Kas greičiau įkais ant viryklės – virdulys ar kibiras vandens? Atsakymas akivaizdus – arbatinukas. Tada antras klausimas yra kodėl?

Atsakymas ne mažiau akivaizdus – nes vandens masė virdulyje mažesnė. Puiku. Ir dabar jūs galite tai padaryti patys fizinė patirtis namie. Norėdami tai padaryti, jums reikės dviejų vienodų mažų puodų, vienoda suma vanduo ir augalinis aliejus, pavyzdžiui, pusė litro ir viryklė. Puodus su aliejumi ir vandeniu pastatykite ant tos pačios ugnies. Dabar tiesiog žiūrėkite, kas greičiau įkais. Jei turite termometrą skysčiams, galite jį naudoti, jei ne, galite tiesiog karts nuo karto patikrinti temperatūrą pirštu, tik būkite atsargūs, kad nenudegtumėte. Bet kuriuo atveju netrukus pamatysite, kad aliejus gerokai įkaista greičiau nei vanduo. Ir dar vienas klausimas, kurį taip pat galima įgyvendinti patirties pavidalu. Kas greičiau užvirs – šiltas vanduo ar šaltas? Vėl viskas akivaizdu – šiltasis finiše bus pirmas. Kodėl visi šie keisti klausimai ir eksperimentai? Norėdami nustatyti fizikinį dydį, vadinamą „šilumos kiekiu“.

Šilumos kiekis

Šilumos kiekis yra energija, kurią kūnas praranda arba įgyja perduodant šilumą. Tai aišku iš pavadinimo. Vėsdamas kūnas šiek tiek praras šilumos kiekis, o kaitinant – sugerti. Ir atsakymai į mūsų klausimus mums parodė Nuo ko priklauso šilumos kiekis? Pirma, kuo daugiau kūno masė, tie didelis kiekis reikia išleisti šilumą, kad jos temperatūra pasikeistų vienu laipsniu. Antra, šilumos kiekis, reikalingas kūnui sušildyti, priklauso nuo medžiagos, iš kurios jis susideda, tai yra, nuo medžiagos tipo. Ir trečia, mūsų skaičiavimams svarbus ir kūno temperatūros skirtumas prieš ir po šilumos perdavimo. Remdamiesi tuo, kas išdėstyta pirmiau, galime nustatykite šilumos kiekį pagal formulę:

Q=cm(t_2-t_1) ,

kur Q yra šilumos kiekis,
m - kūno svoris,
(t_2-t_1) – skirtumas tarp pradinio ir galutinio kūno temperatūros,
c yra medžiagos savitoji šiluminė talpa, nustatyta 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 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 gramui vandens pašildyti 1 laipsniu Celsijaus. Vadovaudamiesi šiais duomenimis mėgstantys skaičiuoti suvalgomo maisto kalorijas, savo malonumui gali paskaičiuoti, kiek litrų vandens galima užvirti su per dieną su maistu suvartojama energija.

Termodinaminės sistemos vidinę energiją galima keisti dviem būdais:

1. daryti per sistemos darbas,
2. naudojant šiluminę sąveiką.

Šilumos perdavimas kūnui nėra susijęs su makroskopiniu kūno darbu. IN tokiu atveju pakeisti vidinė energija sukelia tai, kad atskiros kūno molekulės su aukštesnė temperatūra dirbti su kai kuriomis žemesnės temperatūros kūno molekulėmis. Šiuo atveju šiluminė sąveika realizuojama dėl šilumos laidumo. Energijos perdavimas galimas ir naudojant spinduliuotę. Mikroskopinių procesų (susijusių ne su visu kūnu, o su atskiromis molekulėmis) sistema vadinama šilumos perdavimu. Energijos kiekį, kuris perduodamas iš vieno kūno į kitą dėl šilumos perdavimo, lemia šilumos kiekis, perduodamas iš vieno kūno į kitą.

Apibrėžimas

Šiluma yra energija, kurią kūnas gauna (arba atsisako) šilumos mainų su aplinkiniais kūnais (aplinka) procese. Šilumos simbolis paprastai yra raidė Q.

Tai vienas pagrindinių termodinamikos dydžių. Šiluma įtraukta į pirmojo ir antrojo termodinamikos dėsnių matematines išraiškas. Sakoma, kad šiluma yra molekulinio judėjimo forma.

Šiluma gali būti perduodama sistemai (kūnui), arba gali būti paimta iš jos. Manoma, kad jei šiluma perduodama į sistemą, tai yra teigiama.

Formulė šilumos apskaičiavimui kintant temperatūrai

Pažymime elementarų šilumos kiekį kaip . Pastebėkime, kad šilumos elementas, kurį sistema gauna (duoda) su nedideliu savo būsenos pasikeitimu, nėra visiškas skirtumas. Taip yra dėl to, kad šiluma yra sistemos būklės keitimo proceso funkcija.

Elementarus šilumos kiekis, kuris perduodamas sistemai ir temperatūra keičiasi nuo T iki T+dT, yra lygus:

kur C yra kūno šiluminė talpa. Jei atitinkamas kūnas yra vienalytis, tada šilumos kiekio formulė (1) gali būti pavaizduota taip:

kur yra savitoji kūno šiluminė talpa, m yra kūno masė, yra molinė šiluminė talpa, yra molinė medžiagos masė, yra medžiagos molių skaičius.

Jei kūnas yra vienalytis, o šiluminė talpa laikoma nepriklausoma nuo temperatūros, tada šilumos kiekį (), kurį organizmas gauna, kai jo temperatūra pakyla, galima apskaičiuoti taip:

kur t 2, t 1 kūno temperatūra prieš ir po kaitinimo. Atkreipkite dėmesį, kad apskaičiuojant skirtumą () galima pakeisti temperatūras tiek Celsijaus laipsniais, tiek kelvinais.

Formulė šilumos kiekiui fazių virsmų metu

Medžiagos perėjimą iš vienos fazės į kitą lydi tam tikro šilumos kiekio absorbcija arba išsiskyrimas, kuris vadinamas fazinio virsmo šiluma.

Taigi, perkelti materijos elementą iš būsenos kietasį skystį jis turi skleisti šilumos kiekį (), lygų:

kur yra savitoji sintezės šiluma, dm yra kūno masės elementas. Reikėtų atsižvelgti į tai, kad kūno temperatūra turi būti lygi atitinkamos medžiagos lydymosi temperatūrai. Kristalizacijos metu išsiskiria šiluma, lygi (4).

Šilumos kiekį (garavimo šilumą), reikalingą skysčiui paversti garais, galima rasti taip:

kur r yra savitoji garavimo šiluma. Kai garai kondensuojasi, išsiskiria šiluma. Garavimo šiluma lygi vienodų medžiagų masių kondensacijos šilumai.

Šilumos kiekio matavimo vienetai

Pagrindinis šilumos kiekio matavimo vienetas SI sistemoje yra: [Q]=J

Papildomas sistemos šilumos vienetas, kuris dažnai randamas techniniuose skaičiavimuose. [Q] = kalorijos (kalorijos). 1 cal = 4,1868 J.

Problemų sprendimo pavyzdžiai

Pavyzdys

Pratimas. Kokius vandens tūrius reikia sumaišyti, kad gautume 200 litrų vandens, kurio temperatūra t = 40C, jei vienos masės vandens temperatūra t 1 = 10 C, antros masės vandens temperatūra t 2 = 60 C ?

Sprendimas. Parašykime lygtį šilumos balansas kaip:

čia Q=cmt – šilumos kiekis, paruoštas sumaišius vandenį; Q 1 = cm 1 t 1 - vandens dalies, kurios temperatūra t 1 ir masė m 1, šilumos kiekis; Q 2 = cm 2 t 2 - vandens dalies, kurios temperatūra t 2 ir masė m 2, šilumos kiekis.

Iš (1.1) lygties išplaukia:

Sujungdami šaltą (V 1) ir karštą (V 2) vandens dalis į vieną tūrį (V), galime daryti prielaidą, kad:

Taigi, gauname lygčių sistemą:

Išsprendę gauname:

Kas greičiau įkais ant viryklės – virdulys ar kibiras vandens? Atsakymas akivaizdus – arbatinukas. Tada antras klausimas yra kodėl?

Atsakymas ne mažiau akivaizdus – nes vandens masė virdulyje mažesnė. Puiku. Ir dabar jūs galite patys atlikti tikrą fizinę patirtį namuose. Norėdami tai padaryti, jums reikės dviejų vienodų mažų puodų, vienodo kiekio vandens ir augalinio aliejaus, pavyzdžiui, po pusę litro, ir viryklės. Puodus su aliejumi ir vandeniu pastatykite ant tos pačios ugnies. Dabar tiesiog žiūrėkite, kas greičiau įkais. Jei turite termometrą skysčiams, galite jį naudoti, jei ne, galite tiesiog karts nuo karto patikrinti temperatūrą pirštu, tik būkite atsargūs, kad nenudegtumėte. Bet kuriuo atveju netrukus pamatysite, kad aliejus įkaista daug greičiau nei vanduo. Ir dar vienas klausimas, kurį taip pat galima įgyvendinti patirties pavidalu. Kas greičiau užvirs – šiltas vanduo ar šaltas? Vėl viskas akivaizdu – šiltasis finiše bus pirmas. Kodėl visi šie keisti klausimai ir eksperimentai? Norėdami nustatyti fizikinį dydį, vadinamą „šilumos kiekiu“.

Šilumos kiekis

Šilumos kiekis yra energija, kurią kūnas praranda arba įgyja perduodant šilumą. Tai aišku iš pavadinimo. Vėsdamas kūnas praras tam tikrą šilumos kiekį, o kaitindamas – sugers. Ir atsakymai į mūsų klausimus mums parodė Nuo ko priklauso šilumos kiekis? Pirma, nei daugiau masės kūno, tuo daugiau šilumos reikia išleisti, kad jo temperatūra pasikeistų vienu laipsniu. Antra, šilumos kiekis, reikalingas kūnui sušildyti, priklauso nuo medžiagos, iš kurios jis susideda, tai yra, nuo medžiagos tipo. Ir trečia, mūsų skaičiavimams svarbus ir kūno temperatūros skirtumas prieš ir po šilumos perdavimo. Remdamiesi tuo, kas išdėstyta pirmiau, galime nustatykite šilumos kiekį pagal formulę:

kur Q yra šilumos kiekis,
m - kūno svoris,
(t_2-t_1) – skirtumas tarp pradinės ir galutinės kūno temperatūros,
c yra medžiagos savitoji šiluminė talpa, nustatyta 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 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 gramui vandens pašildyti 1 laipsniu Celsijaus. Vadovaudamiesi šiais duomenimis mėgstantys skaičiuoti suvalgomo maisto kalorijas, savo malonumui gali paskaičiuoti, kiek litrų vandens galima užvirti su per dieną su maistu suvartojama energija.

Kaip žinoma, įvairių mechaninių procesų metu vyksta mechaninės energijos pokytis W meh. Mechaninės energijos kitimo matas yra sistemai veikiančių jėgų darbas:

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

Šilumos mainų metu pasikeičia kūno vidinė energija. Šilumos perdavimo metu vidinės energijos kitimo matas yra šilumos kiekis.

Šilumos kiekis yra vidinės energijos, kurią kūnas gauna (arba atsisako) šilumos mainų proceso metu, pokyčio matas.

Taigi ir darbas, ir šilumos kiekis charakterizuoja energijos kitimą, bet nėra tapatūs energijai. Jie neapibūdina pačios sistemos būsenos, o nustato energijos perėjimo iš vieno tipo į kitą (iš vieno kūno į kitą) procesą, kai būsena keičiasi ir reikšmingai priklauso nuo proceso pobūdžio.

Pagrindinis skirtumas tarp darbo ir šilumos kiekio yra tas, kad darbas apibūdina sistemos vidinės energijos keitimo procesą, lydimą energijos transformacijos iš vienos rūšies į kitą (iš mechaninės į vidinę). Šilumos kiekis apibūdina vidinės energijos perdavimo iš vieno kūno į kitą procesą (nuo labiau įkaitinto iki mažiau šildomo), nelydimą energijos virsmų.

Patirtis rodo, kad šilumos kiekis, reikalingas kūno masei sušildyti m ant temperatūros T 1 iki temperatūros T 2, apskaičiuotas pagal formulę

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

Kur c- specifinė medžiagos šiluminė talpa;

\(~c = \frac(Q)(m (T_2 – T_1)).\)

Savitosios šiluminės talpos SI vienetas yra džaulis kilogramui kelvino (J/(kg K)).

Specifinė šiluma c skaičiais yra lygus šilumos kiekiui, kuris turi būti perduotas 1 kg sveriančiam kūnui, kad jis įkaistų 1 K.

Šilumos talpa kūnas C T yra skaičiai lygus šilumos kiekiui, kurio reikia norint pakeisti kūno temperatūrą 1 K:

\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = cm.\)

Kūno šiluminės talpos SI vienetas yra džaulis kelvinui (J/K).

Norint paversti skystį pastovios temperatūros garais, būtina išleisti tam tikrą šilumos kiekį

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

Kur L- specifinė garavimo šiluma. Kondensuojantis garams išsiskiria tiek pat šilumos.

Tam, kad ištirptų kristalinio kūno svėrimas m lydymosi taške kūnas turi pranešti apie šilumos kiekį

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

Kur λ - specifinė lydymosi šiluma. Kai kūnas kristalizuojasi, išsiskiria tiek pat šilumos.

Šilumos kiekis, išsiskiriantis visiškai sudegus kuro masei m,

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

Kur q- savitoji degimo šiluma.

Specifinės garavimo, lydymosi ir degimo šilumos SI vienetas yra džaulis kilogramui (J/kg).

Literatūra

Aksenovičius L. A. Fizika in vidurinė mokykla: teorija. Užduotys. Testai: Vadovėlis. pašalpa bendrojo lavinimo įstaigoms. aplinka, švietimas / L. A. Aksenovičius, N. N. Rakina, K. S. Farino; Red. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 154-155.

Šioje pamokoje išmoksime apskaičiuoti šilumos kiekį, reikalingą kūnui sušildyti arba jo išskiriamą aušinant. Norėdami tai padaryti, apibendrinsime žinias, kurios buvo įgytos ankstesnėse pamokose.

Be to, išmoksime, naudodamiesi šilumos kiekio formule, iš šios formulės išreikšti likusius dydžius ir juos apskaičiuoti, žinodami kitus dydžius. Taip pat bus svarstomas problemos pavyzdys su šilumos kiekio skaičiavimo sprendimu.

Ši pamoka skirta apskaičiuoti šilumos kiekį, kai kūnas įkaista arba išleidžiamas vėsus.

Galimybė apskaičiuoti reikiamą šilumos kiekį yra labai svarbi. To gali prireikti, pavyzdžiui, skaičiuojant šilumos kiekį, kurį reikia perduoti vandeniui patalpai šildyti.

Ryžiai. 1. Šilumos kiekis, kuris turi būti perduotas vandeniui, kad šildytų kambarį

Arba apskaičiuoti šilumos kiekį, kuris išsiskiria deginant degalus įvairiuose varikliuose:

Ryžiai. 2. Šilumos kiekis, išsiskiriantis deginant degalus variklyje

Šios žinios taip pat reikalingos, pavyzdžiui, norint nustatyti šilumos kiekį, kurį išskiria Saulė ir patenka į Žemę:

Ryžiai. 3. Šilumos kiekis, kurį išskiria Saulė ir patenka į Žemę

Norint apskaičiuoti šilumos kiekį, reikia žinoti tris dalykus (4 pav.):

• kūno svoris (kuris paprastai gali būti išmatuotas naudojant svarstykles);
• temperatūros skirtumas, iki kurio kūnas turi būti šildomas arba vėsinamas (paprastai matuojamas termometru);
• savitoji kūno šiluminė talpa (kurią galima nustatyti iš lentelės).

Ryžiai. 4. Ką reikia žinoti norint nustatyti

Formulė, pagal kurią apskaičiuojamas šilumos kiekis, atrodo taip:

Šioje formulėje pateikiami šie dydžiai:

Šilumos kiekis, išmatuotas džauliais (J);

Medžiagos savitoji šiluminė talpa matuojama ;

- temperatūros skirtumas, matuojamas Celsijaus laipsniais ().

Panagrinėkime šilumos kiekio apskaičiavimo problemą.

Užduotis

Variniame stikle, kurio masė gramai, yra litro tūrio vandens temperatūroje. Kiek šilumos turi būti perduota stiklinei vandens, kad jos temperatūra taptų lygi ?

Ryžiai. 5. Probleminių sąlygų iliustracija

Pirmiausia užsirašykime trumpos būklės (Duota) ir konvertuoti visus kiekius į tarptautinę sistemą (SI).

Duota:	SI
Rasti:

Sprendimas:

Pirmiausia nustatykite, kokių kitų dydžių mums reikia šiai problemai išspręsti. Naudodamiesi savitosios šiluminės talpos lentele (1 lentelė) randame (vario savitoji šiluminė talpa, nes pagal sąlygą stiklas yra varis), (vandens savitoji šiluminė talpa, nes pagal sąlygą stikle yra vandens). Be to, žinome, kad šilumos kiekiui apskaičiuoti reikia vandens masės. Pagal sąlygą mums suteikiamas tik tūris. Todėl iš lentelės paimame vandens tankį: (2 lentelė).

Lentelė 1. Kai kurių medžiagų savitoji šiluminė talpa,

Lentelė 2. Kai kurių skysčių tankiai

Dabar turime viską, ko reikia šiai problemai išspręsti.

Atkreipkite dėmesį, kad galutinį šilumos kiekį sudarys šilumos kiekio, reikalingo variniam stiklui pašildyti, ir šilumos kiekio, reikalingo jame esančiam vandeniui pašildyti, sumos:

Pirmiausia apskaičiuokime šilumos kiekį, reikalingą variniam stiklui pašildyti:

Prieš apskaičiuodami šilumos kiekį, reikalingą vandeniui pašildyti, apskaičiuokime vandens masę pagal mums žinomą nuo 7 klasės formulę:

Dabar galime apskaičiuoti:

Tada galime apskaičiuoti:

Prisiminkime, ką reiškia kilodžauliai. Priešdėlis „kilo“ reiškia .

Atsakymas:.

Kad būtų patogiau išspręsti šilumos kiekio (vadinamosios tiesioginės problemos) ir kiekių, susijusių su šia koncepcija, problemas, galite naudoti šią lentelę.

Reikalingas kiekis	Paskyrimas	Vienetai	Pagrindinė formulė	Kiekio formulė
Šilumos kiekis