Ինչպես գիտեք, տարբեր մեխանիկական գործընթացների ժամանակ տեղի է ունենում մեխանիկական էներգիայի փոփոխություն Վմեհ. Մեխանիկական էներգիայի փոփոխության չափումը համակարգի վրա կիրառվող ուժերի աշխատանքն է.

\(~\Delta W_(meh) = A.\)

Ջերմափոխանակության ժամանակ տեղի է ունենում մարմնի ներքին էներգիայի փոփոխություն։ Ջերմափոխանակության ընթացքում ներքին էներգիայի փոփոխության չափն է ջերմության քանակը.

Ջերմության քանակությունըներքին էներգիայի փոփոխության չափանիշ է, որը մարմինը ստանում է (կամ տալիս է) ջերմության փոխանցման գործընթացում։

Այսպիսով, և՛ աշխատանքը, և՛ ջերմության քանակը բնութագրում է էներգիայի փոփոխությունը, բայց նույնական չեն էներգիային: Նրանք չեն բնութագրում ինքնին համակարգի վիճակը, այլ որոշում են էներգիայի փոխանցման գործընթացը մի ձևից մյուսը (մեկ մարմնից մյուսը), երբ վիճակը փոխվում է և էապես կախված է գործընթացի բնույթից:

Աշխատանքի և ջերմության քանակի հիմնական տարբերությունն այն է, որ աշխատանքը բնութագրում է համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխման գործընթացը, որն ուղեկցվում է էներգիայի փոխակերպմամբ մի տեսակից մյուսը (մեխանիկականից ներքին): Ջերմության քանակությունը բնութագրում է ներքին էներգիայի փոխանցման գործընթացը մի մարմնից մյուսը (ավելի տաքացածից ավելի քիչ տաքացած), չուղեկցվող էներգիայի փոխակերպումներով։

Փորձը ցույց է տալիս, որ զանգվածով մարմինը տաքացնելու համար պահանջվող ջերմության քանակությունը մջերմաստիճանը Տ 1-ից մինչև ջերմաստիճան Տ 2-ը հաշվարկվում է բանաձևով

\(~Q = սմ (T_2 - T_1) = սմ \Delta T, \qquad (1)\)

որտեղ գ - հատուկ ջերմություննյութեր;

\(~c = \frac(Q)(m (T_2 - T_1)).\)

Հատուկ ջերմության SI միավորը ջոուլն է մեկ կիլոգրամ-Քելվինի համար (J/(kg K)):

Հատուկ ջերմություն գԹվային առումով հավասար է ջերմության այն քանակին, որը պետք է հաղորդվի 1 կգ զանգվածով մարմնին, որպեսզի այն տաքացվի 1 Կ-ով։

Ջերմային հզորությունմարմինը Գ T-ն թվայինորեն հավասար է մարմնի ջերմաստիճանը 1 Կ-ով փոխելու համար պահանջվող ջերմության քանակին.

\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = սմ.\)

Մարմնի ջերմային հզորության SI միավորը Ջուլն է մեկ Կելվինի համար (J/K):

Հեղուկը մշտական ​​ջերմաստիճանում գոլորշու վերածելու համար անհրաժեշտ է ջերմության քանակը

\(~Q = Lm, \qquad (2)\)

որտեղ Լ - հատուկ ջերմությունգոլորշիացում. Երբ գոլորշին խտանում է, նույն քանակությամբ ջերմություն է արձակվում։

զանգվածով բյուրեղային մարմինը հալեցնելու համար մհալման կետում անհրաժեշտ է, որ մարմինը տեղեկացնի ջերմության քանակի մասին

\(~Q = \lambda m, \qquad (3)\)

որտեղ λ - միաձուլման հատուկ ջերմություն. Մարմնի բյուրեղացման ժամանակ նույնքան ջերմություն է արտազատվում։

Ջերմության քանակությունը, որն ազատվում է վառելիքի զանգվածի ամբողջական այրման ժամանակ մ,

\(~Q = qm, \qquad (4)\)

որտեղ ք- այրման հատուկ ջերմություն.

Գոլորշացման, հալման և այրման հատուկ ջերմությունների SI միավորը մեկ կիլոգրամի համար Ջոուլ է (Ջ/կգ):

գրականություն

Ակսենովիչ Լ.Ա. Ֆիզիկա ին ավագ դպրոց: Տեսություն. Առաջադրանքներ. Թեստեր՝ Պրոց. նպաստ տրամադրող հաստատությունների համար ընդհանուր. միջավայրեր, կրթություն / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Էդ. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 154-155:

« Ֆիզիկա - 10 դասարան»

Ի՞նչ գործընթացներում է տեղի ունենում նյութի ագրեգատային փոխակերպումը:
Ինչպես կարող ես փոխել ագրեգացման վիճակնյութեր?

