Količina toplote: koncept, izračuni, uporaba

Poudarek našega članka je količina toplote. Upoštevamo koncept notranje energije, ki se spreminja s spremembo te vrednosti. Prikazali bomo tudi nekaj primerov uporabe izračunov v človeški dejavnosti.

Toplota

Z vsako besedo maternega jezika ima vsaka oseba svoje asociacije. Določajo jih osebne izkušnje in iracionalna čustva. Kaj ponavadi predstavlja beseda »toplota«? Mehka odeja, zimska baterija za centralno ogrevanje, prva spomladanska sončna svetloba, mačka. Ali videz matere, tolažilna beseda prijatelja, pozornost, ki se kaže v času.

Fiziki mislijo s tem dokaj specifičnim izrazom. In zelo pomembno, še posebej v nekaterih delih te kompleksne, a fascinantne znanosti.

Termodinamika

Upoštevajte količino toplote, ki je ločena od najpreprostejših procesov, ki so odvisni ohranjanje energije ni vredno - nič ne bo jasno. Zato naj začnemo spomniti njihove bralce.

Termodinamika obravnava vsako stvar ali predmet kot spojino zelo velikega števila osnovnih delov - atomov, ionov, molekul. Njene enačbe opisujejo vsako spremembo v kolektivnem stanju sistema kot celote in kot del celote, ko se spremenijo makroparametri. Pod slednjim se nanaša temperatura (označena kot T), tlak (P), koncentracija komponent (običajno C).

Notranja energija

Notranja energija - precej zapleten izraz, v smislu katerega je vredno razvrstiti pred pogovorom o količini toplote. Označuje energijo, ki se spreminja z naraščajočo ali padajočo vrednostjo makroparametrov objekta in ni odvisna od referenčnega sistema. Je del celotne energije. Ujema se, ko središče mase predmet, ki ga proučujemo, je v mirovanju (to pomeni, da ni kinetične komponente).

Ko oseba meni, da je določen predmet (npr. Kolo) postal vroč ali hladen, to kaže, da so vse molekule in atomi, ki sestavljajo ta sistem, doživeli spremembo notranje energije. Vendar nespremenjena temperatura ne pomeni ohranitve tega indikatorja.

Delo in toplina

Notranja energija vsaka termodinamični sistem lahko pretvorite na dva načina:

• z delom na njem;
• med izmenjavo toplote z okoljem.

Formula za ta postopek je:

dU = QA, kjer je U notranja energija, Q je toplota in A delo.

Naj bralec ne bo zapeljan s preprostostjo izražanja. Permutacija kaže, da je Q = dU + A, toda uvedba entropije (S) vodi formulo v obliko dQ = dSxT.

Ker je v tem primeru enačba v obliki diferencialne, prvi izraz zahteva tudi isto. Nadalje je odvisno od sil, ki delujejo v predmetu, ki ga proučujemo, in parametra, ki se izračuna, izpeljano potrebno razmerje.

Vzemite kovinsko kroglo kot primer termodinamičnega sistema. Če ste ga pritisnili, ga vrgli, spustili v globoko jamico, to pomeni, da delate z njim. Zunaj vse te neškodljive akcije ne bodo škodovale žogici, vendar se bo njena notranja energija spremenila, čeprav zelo rahlo.

Druga metoda je izmenjava toplote. Zdaj smo prišli do glavnega cilja tega članka: opis kakšne količine toplote. To je sprememba notranje energije termodinamičnega sistema, ki se pojavi med prenosom toplote (glej zgornjo formulo). Meri se v džulih ali kalorijih. Očitno bo, če balon držite nad cigaretnim vžigalnikom, na soncu ali samo v topli roki, se bo segrel. In potem lahko s spremembo temperature poiščete količino toplote, ki jo je hkrati poročal.

Zakaj je plin najboljši primer spreminjanja notranje energije in zakaj zaradi tega študenti ne marajo fizike

Zgoraj smo opisali spremembe termodinamičnih parametrov kovinske krogle. Brez posebnih naprav niso zelo opazne in bralcu je prepuščeno verjeti besedo o procesih, ki se dogajajo z objektom. Druga stvar, če je sistem - plin. Pritisnite navzdol - vidno bo, segrevanje - tlak se bo dvignil, spustil pod zemljo - in to lahko enostavno popravimo. Zato se v učbenikih najpogosteje uporablja plin kot vizualni termodinamični sistem.

