Кількість теплоти: поняття, розрахунки, застосування

Кількість теплоти: поняття, розрахунки, застосування

У фокусі уваги нашої статті - кількість теплоти. Ми розглянемо поняття внутрішньої енергії, яка трансформується при зміні цієї величини. А також покажемо деякі приклади застосування розрахунків у людській діяльності.

Теплота

З будь-яким словом рідної мови у кожної людини є свої асоціації. Вони визначаються особистим досвідом та ірраціональними почуттями. Що зазвичай видається при слові "теплота"? М 'яка ковдра, працююча батарея центрального опалення взимку, перше сонячне світло навесні, кіт. Або погляд матері, потішаюче слово друга, вчасно виявлена увага.

Фізики передбачають під цим абсолютно конкретний термін. І дуже важливий, особливо в деяких розділах цієї складної, але захоплюючої науки.

Термодинаміка

Розглядати кількість теплоти у відриві від найпростіших процесів, на які спирається закон збереження енергії, не варто - нічого не буде зрозуміло. Тому для початку нагадаємо їх читачам.

Термодинаміка розглядає будь-яку річ або об 'єкт як з' єднання дуже великої кількості елементарних частин - атомів, іонів, молекул. Її рівняння описують будь-яку зміну колективного стану системи як цілого і як частини цілого при зміні макропараметрів. Під останніми розуміються температура (позначається як Т), тиск (Р), концентрація компонентів (як правило, С).

Внутрішня енергія

Внутрішня енергія - досить складний термін, в сенсі якого варто розібратися перш, ніж говорити про кількість теплоти. Він позначає ту енергію, яка змінюється при збільшенні або зменшенні значення макропараметрів об 'єкта і не залежить від системи відліку. Є частиною загальної енергії. Збігається з нею в умовах, коли центр мас досліджуваної речі покоїться (тобто відсутня кінетична складова).

Коли людина відчуває, що певний об 'єкт (скажімо, велосипед) нагрівся або охолодився, це показує, що всі молекули і атоми, що становлять дану систему, зазнали зміни внутрішньої енергії. Однак незмінність температури не означає збереження цього показника.

Робота і теплота

Внутрішня енергія будь-якої термодинамічної системи може перетворюватися двома способами:

  • за допомогою здійснення над нею роботи;
  • при теплообміні з навколишнім середовищем.

Формула цього процесу виглядає так:

dU = Q-А, де U - внутрішня енергія, Q - теплота, А - робота.

Нехай читач не спокушається простотою виразу. Перестановка показує, що Q = dU + A, проте введення ентропії (S) призводить формулу до вигляду dQ = dSxT.

Оскільки в даному випадку рівняння приймає вигляд диференційного, то і перший вираз вимагає того ж виразу. Далі, залежно від сил, що діють в досліджуваному об 'єкті, і параметра, який обчислюється, виводиться необхідне співвідношення.

Візьмемо як приклад термодинамічної системи металеву кульку. Якщо на нього натиснути, підкинути вгору, впустити в глибоку криницю, то це означає зробити над ним роботу. Чисто зовні всі ці нешкідливі дії кульці ніякої шкоди не завдадуть, але внутрішня енергія його зміниться, хоч і дуже ненабагато.

Другий спосіб - це теплообмін. Тепер підходимо до головної мети цієї статті: опису того, що таке кількість теплоти. Це така зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи, яка відбувається при теплообміні (дивіться формулу вище). Воно вимірюється в джоулях або калоріях. Очевидно, що якщо кулька потримати над запальничкою, на сонці, або просто в теплій руці, то вона нагріється. А далі можна за зміною температури знайти кількість теплоти, яку йому було при цьому повідомлено.

Чому газ - найкращий приклад зміни внутрішньої енергії, і чому через це школярі не люблять фізику

Вище ми описували зміни термодинамічних параметрів металевої кульки. Вони без спеціальних приладів не дуже помітні, і читачеві залишається повірити на слово про процеси, що відбуваються з об 'єктом. Інша справа, якщо система - газ. Натисніть на нього - це буде видно, нагрійте - підніметься тиск, опустіть під землю - і це можна з легкістю зафіксувати. Тому в підручниках найчастіше в якості наочної термодинамічної системи беруть саме газ.