Դուք կարող եք փոխել ցանկացած մարմնի ներքին էներգիան՝ աշխատանք կատարելով, տաքացնելով կամ հակառակը՝ սառեցնելով այն։
Այսպիսով, մետաղը դարբնելու ժամանակ աշխատանք է կատարվում և այն տաքացվում է, մինչդեռ միաժամանակ մետաղը կարելի է տաքացնել վառվող բոցի վրա։

Նաև, եթե մխոցը ամրացված է (նկ. 13.5), ապա տաքացնելիս գազի ծավալը չի ​​փոխվում և աշխատանք չի կատարվում։ Բայց գազի ջերմաստիճանը և, հետևաբար, նրա ներքին էներգիան մեծանում է:

Ներքին էներգիան կարող է աճել և նվազել, ուստի ջերմության քանակը կարող է լինել դրական կամ բացասական:

Առանց աշխատանք կատարելու էներգիան մի մարմնից մյուսը փոխանցելու գործընթացը կոչվում է ջերմափոխանակություն.

Ջերմափոխանակության ընթացքում ներքին էներգիայի փոփոխության քանակական չափումը կոչվում է ջերմության քանակը.

Ջերմության փոխանցման մոլեկուլային պատկեր.

Մարմինների միջև սահմանին ջերմափոխանակության ժամանակ սառը մարմնի դանդաղ շարժվող մոլեկուլները փոխազդում են տաք մարմնի արագ շարժվող մոլեկուլների հետ: Արդյունքում մոլեկուլների կինետիկ էներգիաները հավասարվում են, և սառը մարմնի մոլեկուլների արագությունը մեծանում է, իսկ տաք մարմնինը՝ նվազում։

Ջերմափոխանակության ընթացքում էներգիայի փոխակերպում չի կատարվում մի ձևից մյուսը, ավելի տաք մարմնի ներքին էներգիայի մի մասը փոխանցվում է ավելի քիչ տաքացած մարմնին:

Ջերմության և ջերմային հզորության քանակը:

Դուք արդեն գիտեք, որ m զանգված ունեցող մարմինը t 1 ջերմաստիճանից t 2 ջերմաստիճան տաքացնելու համար անհրաժեշտ է ջերմության քանակություն փոխանցել նրան.

Q \u003d սմ (t 2 - t 1) \u003d սմ Δt. (13.5)

Երբ մարմինը սառչում է, նրա վերջնական ջերմաստիճանը t 2 պարզվում է, որ պակաս է սկզբնական t 1 ջերմաստիճանից, և մարմնի կողմից արտանետվող ջերմության քանակը բացասական է:

(13.5) բանաձևում c գործակիցը կոչվում է հատուկ ջերմային հզորություննյութեր.

Հատուկ ջերմություն- սա մի արժեք է, որը թվայինորեն հավասար է ջերմության քանակին, որը ստանում կամ արձակում է 1 կգ զանգված ունեցող նյութը, երբ նրա ջերմաստիճանը փոխվում է 1 Կ-ով:

Գազերի հատուկ ջերմային հզորությունը կախված է ջերմության փոխանցման գործընթացից: Եթե ​​դուք տաքացնում եք գազը մշտական ​​ճնշման տակ, այն կընդլայնվի և կաշխատի: Մշտական ​​ճնշման տակ գազը 1 °C-ով տաքացնելու համար անհրաժեշտ է ավելի շատ ջերմություն փոխանցել, քան մշտական ​​ծավալով տաքացնելը, երբ գազը միայն տաքանում է:

Հեղուկները և պինդները տաքացնելիս մի փոքր ընդարձակվում են: Նրանց հատուկ ջերմային հզորությունները հաստատուն ծավալի և մշտական ​​ճնշման դեպքում քիչ են տարբերվում:

Գոլորշիացման հատուկ ջերմություն:

Եռման ընթացքում հեղուկը գոլորշու վերածելու համար անհրաժեշտ է որոշակի քանակությամբ ջերմություն փոխանցել դրան։ Հեղուկի ջերմաստիճանը չի փոխվում, երբ այն եռում է։ Հեղուկի գոլորշու վերածումը հաստատուն ջերմաստիճանում չի հանգեցնում մոլեկուլների կինետիկ էներգիայի ավելացման, այլ ուղեկցվում է դրանց փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիայի ավելացմամբ։ Ի վերջո, գազի մոլեկուլների միջև միջին հեռավորությունը շատ ավելի մեծ է, քան հեղուկի մոլեկուլների միջև:

Այն արժեքը, որը թվայինորեն հավասար է ջերմության քանակին, որն անհրաժեշտ է 1 կգ հեղուկը մշտական ​​ջերմաստիճանում գոլորշու վերածելու համար, կոչվում է. գոլորշիացման հատուկ ջերմություն.