Vendar, žal, v sodobnem izobraževanju ni veliko pozornosti namenjene resničnim poskusom. Znanstvenik, ki piše metodični priročnik, popolnoma razume, kaj je na kocki. Zdi se mu, da bodo na primeru plinskih molekul vsi termodinamični parametri ustrezno prikazani. Toda študent, ki pravkar odkriva ta svet, je dolgčas poslušanja idealne bučke s teoretičnim batom. Če bi v šoli obstajali pravi raziskovalni laboratoriji, bi bile ure namenjene za delo, bi bilo vse drugače. Doslej so eksperimenti žal samo na papirju. Najverjetneje je to tisto, zaradi česar ljudje obravnavajo ta del fizike kot nekaj čisto teoretičnega, daleč od življenja in nepotrebnega.

Primer spreminjanja termodinamičnih parametrov

Zato smo se odločili, da kot primer navedemo že omenjeno kolo. Moški pritisk na pedale - dela na njih. Poleg tega, da povem celoten mehanizem navora (zahvaljujoč kateremu se kolo premika v prostoru), se notranja energija materialov, iz katerih so ročice spreminjale. Kolesar klikne na ročaje, da se obrne - in spet opravi delo.

Poveča se notranja energija zunanje plasti (plastika ali kovina). Oseba gre pod jarko pod jarko - kolo se segreje, količina toplote se spremeni. Ustavi se v senci starega hrasta in sistem se ohladi, izgubi kalorije ali joule. Poveča hitrost - izmenjava energije raste. Vendar pa bo izračun količine toplote v vseh teh primerih pokazal zelo majhno, neopazno vrednost. Zato se zdi, da v resničnem življenju ni izrazov termodinamične fizike.

Uporaba izračunov za spremembo količine toplote

Verjetno bo bralec rekel, da je vse to zelo informativno, toda zakaj smo s šolami s temi formulami tako mučeni. In zdaj bomo dali primere, na katerih področjih človeške dejavnosti so neposredno potrebni in kako to velja za vsakogar v vsakdanjem življenju.

Najprej poglejte okrog sebe in preštejte: koliko kovinskih predmetov vas obkroža? Zagotovo več kot deset. Toda preden postanete posnetek, avto, prstan ali bliskovni pogon, se kovine topijo. Vsak obrat, ki se predeluje, na primer, železova ruda, razumeti, koliko goriva je potrebno za optimizacijo stroškov. Pri tem je treba poznati toplotno zmogljivost surovin, ki vsebujejo kovine, in količino toplote, ki jo je treba informirati, da se lahko pojavijo vsi tehnološki procesi. Ker se energija, ki jo sprosti enota goriva, izračuna v džulih ali kalorjih, so formule potrebne neposredno.

Ali drug primer: v večini supermarketov je oddelek z zamrznjeno blago - ribe, meso, sadje. Kadar se surovine iz mesa živali ali morskih sadežev spremenijo v polizdelke, bi morale vedeti, koliko električnih hladilnikov in zamrzovalnikov na tono ali enoto končnega izdelka porabijo. Če želite to narediti, izračunajte, koliko toplote izgubi kilogram jagod ali lignjev, ko se ohladi za eno stopinjo Celzija. Na koncu pa bo pokazal, koliko električne energije zamrzovalnik porabi za določeno moč.

Letala, parniki, vlaki

Zgoraj smo prikazali primere relativno fiksnih, statičnih predmetov, ki jih sporočamo ali iz katerih, nasprotno, vzamemo določeno količino toplote. Za objekte v procesu gibanja v pogojih nenehno spreminjajoče se temperature so izračuni količine toplote pomembni iz drugega razloga.

Obstaja takšna stvar kot "utrujenost kovin". Vključuje tudi največje dovoljene obremenitve pri določeni stopnji spremembe temperature. Predstavljajte si ravnino, ki se vzame iz vlažnih tropov v zamrznjene zgornje plasti ozračja. Inženirji morajo veliko delati, da se ne razpade zaradi razpok v kovini, ki se pojavi, ko temperatura pade. Iščejo sestavo zlitine, ki lahko prenese resnične obremenitve in ima veliko mejo varnosti. In da ne bi gledali slepo, v upanju, da bi naključno naleteli na želeno sestavo, moramo narediti veliko izračunov, vključno s spremembami količine toplote.