Але, на жаль, у сучасній освіті реальним дослідам приділяється не так багато уваги. Вчений, який пише методичний посібник, відмінно розуміє, про що йдеться. Йому здається, що на прикладі молекул газу всі термодинамічні параметри будуть потрібним чином продемонстровані. Але учню, який тільки відкриває для себе цей світ, нудно слухати про ідеальну колбу з теоретичним поршнем. Якби в школі існували справжні дослідницькі лабораторії і на роботу в них виділялися години, все було б по-іншому. Поки, на жаль, досліди тільки на папері. І, швидше за все, саме це стає причиною того, що люди вважають даний розділ фізики чимось чисто теоретичним, далеким від життя і непотрібним.

Приклад зміни термодинамічних параметрів

Тому ми вирішили як приклад навести вже згадуваний вище велосипед. Людина тисне на педалі - здійснює над ними роботу. Крім повідомлення всьому механізму крутячого моменту (завдяки якому велосипед і переміщується в просторі), змінюється внутрішня енергія матеріалів, з яких зроблені важелі. Велосипедист натискає на ручки, щоб повернути, - і знову здійснює роботу.

Внутрішня енергія зовнішнього покриття (пластику або металу) збільшується. Людина виїжджає на полянку під яскраве сонце - велосипед нагрівається, змінюється його кількість теплоти. Зупиняється відпочити в тіні старого дуба, і система охолоджується, втрачаючи калорії або джоулі. Збільшує швидкість - зростає обмін енергією. Однак розрахунок кількості теплоти у всіх цих випадках покаже дуже маленьку, непомітну величину. Тому і здається, що проявів термодинамічної фізики в реальному житті немає.

Застосування розрахунків щодо зміни кількості теплоти

Ймовірно, читач скаже, що все це досить пізнавально, але навіщо ж нас так мучать у школі цими формулами. А зараз ми наведемо приклади, в яких областях людської діяльності вони потрібні безпосередньо і як це стосується будь-кого в його повсякденності.

Для початку подивіться навколо себе і порахуйте: скільки предметів з металу вас оточують? Напевно більше десяти. Але перш ніж стати скріпкою, вагоном, кільцем або флешкою, будь-який метал проходить виплавку. Кожен комбінат, на якому переробляють, припустимо, залізну руду, повинен розуміти, скільки потрібно палива, щоб оптимізувати витрати. А розраховуючи це, необхідно знати тепломісткість металовмісної сировини і кількість теплоти, яку їй необхідно повідомити, щоб відбулися всі технологічні процеси. Оскільки енергія, що виділяється одиницею палива, розраховується в джоулях або калоріях, то формули потрібні безпосередньо.

Або інший приклад: у більшості супермаркетів є відділ із замороженими товарами - рибою, м 'ясом, фруктами. Там, де сировина з м 'яса тварин або морепродуктів перетворюється на напівфабрикат, повинні знати, скільки електрики вживатимуть холодильні і морозильні установки на тонну або одиницю готового продукту. Для цього слід розрахувати, яка кількість теплоти втрачає кілограм полуниці або кальмарів при охолодженні на один градус Цельсія. А в підсумку це покаже, скільки електрики витратить морозильник певної потужності.

Літаки, пароплави, потяги

Вище ми показали приклади щодо нерухомих, статичних предметів, яким повідомляють або у яких, навпаки, забирають певну кількість теплоти. Для об 'єктів, що в процесі роботи рухаються в умовах постійно мінливої температури, розрахунки кількості теплоти важливі з іншої причини.

Є таке поняття, як "" втома металу "". Включає воно в себе також і гранично допустимі навантаження при певній швидкості зміни температури. Уявіть, літак злітає з вологих тропіків у заморожені верхні шари атмосфери. Інженерам доводиться багато працювати, щоб він не розвалився через тріщини в металі, які з 'являються при перепаді температури. Вони шукають такий склад сплаву, який здатний витримати реальні навантаження і матиме великий запас міцності. А щоб не шукати наосліп, сподіваючись випадково натрапити на потрібну композицію, доводиться робити багато розрахунків, в тому числі і включають зміни кількості теплоти.