Հեղուկի գոլորշիացման գործընթացը տեղի է ունենում ցանկացած ջերմաստիճանում, մինչդեռ ամենաարագ մոլեկուլները հեռանում են հեղուկից, և այն սառչում է գոլորշիացման ժամանակ: Գոլորշացման հատուկ ջերմությունը հավասար է գոլորշիացման հատուկ ջերմությանը:

Այս արժեքը նշվում է r տառով և արտահայտվում է ջոուլներով մեկ կիլոգրամով (J / կգ):

Ջրի գոլորշիացման տեսակարար ջերմությունը շատ բարձր է՝ r H20 = 2,256 10 6 Ջ/կգ 100 °C ջերմաստիճանում։ Այլ հեղուկներում, ինչպիսիք են ալկոհոլը, եթերը, սնդիկը, կերոսինը, գոլորշիացման հատուկ ջերմությունը 3-10 անգամ ավելի քիչ է, քան ջրի ջերմությունը:

M զանգվածով հեղուկը գոլորշու վերածելու համար անհրաժեշտ է ջերմության քանակություն, որը հավասար է.

Q p \u003d rm. (13.6)

Երբ գոլորշին խտանում է, նույն քանակությամբ ջերմություն է թողարկվում.

Q k \u003d -rm. (13.7)

Միաձուլման հատուկ ջերմություն:

Երբ բյուրեղային մարմինը հալվում է, նրան մատակարարվող ողջ ջերմությունը գնում է մոլեկուլների փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիան մեծացնելու համար: Մոլեկուլների կինետիկ էներգիան չի փոխվում, քանի որ հալումը տեղի է ունենում հաստատուն ջերմաստիճանում։

Արժեք, որը թվայինորեն հավասար է փոխակերպման համար պահանջվող ջերմության քանակին բյուրեղային նյութ 1 կգ քաշով հալման կետում հեղուկ է կոչվում միաձուլման հատուկ ջերմությունև նշանակվում են λ տառով։

1 կգ զանգված ունեցող նյութի բյուրեղացման ժամանակ արտազատվում է ճիշտ նույնքան ջերմություն, որքան ներծծվում է հալման ժամանակ։

Սառույցի հալման հատուկ ջերմությունը բավականին բարձր է՝ 3,34 10 5 Ջ/կգ։

«Եթե սառույցը չունենար միաձուլման բարձր ջերմություն, ապա գարնանը սառույցի ամբողջ զանգվածը պետք է հալվեր մի քանի րոպեում կամ վայրկյանում, քանի որ ջերմությունը օդից անընդհատ փոխանցվում է սառույցին: Սրա հետևանքները սարսափելի կլինեն. որովհետև նույնիսկ ներկա իրավիճակում մեծ ջրհեղեղներ և ջրի մեծ հեղեղներ են առաջանում սառույցի կամ ձյան մեծ զանգվածների հալվելուց»։ R. Black, XVIII դ

M զանգվածով բյուրեղային մարմինը հալեցնելու համար պահանջվում է ջերմության քանակություն, որը հավասար է.

Qpl \u003d λm. (13.8)

Մարմնի բյուրեղացման ընթացքում արձակված ջերմության քանակը հավասար է.

Q cr = -λm (13.9)

Ջերմային հաշվեկշռի հավասարումը.

Դիտարկենք ջերմափոխանակությունը համակարգում, որը բաղկացած է մի քանի մարմիններից, որոնք սկզբում ունեն տարբեր ջերմաստիճաններ, օրինակ՝ ջերմափոխանակությունը անոթի ջրի և ջրի մեջ իջեցված տաք երկաթե գնդակի միջև: Ըստ էներգիայի պահպանման օրենքի՝ մի մարմնի կողմից արտանետվող ջերմության քանակը թվայինորեն հավասար է մյուսի կողմից ստացված ջերմության քանակին։

Տրված ջերմության քանակը համարվում է բացասական, ստացված ջերմության քանակը՝ դրական։ Հետեւաբար, ջերմության ընդհանուր քանակությունը Q1 + Q2 = 0:

Եթե ​​ջերմափոխանակությունը տեղի է ունենում մեկուսացված համակարգում մի քանի մարմինների միջեւ, ապա

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

Կանչվում է հավասարումը (13.10): ջերմային հաշվեկշռի հավասարումը.

Այստեղ Q 1 Q 2 , Q 3 - մարմինների կողմից ստացված կամ տրվող ջերմության քանակը: Ջերմության այս քանակներն արտահայտվում են (13.5) կամ (13.6) - (13.9) բանաձևերով, եթե ջերմափոխանակման գործընթացում տեղի են ունենում նյութի տարբեր փուլային փոխակերպումներ (հալում, բյուրեղացում, գոլորշիացում, խտացում):

Ի՞նչն է ավելի արագ տաքանում վառարանի վրա՝ թեյնիկը, թե՞ դույլ ջուրը: Պատասխանն ակնհայտ է՝ թեյնիկ։ Հետո երկրորդ հարցն այն է, թե ինչու:

Պատասխանը ոչ պակաս ակնհայտ է, քանի որ թեյնիկում ջրի զանգվածն ավելի քիչ է։ Գերազանց։ Եվ հիմա դուք կարող եք ինքներդ կատարել ամենաիրական ֆիզիկական փորձը տանը: Դա անելու համար ձեզ հարկավոր է երկու միանման փոքր կաթսա, հավասար քանակությամբ ջուր և բուսական յուղ, օրինակ՝ յուրաքանչյուրը կես լիտր և մեկ վառարան։ Նույն կրակի վրա լցնում ենք ձեթի և ջրի կաթսաները։ Իսկ հիմա ուղղակի նայեք, թե ինչն ավելի արագ է տաքանալու։ Եթե ​​հեղուկների համար ջերմաչափ կա, կարող եք օգտագործել, եթե ոչ, պարզապես կարող եք ժամանակ առ ժամանակ մատով փորձել ջերմաստիճանը, միայն զգույշ եղեք, որ չվառվեք։ Ամեն դեպքում, շուտով կտեսնեք, որ նավթը զգալիորեն տաքանում է։ ավելի արագ, քան ջուրը. Եվ ևս մեկ հարց, որը կարող է իրականացվել նաև փորձի տեսքով. Ո՞րն է ավելի արագ եռում` տաք ջուրը, թե սառը: Կրկին ամեն ինչ ակնհայտ է՝ ջերմն առաջինը կավարտի։ Ինչո՞ւ այս տարօրինակ հարցերն ու փորձերը: Սահմանելու համար ֆիզիկական քանակություն, որը կոչվում է «ջերմության քանակ»։

Ջերմության քանակությունը

Ջերմության քանակն այն էներգիան է, որը մարմինը կորցնում կամ ստանում է ջերմության փոխանցման ժամանակ: Սա պարզ է անունից. Սառչելիս մարմինը որոշակի քանակությամբ ջերմություն կկորցնի, իսկ տաքանալիս կներծծվի։ Եվ մեր հարցերի պատասխանները մեզ ցույց տվեցին ինչից է կախված ջերմության քանակը.Նախ, որքան մեծ է մարմնի զանգվածը, այնքան մեծ է ջերմության քանակությունը, որը պետք է ծախսվի նրա ջերմաստիճանը մեկ աստիճանով փոխելու համար: Երկրորդ՝ մարմինը տաքացնելու համար անհրաժեշտ ջերմության քանակը կախված է այն նյութից, որից այն կազմված է, այսինքն՝ նյութի տեսակից։ Եվ երրորդ, մեր հաշվարկների համար կարևոր է նաև մարմնի ջերմաստիճանի տարբերությունը ջերմափոխանակությունից առաջ և հետո։ Ելնելով վերը նշվածից՝ մենք կարող ենք որոշեք ջերմության քանակը բանաձևով.

Q=սմ(t_2-t_1),

որտեղ Q-ը ջերմության քանակն է,
մ - մարմնի քաշը,
(t_2-t_1) - տարբերությունը սկզբնական և վերջնական մարմնի ջերմաստիճանների միջև,
գ - նյութի տեսակարար ջերմային հզորությունը հայտնաբերվում է համապատասխան աղյուսակներից:

Օգտագործելով այս բանաձևը, դուք կարող եք հաշվարկել ջերմության այն քանակությունը, որն անհրաժեշտ է ցանկացած մարմին տաքացնելու համար, կամ որը այս մարմինը կթողնի, երբ սառչում է:

Ջերմության քանակը չափվում է ջոուլներով (1 Ջ), ինչպես էներգիայի ցանկացած այլ ձև: Այնուամենայնիվ, այս արժեքը ներդրվել է ոչ այնքան վաղուց, և մարդիկ սկսել են չափել ջերմության քանակը շատ ավելի վաղ: Եվ նրանք օգտագործել են մի միավոր, որը լայնորեն կիրառվում է մեր ժամանակներում՝ կալորիա (1 կալ): 1 կալորիան ջերմության քանակն է, որն անհրաժեշտ է 1 գրամ ջրի ջերմաստիճանը 1 աստիճան Ցելսիուսով բարձրացնելու համար։ Առաջնորդվելով այս տվյալներով՝ իրենց ուտած սննդի մեջ կալորիաները հաշվելու սիրահարները կարող են, հանուն հետաքրքրության, հաշվարկել, թե քանի լիտր ջուր կարելի է եռացնել այն էներգիայով, որը նրանք սպառում են օրվա ընթացքում սննդի հետ:

Թերմոդինամիկական համակարգի ներքին էներգիան կարող է փոխվել երկու եղանակով.

