(arba šilumos perdavimas).
Medžiagos savitoji šiluminė talpa.
Šilumos talpa- tai šilumos kiekis, kurį sugeria kūnas, kai įkaista 1 laipsniu.
Kūno šiluminė talpa žymima didžiąja lotyniška raide SU.
Nuo ko priklauso kūno šiluminė talpa? Visų pirma, nuo jo masės. Aišku, kad pašildyti, pavyzdžiui, 1 kilogramą vandens reikės daugiau šilumos nei pašildyti 200 gramų.
O kaip dėl medžiagos tipo? Padarykime eksperimentą. Paimkime du vienodus indus ir, į vieną iš jų supylę 400 g sveriančio vandens, o į kitą – 400 g sveriančio augalinio aliejaus, pradėsime juos šildyti identiškais degikliais. Stebėdami termometro rodmenis pamatysime, kad aliejus greitai įkaista. Norint pašildyti vandenį ir aliejų iki vienodos temperatūros, vandenį reikia kaitinti ilgiau. Tačiau kuo ilgiau šildome vandenį, tuo daugiau šilumos jis gauna iš degiklio.
Taigi, kaitinant tą pačią skirtingų medžiagų masę iki tos pačios temperatūros, reikia skirtingų šilumos kiekių. Kūnui sušildyti reikalingas šilumos kiekis, taigi ir jo šiluminė talpa, priklauso nuo medžiagos, iš kurios kūnas susideda, rūšies.
Taigi, pavyzdžiui, norint padidinti 1 kg sveriančio vandens temperatūrą 1°C, reikia 4200 J šilumos kiekio, o tos pačios masės saulėgrąžų aliejaus pašildyti 1°C šilumos kiekio, lygaus Reikia 1700 J.
Vadinamas fizikinis dydis, parodantis, kiek šilumos reikia pašildyti 1 kg medžiagos 1 ºС specifinė šiluminė talpašios medžiagos.
Kiekviena medžiaga turi savo specifinę šiluminę talpą, kuri žymima lotyniška raide c ir matuojama džauliais kilogramui laipsnio (J/(kg °C)).
Tos pačios medžiagos savitoji šiluminė talpa skirtingose agregacijos būsenose (kietos, skystos ir dujinės) skiriasi. Pavyzdžiui, vandens savitoji šiluminė galia yra 4200 J/(kg °C), o ledo savitoji šiluminė talpa – 2100 J/(kg °C); kieto aliuminio savitoji šiluminė talpa yra 920 J/(kg - °C), o skysto - 1080 J/(kg - °C).
Atkreipkite dėmesį, kad vandens savitoji šiluminė talpa yra labai didelė. Todėl vanduo jūrose ir vandenynuose, vasarą kaitinamas, iš oro sugeria didelį šilumos kiekį. Dėl šios priežasties tose vietose, kurios yra prie didelių vandens telkinių, vasara nėra tokia karšta, kaip toli nuo vandens.
Šilumos kiekio, reikalingo kūnui sušildyti arba jo išskiriamo aušinimo metu, apskaičiavimas.
Iš to, kas išdėstyta pirmiau, aišku, kad šilumos kiekis, reikalingas kūnui sušildyti, priklauso nuo medžiagos, iš kurios kūnas susideda, rūšies (t.y. jos specifinės šiluminės talpos) ir nuo kūno masės. Taip pat aišku, kad šilumos kiekis priklauso nuo to, kiek laipsnių ketiname padidinti kūno temperatūrą.
Taigi, norint nustatyti šilumos kiekį, reikalingą kūnui pašildyti arba jo išskiriamą aušinimo metu, reikia padauginti kūno savitąją šiluminę talpą iš jo masės ir skirtumo tarp galutinės ir pradinės temperatūros:
K = cm (t 2 - t 1 ) ,
Kur K- šilumos kiekis, c— savitoji šiluminė galia, m- kūno svoris, t 1 - pradinė temperatūra, t 2 - galutinė temperatūra.
Kai kūnas įkaista t 2 > t 1 ir todėl K > 0 . Kai kūnas atvėsta t 2i< t 1 ir todėl K< 0 .
Jei žinoma viso kūno šiluminė talpa SU, K nustatoma pagal formulę:
Q = C (t 2 - t 1 ) .
Šilumos kiekio samprata susiformavo ankstyvosiose šiuolaikinės fizikos raidos stadijose, kai nebuvo aiškių idėjų apie materijos vidinę sandarą, kas yra energija, kokios energijos formos egzistuoja gamtoje ir apie energiją kaip formą. materijos judėjimo ir transformacijos.
Šilumos kiekis suprantamas kaip fizikinis dydis, lygiavertis energijai, perduodamai materialiam kūnui šilumos mainų procese.
Pasenęs šilumos vienetas yra kalorija, lygi 4,2 J, šiandien šis vienetas praktiškai nenaudojamas, o jo vietą užėmė džaulis.
Iš pradžių buvo manoma, kad šiluminės energijos nešėja yra kokia nors visiškai nesvari terpė, turinti skysčio savybių. Remiantis šia prielaida, buvo ir tebėra sprendžiama daugybė fizinių šilumos perdavimo problemų. Hipotetinio kaloringumo egzistavimas buvo daugelio iš esmės teisingų konstrukcijų pagrindas. Buvo tikima, kad kalorijos išsiskiria ir absorbuojamos kaitinant ir vėsinant, lydantis ir kristalizuojantis. Remiantis neteisingomis fizikinėmis sąvokomis, gautos teisingos šilumos perdavimo procesų lygtys. Yra žinomas dėsnis, pagal kurį šilumos kiekis yra tiesiogiai proporcingas šilumos mainuose dalyvaujančio kūno masei ir temperatūros gradientui:
Kur Q yra šilumos kiekis, m yra kūno masė ir koeficientas Su– dydis, vadinamas savitoji šiluminė talpa. Savitoji šiluminė talpa yra procese dalyvaujančios medžiagos charakteristika.
Darbas termodinamikos srityje
Dėl šiluminių procesų galima atlikti grynai mechaninį darbą. Pavyzdžiui, kai dujos įkaista, padidėja jų tūris. Paimkime tokią situaciją, kaip paveikslėlyje žemiau:
Šiuo atveju mechaninis darbas bus lygus dujų slėgio jėgai stūmokliui, padaugintai iš kelio, kurį stūmoklis eina esant slėgiui. Žinoma, tai yra paprasčiausias atvejis. Tačiau net ir jame galima pastebėti vieną sunkumą: slėgio jėga priklausys nuo dujų tūrio, vadinasi, mes susiduriame ne su konstantomis, o su kintamaisiais dydžiais. Kadangi visi trys kintamieji: slėgis, temperatūra ir tūris yra susiję vienas su kitu, darbo skaičiavimas tampa žymiai sudėtingesnis. Yra keletas idealių, be galo lėtų procesų: izobariniai, izoterminiai, adiabatiniai ir izochoriniai, kuriems tokius skaičiavimus galima atlikti gana paprastai. Nubraižytas slėgio ir tūrio grafikas ir darbas apskaičiuojamas kaip formos integralas.
721. Kodėl kai kuriems mechanizmams aušinti naudojamas vanduo?
Vanduo turi didelę savitąją šiluminę talpą, kuri palengvina gerą šilumos pašalinimą iš mechanizmo.
722. Kokiu atveju reikia išleisti daugiau energijos: pašildyti vieną litrą vandens 1 °C ar šimtą gramų vandens pašildyti 1 °C?
Norint pašildyti litrą vandens, kuo didesnė masė, tuo daugiau energijos reikia išleisti.
723. Vario nikelio sidabro ir vienodos masės sidabrinės šakės buvo nuleistos į karštą vandenį. Ar jie gaus tiek pat šilumos iš vandens?
Vario nikelio šakutė gaus daugiau šilumos, nes savitoji vario nikelio šiluma yra didesnė nei sidabro.
724. Švino gabalas ir tos pačios masės ketaus gabalas buvo tris kartus smogtas kūju. Kuris gabalas tapo karštesnis?
Švinas įkais, nes jo savitoji šiluminė talpa mažesnė nei ketaus, o švinui šildyti reikia mažiau energijos.
725. Vienoje kolboje yra vanduo, kitoje tokios pat masės ir temperatūros žibalo. Į kiekvieną kolbą buvo įmestas vienodai įkaitintas geležies kubas. Kas įkais iki aukštesnės temperatūros – vanduo ar žibalas?
Žibalas.
726. Kodėl pajūrio miestuose temperatūros svyravimai žiemą ir vasarą ne tokie ryškūs, kaip miestuose, esančiuose sausumoje?
Vanduo įšyla ir atvėsta lėčiau nei oras. Žiemą jis vėsina ir perkelia šiltas oro mases į sausumą, todėl pakrantės klimatas tampa šiltesnis.
727. Aliuminio savitoji šiluminė talpa 920 J/kg °C. Ką tai reiškia?
Tai reiškia, kad norint pašildyti 1 kg aliuminio 1 °C, reikia išleisti 920 J.
728. Aliuminio ir vario strypai, kurių masė vienoda 1 kg, atšaldomi 1 °C. Kiek pasikeis kiekvieno bloko vidinė energija? Kuriam barui jis pasikeis labiau ir kiek?
729. Kokio šilumos kiekio reikia kilogramui geležies ruošinio pašildyti 45 °C?
730. Kokio šilumos kiekio reikia pašildyti 0,25 kg vandens nuo 30 °C iki 50 °C?
731. Kaip pasikeis dviejų litrų vandens vidinė energija kaitinant 5 °C?
732. Kokio šilumos kiekio reikia pašildyti 5 g vandens nuo 20 °C iki 30 °C?
733. Kokio šilumos kiekio reikia 0,03 kg sveriančiam aliuminio rutuliui pašildyti 72 °C?
734. Apskaičiuokite šilumos kiekį, reikalingą 15 kg vario pašildyti 80 °C.
735. Apskaičiuokite šilumos kiekį, reikalingą 5 kg vario pašildyti nuo 10 °C iki 200 °C.
736. Kokio šilumos kiekio reikia pašildyti 0,2 kg vandens nuo 15 °C iki 20 °C?
737. 0,3 kg sveriantis vanduo atvėso 20 °C. Kiek sumažėjo vandens vidinė energija?
738. Kokio šilumos kiekio reikia pašildyti 0,4 kg 20 °C temperatūros vandens iki 30 °C temperatūros?
739. Koks šilumos kiekis sunaudojamas 2,5 kg vandens pašildyti 20 °C?
740. Koks šilumos kiekis išsiskyrė 250 g vandens atvėsus nuo 90 °C iki 40 °C?
741. Koks šilumos kiekis reikalingas 0,015 litro vandens pašildyti 1 °C?
742. Apskaičiuokite šilumos kiekį, kurio reikia 300 m3 tūrio tvenkiniui apšildyti 10 °C?
743. Kokį šilumos kiekį reikia įpilti į 1 kg vandens, kad jo temperatūra pakiltų nuo 30 °C iki 40 °C?
744. Vanduo, kurio tūris 10 litrų, atvėso nuo 100 °C temperatūros iki 40 °C. Kiek šilumos išsiskyrė per tai?
745. Apskaičiuokite šilumos kiekį, reikalingą 1 m3 smėlio pašildyti 60 °C.
746. Oro tūris 60 m3, savitoji šiluminė galia 1000 J/kg °C, oro tankis 1,29 kg/m3. Kiek šilumos reikia, kad ji pakiltų iki 22°C?
747. Vanduo šildomas 10 °C, išleidžiant 4,20 103 J šilumos. Nustatykite vandens kiekį.
748. 0,5 kg sveriančiam vandeniui buvo perduota 20,95 kJ šilumos. Kokia tapo vandens temperatūra, jei pradinė vandens temperatūra buvo 20 °C?
749. Į 2,5 kg sveriantį varinį puodą pripilama 8 kg 10 °C temperatūros vandens. Kiek šilumos reikia, kad vanduo keptuvėje užvirtų?
750. Į varinį kaušą, sveriantį 300 g, supilamas litras 15 °C temperatūros.
751. Į vandenį įdedamas 3 kg sveriantis įkaitinto granito gabalas. Granitas vandeniui perduoda 12,6 kJ šilumos, atvėsdamas 10 °C. Kokia specifinė akmens šiluminė talpa?
752. Į 5 kg 12 °C vandens buvo įpiltas 50 °C karštas vanduo, gautas 30 °C temperatūros mišinys. Kiek vandens įpylėte?
753. Į 3 litrus 60 °C vandens buvo įpilta 20 °C vandens ir gaunamas 40 °C temperatūros vanduo. Kiek vandens įpylėte?
754. Kokia bus mišinio temperatūra, jei 600 g 80 °C vandens sumaišysite su 200 g 20 °C temperatūros vandens?
755. Litras 90 °C vandens buvo supiltas į 10 °C temperatūros vandenį, vandens temperatūra tapo 60 °C. Kiek buvo šalto vandens?
756. Nustatyti, kiek karšto vandens, pašildyto iki 60 °C, reikia pilti į indą, jei inde jau yra 20 litrų šalto 15 °C temperatūros vandens; mišinio temperatūra turi būti 40 °C.
757. Nustatykite, kiek šilumos reikia pašildyti 425 g vandens 20 °C.
758. Kiek laipsnių įkais 5 kg vandens, jei vanduo gaus 167,2 kJ?
759. Kiek šilumos reikia pašildyti m gramų vandens temperatūros t1 iki temperatūros t2?
760. Į kalorimetrą supilama 2 kg 15 °C temperatūros vandens. Iki kokios temperatūros įkais kalorimetro vanduo, jei į jį bus nuleistas 500 g žalvarinis, įkaitintas iki 100 °C? Žalvario savitoji šiluminė talpa yra 0,37 kJ/(kg °C).
761. Yra vienodo tūrio vario, alavo ir aliuminio gabalai. Kuris iš šių dalių turi didžiausią, o kurios mažiausią šiluminę talpą?
762. Į kalorimetrą supilta 450 g vandens, kurio temperatūra 20 °C. Į šį vandenį panardinus 200 g iki 100 °C įkaitintų geležies drožlių, vandens temperatūra pasidarė 24 °C. Nustatykite savitąją pjuvenų šiluminę talpą.
763. 100 g sveriantis varinis kalorimetras talpina 738 g vandens, kurio temperatūra 15 °C. Į šį kalorimetrą 100 °C temperatūroje buvo nuleista 200 g vario, po to kalorimetro temperatūra pakilo iki 17 °C. Kokia yra vario savitoji šiluminė talpa?
764. Iš orkaitės išimamas 10 g sveriantis plieninis rutulys ir įdedamas į 10 °C temperatūros vandenį. Vandens temperatūra pakilo iki 25 °C. Kokia buvo rutulio temperatūra orkaitėje, jei vandens masė buvo 50 g? Plieno savitoji šiluminė talpa yra 0,5 kJ/(kg °C).
770. Plieninis pjaustytuvas, sveriantis 2 kg, buvo įkaitintas iki 800 °C ir nuleistas į indą, kuriame buvo 15 litrų 10 °C temperatūros vandens. Iki kokios temperatūros įkais vanduo inde?
(Indikacija: norint išspręsti šią problemą, būtina sudaryti lygtį, kurioje nežinoma vandens temperatūra inde, nuleidus pjaustytuvą, laikoma nežinoma.)
771. Kokią temperatūrą gausite, jei sumaišysite 0,02 kg 15 °C, 0,03 kg 25 °C ir 0,01 kg 60 °C temperatūros vandens?
772. Gerai vėdinamai klasei šildyti reikalingas šilumos kiekis – 4,19 MJ per valandą. Vanduo į šildymo radiatorius patenka 80 °C, o išeina iš jų 72 °C. Kiek vandens kas valandą reikia tiekti į radiatorius?
773. Švinas, sveriantis 0,1 kg, esant 100 °C temperatūrai, buvo panardintas į 0,04 kg svorio aliuminio kalorimetrą, kuriame buvo 0,24 kg 15 °C temperatūros vandens. Po to kalorimetre temperatūra siekė 16 °C. Kokia savitoji švino šiluma?
Termodinaminės sistemos vidinę energiją galima keisti dviem būdais:
- dirba su sistema,
- naudojant šiluminę sąveiką.
Šilumos perdavimas kūnui nėra susijęs su makroskopinio kūno darbo atlikimu. Šiuo atveju vidinės energijos pokytį lemia tai, kad atskiros aukštesnės temperatūros kūno molekulės veikia kai kurias žemesnės temperatūros kūno molekules. 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
Sistemai perduodamas elementarus šilumos kiekis, kurio 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 medžiagos molinė 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, norint perkelti medžiagos elementą iš kietos būsenos į skystį, jam turėtų būti suteiktas šilumos kiekis (), lygus:
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 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
Pratimai. 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 šilumos balanso lygtį tokia forma:
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:
