ábra). Ha a dugattyú rögzítve van, akkor a gáz térfogata nem változik, de a hőmérséklet, és ezáltal a belső energia nő.

Azt a folyamatot, amelynek során az egyik testből a másikba energiát viszünk át munka nélkül, hőátadásnak vagy hőátadásnak nevezzük.

A hőátadás eredményeként a szervezetbe átadott energiát hőmennyiségnek nevezzük. A hőmennyiséget energiának is nevezik, amelyet a test a hőátadás során lead.

A hőátadás molekuláris képe. A testek közötti határvonalon zajló hőcsere során a hideg test lassan mozgó molekulái kölcsönhatásba lépnek a forró test gyorsabban mozgó molekuláival. Ennek eredményeként a kinetikus energiák

A molekulák egymáshoz igazodnak, és a hideg test molekuláinak sebessége nő, a melegeké csökken.

A hőcsere során nem történik energia átalakulás egyik formából a másikba: a forró test belső energiájának egy része átkerül a hideg testbe.

A hőmennyiség és a hőkapacitás. A VII. osztályú fizika kurzusból ismert, hogy egy tömegű test hőmérsékletről hőmérsékletre való felmelegítéséhez tájékoztatni kell a hőmennyiségről.

Amikor a test lehűl, végső hőmérséklete alacsonyabb, mint a kezdeti, és a test által leadott hőmennyiség negatív.

A (4.5) képlet c együtthatóját nevezzük fajlagos hő. A fajlagos hőkapacitás az a hőmennyiség, amelyet 1 kg anyag kap vagy ad le, ha hőmérséklete 1 K-val változik.

A fajlagos hőkapacitást joule per kilogramm-szor kelvinben fejezzük ki. Különböző testek egyenlőtlen mennyiségű energiát igényelnek a hőmérséklet I K-val történő emeléséhez. Így a víz és a réz fajlagos hőkapacitása

A fajlagos hőkapacitás nem csak az anyag tulajdonságaitól függ, hanem attól is, hogy milyen folyamatban megy végbe a hőátadás Ha egy gázt állandó nyomáson hevítünk, az kitágul és működik. Ahhoz, hogy egy gázt állandó nyomáson 1 °C-kal melegítsünk, több hőt kell átadnia, mint állandó térfogaton.

folyékony és szilárd testek hevítés hatására kissé kitágulnak, és fajlagos hőkapacitásuk állandó térfogaton és állandó nyomáson alig tér el.

Fajlagos párolgási hő. A folyadék gőzzé alakításához bizonyos mennyiségű hőt kell átadni rá. A folyadék hőmérséklete az átalakulás során nem változik. A folyadék gőzzé alakulása állandó hőmérsékleten nem vezet a molekulák kinetikus energiájának növekedéséhez, hanem potenciális energiájuk növekedésével jár. Végül is a gázmolekulák közötti átlagos távolság sokszorosa a folyadékmolekulák közötti átlagos távolságnak. Ezenkívül a térfogat növekedése az anyag átmenete során folyékony halmazállapot gázhalmazállapotba kerülése a külső nyomás erőivel szembeni munkát igényel.

Azt a hőmennyiséget, amely 1 kg folyadék gőzzé alakításához szükséges állandó hőmérsékleten, ún

fajlagos párolgási hő. Ezt az értéket betűvel jelöljük, és joule per kilogrammban fejezzük ki.

A víz fajpárolgási hője nagyon magas: 100°C hőmérsékleten. Más folyadékoknál (alkohol, éter, higany, kerozin stb.) a párolgási fajhő 3-10-szer kisebb.

A folyékony tömeg gőzzé alakításához annyi hő szükséges, mint:

A gőz lecsapódásakor ugyanannyi hő szabadul fel:

Fajlagos olvadási hő. Amikor egy kristályos test megolvad, a hozzá szállított összes hő a molekulák potenciális energiájának növelésére megy el. A molekulák kinetikus energiája nem változik, mivel az olvadás állandó hőmérsékleten megy végbe.

Azt az A hőmennyiséget, amely 1 kg olvadásponti kristályos anyag azonos hőmérsékletű folyadékká történő átalakításához szükséges, fajlagos olvadási hőnek nevezzük.

1 kg anyag kristályosodása során pontosan ugyanannyi hő szabadul fel. A jég fajlagos olvadási hője meglehetősen magas:

Egy tömegű kristályos test megolvasztásához annyi hőre van szükség, mint:

A test kristályosodása során felszabaduló hőmennyiség egyenlő:

1. Mit nevezünk hőmennyiségnek? 2. Mi határozza meg az anyagok fajlagos hőkapacitását? 3. Mit nevezünk párolgási fajhőnek? 4. Mit nevezünk fajlagos olvadási hőnek? 5. Milyen esetekben negatív az átadott hő mennyisége?

Az energia egyik testből a másikba munkavégzés nélkül történő átvitelének folyamatát nevezzük hőcsere vagy hőátadás. Hőátadás történik olyan testek között, amelyek rendelkeznek eltérő hőmérséklet. Különböző hőmérsékletű testek közötti érintkezés esetén a belső energia egy része a magasabb hőmérsékletű testről az alacsonyabb hőmérsékletű testre kerül át. A hőátadás eredményeként a szervezetbe átadott energiát ún hőmennyiség.

Egy anyag fajlagos hőkapacitása:

Ha a hőátadási folyamatot nem kíséri munka, akkor a termodinamika első főtétele alapján a hőmennyiség megegyezik a test belső energiájának változásával: .

A molekulák véletlenszerű transzlációs mozgásának átlagos energiája arányos az abszolút hőmérséklettel. Egy test belső energiájának változása egyenlő az összes atom vagy molekula energiaváltozásának algebrai összegével, amelyek száma arányos a test tömegével, így a belső energia változása, és ebből következően a hőmennyiség arányos a tömeg- és hőmérsékletváltozással:

Az arányossági tényezőt ebben az egyenletben ún egy anyag fajlagos hőkapacitása. A fajlagos hőkapacitás azt jelzi, hogy mennyi hőre van szükség 1 kg anyag hőmérsékletének 1 K-val történő emeléséhez.

Termodinamikai munka:

A mechanikában a munka az erő és az elmozdulás moduljainak és a közöttük lévő szög koszinuszának szorzata. A munka akkor történik, amikor egy erő hat egy mozgó testre, és egyenlő a mozgási energiájának változásával.

A termodinamikában a test egészének mozgását nem vesszük figyelembe, a makroszkopikus test részeinek egymáshoz viszonyított mozgásáról beszélünk. Ennek eredményeként a test térfogata megváltozik, és sebessége nulla marad. A termodinamikában a munkát ugyanúgy definiálják, mint a mechanikában, de ez nem a test mozgási energiájának, hanem belső energiájának változásával egyenlő.

Munkavégzéskor (sűrítés vagy tágulás) a gáz belső energiája megváltozik. Ennek oka a következő: a gázmolekulák mozgó dugattyúval való rugalmas ütközése során mozgási energiájuk megváltozik.

Számítsuk ki a gáz tágulási munkáját! A gáz erővel hat a dugattyúra
, ahol a gáz nyomása, és - felszíni terület dugattyú. Ahogy a gáz tágul, a dugattyú az erő irányába mozog rövid távolságra
. Ha a távolság kicsi, akkor a gáznyomás állandónak tekinthető. A gáz működése a következő:

Ahol
- gázmennyiség változása.

A gáz kitágítása során pozitív munkát végez, mivel az erő és az elmozdulás iránya egybeesik. A tágulás során a gáz energiát ad le a környező testeknek.

A külső testek által a gázon végzett munka csak előjelben különbözik a gáz munkájától
, mert az erő a gázra ható erő ellentétes , amellyel a gáz a dugattyúra hat, és abszolút értékben egyenlő vele (Newton harmadik törvénye); és a mozgás ugyanaz marad. Ezért a külső erők munkája egyenlő:

.

A termodinamika első főtétele:

A termodinamika első törvénye az energiamegmaradás törvénye, kiterjesztve a hőjelenségekre. Az energiamegmaradás törvénye: az energia a természetben nem keletkezik a semmiből és nem tűnik el: az energia mennyisége változatlan, csak egyik formából a másikba változik.

A termodinamikában olyan testeket veszünk figyelembe, amelyek súlypontjának helyzete gyakorlatilag nem változik. Az ilyen testek mechanikai energiája állandó marad, és csak a belső energia változhat.

A belső energia kétféleképpen változtatható: hőátadás és munka. Általános esetben a belső energia mind a hőátadás, mind a munkavégzés következtében változik. A termodinamika első főtétele pontosan ilyen általános esetekre van megfogalmazva:

A rendszer belső energiájának változása az egyik állapotból a másikba való átmenet során egyenlő a külső erők munkájának és a rendszernek átadott hőmennyiség összegével:

Ha a rendszer le van szigetelve, akkor nem történik rajta munka, és nem cserél hőt a környező testekkel. A termodinamika első főtétele szerint egy elszigetelt rendszer belső energiája változatlan marad.

Tekintettel arra
, a termodinamika első főtétele a következőképpen írható fel:

A rendszernek átadott hőmennyiség a belső energiájának megváltoztatására és a külső testeken végzett munkákra megy el.

A termodinamika második főtétele: lehetetlen a hőt hidegebb rendszerből melegebbbe átvinni, ha nincs más egyidejű változás mindkét rendszerben vagy a környező testekben.

Mi melegszik fel gyorsabban a tűzhelyen - egy vízforraló vagy egy vödör víz? A válasz nyilvánvaló - egy vízforraló. Akkor a második kérdés az, hogy miért?

A válasz nem kevésbé nyilvánvaló - mert a vízforralóban kisebb a víz tömege. Bírság. Most valódivá teheti a sajátját fizikai tapasztalat otthon. Ehhez két egyforma kis serpenyőre, azonos mennyiségű vízre és növényi olaj, például fél liter és egy tűzhely. Ugyanarra a tűzre tegyen egy edényt olajjal és vízzel. És most figyeld, mi fog gyorsabban felmelegedni. Ha van folyadékok hőmérője, akkor használhatja, ha nincs, akkor csak időnként próbálja ki az ujjával a hőmérsékletet, csak vigyázzon, nehogy megégesse magát. Mindenesetre hamarosan látni fogja, hogy az olaj lényegesen gyorsabban melegszik fel, mint a víz. És még egy kérdés, ami tapasztalat formájában is megvalósítható. Mi fog gyorsabban felforrni - meleg víz vagy hideg? Ismét minden nyilvánvaló – a meleg lesz az első, aki befejezi. Miért ezek a furcsa kérdések és kísérletek? Annak érdekében, hogy meghatározzuk fizikai mennyiség, az úgynevezett "hőmennyiség".

A hőmennyiség

A hőmennyiség az az energia, amelyet a test a hőátadás során elveszít vagy nyer. Ez egyértelmű a névből. Lehűléskor a test bizonyos mennyiségű hőt veszít, felmelegítve pedig elnyeli. A kérdéseinkre adott válaszok pedig megmutatták nekünk mitől függ a hőmennyiség? Először is, minél nagyobb a test tömege, annál nagyobb hőmennyiséget kell felhasználni a hőmérséklet egy fokkal történő megváltoztatásához. Másodszor, a test felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség attól függ, hogy milyen anyagból áll, vagyis az anyag fajtájától. Harmadszor pedig a testhőmérséklet hőátadás előtti és utáni különbsége is fontos számításainkhoz. A fentiek alapján megtehetjük határozza meg a hőmennyiséget a következő képlettel:

ahol Q a hőmennyiség,
m - testtömeg,
(t_2-t_1) - a kezdeti és a végső testhőmérséklet közötti különbség,
c - az anyag fajlagos hőkapacitása, megtalálható a vonatkozó táblázatokból.

Ezzel a képlettel kiszámíthatja azt a hőmennyiséget, amely bármely test felmelegítéséhez szükséges, vagy amelyet ez a test hűtésekor felszabadít.

A hőmennyiséget joule-ban (1 J) mérik, mint minden más energiafajtát. Ezt az értéket azonban nem olyan régen vezették be, és az emberek sokkal korábban kezdték el mérni a hőmennyiséget. És egy olyan egységet használtak, amelyet korunkban széles körben használnak - egy kalóriát (1 cal). 1 kalória az a hőmennyiség, amely ahhoz szükséges, hogy 1 gramm víz hőmérsékletét 1 Celsius-fokkal megemelje. Ezektől az adatoktól vezérelve az elfogyasztott ételekben lévő kalóriák számolásának szerelmesei az érdeklődés kedvéért kiszámolhatják, hány liter vizet lehet felforralni azzal az energiával, amelyet a nap folyamán az étellel fogyasztanak.