1. հանձնվելով համակարգի աշխատանքը,
2. ջերմային փոխազդեցության միջոցով:

Ջերմության փոխանցումը մարմնին կապված չէ մարմնի վրա մակրոսկոպիկ աշխատանքի կատարման հետ։ Այս դեպքում ներքին էներգիայի փոփոխությունը պայմանավորված է նրանով, որ ավելի բարձր ջերմաստիճան ունեցող մարմնի առանձին մոլեկուլներ իսկապես աշխատում են ավելի ցածր ջերմաստիճան ունեցող մարմնի որոշ մոլեկուլների վրա: Այս դեպքում ջերմային փոխազդեցությունն իրականացվում է ջերմային հաղորդման շնորհիվ։ Էներգիայի փոխանցումը հնարավոր է նաև ճառագայթման օգնությամբ։ Մանրադիտակային պրոցեսների համակարգը (որը վերաբերում է ոչ թե ամբողջ մարմնին, այլ առանձին մոլեկուլներին) կոչվում է ջերմափոխանակություն։ Ջերմության փոխանցման արդյունքում մի մարմնից մյուսը փոխանցվող էներգիայի քանակը որոշվում է մի մարմնից մյուսը փոխանցվող ջերմության քանակով։

Սահմանում

ջերմությունկոչվում է էներգիա, որը ստանում է (կամ տրվում է) մարմնի կողմից շրջակա մարմինների (միջավայրի) հետ ջերմափոխանակության գործընթացում։ Ջերմությունը սովորաբար նշվում է Q տառով:

Սա թերմոդինամիկայի հիմնական մեծություններից մեկն է։ Ջերմությունը ներառված է թերմոդինամիկայի առաջին և երկրորդ օրենքների մաթեմատիկական արտահայտություններում։ Ասում են, որ ջերմությունը էներգիա է մոլեկուլային շարժման տեսքով:

Ջերմությունը կարող է փոխանցվել համակարգին (մարմինին), կամ այն ​​կարելի է վերցնել դրանից: Ենթադրվում է, որ եթե ջերմությունը փոխանցվում է համակարգին, ապա դա դրական է:

Ջերմության փոփոխությամբ ջերմության հաշվարկման բանաձևը

Ջերմության տարրական քանակությունը նշվում է որպես . Նկատի ունեցեք, որ ջերմության տարրը, որը համակարգը ստանում է (արձակում է) իր վիճակի փոքր փոփոխությամբ, լրիվ դիֆերենցիալ չէ: Սրա պատճառն այն է, որ ջերմությունը համակարգի վիճակի փոփոխման գործընթացի ֆունկցիա է։

Ջերմության տարրական քանակությունը, որը հաղորդում է համակարգին, և ջերմաստիճանը փոխվում է T-ից T + dT, հետևյալն է.

որտեղ C-ն մարմնի ջերմունակությունն է: Եթե ​​դիտարկվող մարմինը միատարր է, ապա ջերմության քանակի բանաձևը (1) կարող է ներկայացվել հետևյալ կերպ.

որտեղ է մարմնի հատուկ ջերմությունը, m-ը մարմնի զանգվածն է, մոլային ջերմունակությունը, – մոլային զանգվածնյութ, նյութի մոլերի թիվն է։

Եթե ​​մարմինը միատարր է, և ջերմային հզորությունը համարվում է ջերմաստիճանից անկախ, ապա ջերմության այն քանակությունը (), որը մարմինը ստանում է, երբ նրա ջերմաստիճանը մեծանում է մի արժեքով, կարող է հաշվարկվել հետևյալ կերպ.

որտեղ t 2, t 1 մարմնի ջերմաստիճանը տաքացումից առաջ և հետո: Խնդրում ենք նկատի ունենալ, որ հաշվարկներում տարբերությունը () գտնելիս ջերմաստիճանը կարող է փոխարինվել ինչպես Ցելսիուսի աստիճաններով, այնպես էլ կելվիններով:

Ֆազային անցումների ժամանակ ջերմության քանակի բանաձևը

Նյութի մի փուլից մյուսին անցումը ուղեկցվում է որոշակի քանակությամբ ջերմության կլանմամբ կամ արտազատմամբ, որը կոչվում է փուլային անցման ջերմություն։

Այսպիսով, պետությունից նյութի տարր փոխանցել ամուր մարմինհեղուկում նա պետք է տեղեկացվի ջերմության քանակի մասին () հավասար է.

որտեղ է միաձուլման հատուկ ջերմությունը, dm-ը մարմնի զանգվածի տարրն է: Այս դեպքում պետք է հաշվի առնել, որ մարմինը պետք է ունենա խնդրո առարկա նյութի հալման կետին հավասար ջերմաստիճան։ Բյուրեղացման ժամանակ ջերմություն է արտանետվում հավասար (4):

Հեղուկը գոլորշու վերածելու համար անհրաժեշտ ջերմության (գոլորշիացման ջերմության) քանակությունը կարելի է գտնել հետևյալ կերպ.

որտեղ r-ը գոլորշիացման հատուկ ջերմությունն է: Երբ գոլորշին խտանում է, ջերմությունն ազատվում է։ Գոլորշիացման ջերմությունը հավասար է նյութի հավասար զանգվածների խտացման ջերմությանը։

Ջերմության քանակությունը չափող միավորներ

SI համակարգում ջերմության քանակի չափման հիմնական միավորն է՝ [Q]=J

Ջերմության արտահամակարգային միավոր, որը հաճախ հանդիպում է տեխնիկական հաշվարկներում: [Q]=կալ (կալորիականություն): 1 կալ = 4,1868 Ջ.

Խնդիրների լուծման օրինակներ

Օրինակ

Զորավարժություններ.Ի՞նչ ծավալներով ջուր պետք է խառնել t=40C ջերմաստիճանում 200 լիտր ջուր ստանալու համար, եթե ջրի մեկ զանգվածի ջերմաստիճանը t 1 =10C, ջրի երկրորդ զանգվածը t 2 =60C.

Լուծում.Ջերմային հաշվեկշռի հավասարումը գրում ենք ձևով.

որտեղ Q=cmt - ջուրը խառնելուց հետո պատրաստված ջերմության քանակը; Q 1 \u003d սմ 1 տ 1 - t 1 ջերմաստիճանով և m 1 զանգվածով ջրի մի մասի ջերմության քանակը. Q 2 \u003d սմ 2 տ 2 - t 2 ջերմաստիճանով և m 2 զանգվածով ջրի մի մասի ջերմության քանակը:

Հավասարումը (1.1) ենթադրում է.

Երբ ջրի սառը (V 1) և տաք (V 2) մասերը միավորում ենք մեկ ծավալով (V), մենք կարող ենք ընդունել, որ.

Այսպիսով, մենք ստանում ենք հավասարումների համակարգ.

Լուծելով այն՝ մենք ստանում ենք.

Մեր հոդվածի ուշադրության կենտրոնում ջերմության քանակն է: Մենք կդիտարկենք ներքին էներգիայի հայեցակարգը, որը փոխակերպվում է, երբ այս արժեքը փոխվում է: Մենք նաև ցույց կտանք մարդկային գործունեության մեջ հաշվարկների կիրառման մի քանի օրինակ։

Ջերմություն

Ցանկացած բառով մայրենի լեզույուրաքանչյուր մարդ ունի իր ասոցիացիաները: Դրանք սահմանված են անձնական փորձև իռացիոնալ զգացմունքները: Ի՞նչ է սովորաբար ներկայացնում «ջերմություն» բառը: Փափուկ վերմակ, ձմռանը աշխատող կենտրոնական ջեռուցման մարտկոց, առաջինը արևի լույսգարուն, կատու. Կամ մոր հայացք, ընկերոջ մխիթարական խոսք, ժամանակին ուշադրություն։

Ֆիզիկոսները սրանով նկատի ունեն շատ կոնկրետ տերմին: Եվ շատ կարևոր, հատկապես այս բարդ, բայց հետաքրքրաշարժ գիտության որոշ հատվածներում:

Թերմոդինամիկա

Չարժե հաշվի առնել ջերմության քանակությունը ամենապարզ գործընթացներից, որոնց վրա հիմնված է էներգիայի պահպանման օրենքը, ոչինչ պարզ չի լինի: Ուստի, սկզբից, հիշեցնում ենք մեր ընթերցողներին.

Թերմոդինամիկան ցանկացած իր կամ առարկա դիտարկում է որպես շատ մեծ թվով տարրական մասերի՝ ատոմների, իոնների, մոլեկուլների համակցություն։ Դրա հավասարումները նկարագրում են համակարգի կոլեկտիվ վիճակի ցանկացած փոփոխություն որպես ամբողջություն և որպես ամբողջի մաս մակրո պարամետրերը փոխելու ժամանակ: Վերջիններս հասկացվում են որպես ջերմաստիճան (նշվում է որպես T), ճնշում (P), բաղադրիչների կոնցենտրացիան (սովորաբար C):

Ներքին էներգիա

Ներքին էներգիան բավականին բարդ տերմին է, որի իմաստը պետք է հասկանալ նախքան ջերմության քանակի մասին խոսելը։ Այն նշանակում է էներգիա, որը փոխվում է օբյեկտի մակրո պարամետրերի արժեքի աճով կամ նվազումով և կախված չէ հղման համակարգից: Դա ընդհանուր էներգիայի մի մասն է: Դրա հետ համընկնում է այն պայմաններում, երբ ուսումնասիրվող առարկայի զանգվածի կենտրոնը գտնվում է հանգստի վիճակում (այսինքն՝ կինետիկ բաղադրիչ չկա)։

Երբ մարդը զգում է, որ ինչ-որ առարկա (ասենք՝ հեծանիվ) տաքացել կամ սառել է, դա ցույց է տալիս, որ այս համակարգը կազմող բոլոր մոլեկուլներն ու ատոմները զգացել են ներքին էներգիայի փոփոխություն։ Այնուամենայնիվ, ջերմաստիճանի կայունությունը չի նշանակում այս ցուցանիշի պահպանում:

Աշխատանք և ջերմություն

Ցանկացած թերմոդինամիկական համակարգի ներքին էներգիան կարող է փոխակերպվել երկու եղանակով.

• դրա վրա աշխատանք կատարելով;
• շրջակա միջավայրի հետ ջերմափոխանակության ժամանակ.

Այս գործընթացի բանաձևը հետևյալն է.

dU=Q-A, որտեղ U-ն ներքին էներգիան է, Q-ն ջերմություն է, A-ն աշխատանք է:

Թող ընթերցողին չխաբի արտահայտության պարզությունը։ Փոխարկումը ցույց է տալիս, որ Q=dU+A, բայց էնտրոպիայի (S) ներդրումը բանաձևը բերում է dQ=dSxT ձևի։

Քանի որ այս դեպքում հավասարումը ստանում է դիֆերենցիալ հավասարման ձև, առաջին արտահայտությունը նույնն է պահանջում։ Հետագայում, կախված ուսումնասիրվող օբյեկտում ազդող ուժերից և հաշվարկվող պարամետրից, ստացվում է անհրաժեշտ հարաբերակցությունը:

Որպես թերմոդինամիկ համակարգի օրինակ, վերցնենք մետաղյա գնդակը: Եթե ​​դուք ճնշում եք դրա վրա, նետում եք այն, գցում այն ​​խորը ջրհորի մեջ, ապա դա նշանակում է աշխատանք կատարել դրա վրա: Արտաքնապես այս բոլոր անվնաս գործողությունները ոչ մի վնաս չեն պատճառի գնդակին, բայց նրա ներքին էներգիան կփոխվի, թեկուզ շատ աննշան։

Երկրորդ ճանապարհը ջերմության փոխանցումն է: Հիմա մենք գալիս ենք հիմնական նպատակըայս հոդվածի նկարագրությունը, թե որքան է ջերմության քանակը: Սա ջերմադինամիկ համակարգի ներքին էներգիայի այնպիսի փոփոխություն է, որը տեղի է ունենում ջերմության փոխանցման ժամանակ (տե՛ս վերը նշված բանաձևը): Այն չափվում է ջոուլներով կամ կալորիաներով: Ակնհայտ է, որ եթե գնդակը պահում են կրակայրիչի վրա, արևի տակ կամ պարզապես տաք ձեռքում, այն կտաքանա: Եվ հետո, փոխելով ջերմաստիճանը, կարող եք գտնել ջերմության այն քանակությունը, որը նրան փոխանցվել է միաժամանակ։

Ինչու գազը ներքին էներգիայի փոփոխության լավագույն օրինակն է, և ինչու ուսանողները դրա պատճառով չեն սիրում ֆիզիկան

Վերևում մենք նկարագրեցինք մետաղական գնդակի թերմոդինամիկական պարամետրերի փոփոխությունները: Առանց հատուկ սարքերի դրանք այնքան էլ նկատելի չեն, և ընթերցողին մնում է խոսել օբյեկտի հետ տեղի ունեցող գործընթացների մասին: Ուրիշ բան, եթե համակարգը գազ է։ Սեղմեք դրա վրա - այն տեսանելի կլինի, տաքացրեք այն - ճնշումը կբարձրանա, իջեցրեք այն գետնի տակ - և դա հեշտությամբ կարելի է շտկել: Ուստի դասագրքերում հենց գազն է առավել հաճախ ընդունվում որպես տեսողական թերմոդինամիկ համակարգ։

Բայց, ավաղ, ներս ժամանակակից կրթությունիրական փորձերին մեծ ուշադրություն չի դարձվում։ գիտնական, ով գրում է ԳործիքակազմՆա հիանալի հասկանում է, թե ինչ է վտանգված: Նրան թվում է, որ գազի մոլեկուլների օրինակով բոլոր թերմոդինամիկական պարամետրերը համարժեք կերպով կցուցադրվեն։ Բայց ուսանողի համար, ով նոր է բացահայտում այս աշխարհը, ձանձրալի է լսել տեսական մխոցով իդեալական կոլբայի մասին: Եթե ​​դպրոցն ունենար իրական գիտահետազոտական ​​լաբորատորիաներ և դրանցում աշխատելու համար հատկացված ժամեր, ամեն ինչ այլ կերպ կլիներ։ Առայժմ, ցավոք, փորձերը միայն թղթի վրա են։ Եվ, ամենայն հավանականությամբ, հենց դա է ստիպում մարդկանց ֆիզիկայի այս ճյուղը դիտարկել որպես զուտ տեսական, կյանքից հեռու և անհարկի մի բան:

Ուստի մենք որոշեցինք որպես օրինակ բերել արդեն վերը նշված հեծանիվը։ Մարդը սեղմում է ոտնակները - աշխատում է դրանց վրա: Ի լրումն ամբողջ մեխանիզմի ոլորող մոմենտ փոխանցելուն (որի շնորհիվ հեծանիվը տեղաշարժվում է տարածության մեջ), փոխվում է այն նյութերի ներքին էներգիան, որոնցից ստեղծվում են լծակները։ Հեծանվորդը հրում է բռնակները, որպեսզի շրջվի, և նորից կատարում է աշխատանքը:

Արտաքին ծածկույթի (պլաստիկ կամ մետաղական) ներքին էներգիան ավելանում է: Մարդը գնում է բաց արևի տակ՝ հեծանիվը տաքանում է, նրա ջերմության քանակը փոխվում է։ Դադարում է հանգստանալ ծեր կաղնու ստվերում, և համակարգը սառչում է՝ վատնելով կալորիաներ կամ ջոուլներ: Բարձրացնում է արագությունը - մեծացնում է էներգիայի փոխանակումը: Սակայն այս բոլոր դեպքերում ջերմության քանակի հաշվարկը ցույց կտա շատ փոքր, աննկատելի արժեք։ Հետևաբար, թվում է, թե թերմոդինամիկական ֆիզիկայի դրսևորումները մ իրական կյանքոչ

Ջերմության քանակի փոփոխության համար հաշվարկների կիրառում

Հավանաբար, ընթերցողը կասի, որ այս ամենը շատ ինֆորմատիվ է, բայց ինչու՞ ենք մեզ այդքան տանջում դպրոցում այս բանաձեւերով։ Եվ հիմա մենք օրինակներ կտանք, թե մարդկային գործունեության որ ոլորտներում են դրանք ուղղակիորեն անհրաժեշտ և ինչպես է դա վերաբերում որևէ մեկին իր առօրյա կյանքում:

Սկզբից նայեք ձեր շուրջը և հաշվեք՝ քանի՞ մետաղական առարկա է շրջապատված ձեզ: Հավանաբար տասից ավելին։ Բայց մինչ թղթի սեղմիչ, վագոն, օղակ կամ ֆլեշ կրիչ դառնալը, ցանկացած մետաղ ձուլվում է։ Յուրաքանչյուր գործարան, որը վերամշակում է, ասենք, երկաթի հանքաքարը, պետք է հասկանա, թե որքան վառելիք է պահանջվում ծախսերը օպտիմալացնելու համար: Եվ սա հաշվարկելիս անհրաժեշտ է իմանալ մետաղ պարունակող հումքի ջերմունակությունը և ջերմության քանակը, որը պետք է փոխանցվի նրան, որպեսզի տեղի ունենան բոլոր տեխնոլոգիական գործընթացները։ Քանի որ վառելիքի միավորի կողմից թողարկված էներգիան հաշվարկվում է ջոուլներով կամ կալորիաներով, բանաձևերը ուղղակիորեն անհրաժեշտ են:

Կամ մեկ այլ օրինակ՝ սուպերմարկետների մեծ մասում կա սառեցված ապրանքների բաժին՝ ձուկ, միս, մրգեր։ Այն դեպքում, երբ կենդանական մսից կամ ծովամթերքից հումքը վերածվում է կիսաֆաբրիկատի, նրանք պետք է իմանան, թե որքան էլեկտրաէներգիա կօգտագործեն սառնարանային և սառեցման ագրեգատները մեկ տոննայի կամ պատրաստի արտադրանքի միավորի համար: Դա անելու համար դուք պետք է հաշվարկեք, թե մեկ կիլոգրամ ելակ կամ կաղամար որքան ջերմություն է կորցնում մեկ աստիճան Ցելսիուսով սառչելիս: Եվ վերջում սա ցույց կտա, թե ինչքան էլեկտրաէներգիա կծախսի որոշակի հզորության սառցախցիկը։

Ինքնաթիռներ, նավեր, գնացքներ

Վերևում մենք ցույց ենք տվել համեմատաբար անշարժ, ստատիկ առարկաների օրինակներ, որոնք տեղեկացված են կամ, ընդհակառակը, որոշակի քանակությամբ ջերմություն են խլվում դրանցից։ Մշտապես փոփոխվող ջերմաստիճանի պայմաններում շահագործման գործընթացում շարժվող օբյեկտների համար ջերմության քանակի հաշվարկները կարևոր են մեկ այլ պատճառով.

Գոյություն ունի «մետաղական հոգնածություն» հասկացություն։ Այն ներառում է նաև առավելագույն թույլատրելի բեռներ ջերմաստիճանի փոփոխության որոշակի արագությամբ: Պատկերացրեք օդանավը, որը օդ է բարձրանում խոնավ արեւադարձային տարածքներից դեպի սառած մթնոլորտի վերին հատվածը: Ինժեներները պետք է շատ աշխատեն, որպեսզի այն չփլվի մետաղի ճաքերի պատճառով, որոնք առաջանում են ջերմաստիճանի փոփոխության ժամանակ։ Նրանք փնտրում են խառնուրդի բաղադրություն, որը կարող է դիմակայել իրական բեռներին և կունենա անվտանգության մեծ մարժա: Եվ որպեսզի կուրորեն չփնտրեք՝ հուսալով պատահաբար սայթաքել ցանկալի կազմի վրա, դուք պետք է շատ հաշվարկներ կատարեք, այդ թվում՝ ջերմության քանակի փոփոխություն: