تعریف

مقدار گرمایا به سادگی گرما($Q$) انرژی درونی است که از اجسام با بیشتر منتقل می شود درجه حرارت بالابه اجسام با دمای پایین تر در فرآیندهای هدایت حرارتی یا تشعشع.

ژول واحد اندازه گیری مقدار گرما در سیستم SI است

واحد گرما را می توان از قانون اول ترمودینامیک بدست آورد:

\[\Delta Q=A+\Delta U\ \چپ(1\راست)،\]

که در آن $A$ کار سیستم ترمودینامیکی است. $\Delta U$ - تغییر در انرژی داخلی سیستم. $\Delta Q$ مقدار گرمای ارائه شده به سیستم است.

از قانون (1)، و حتی بیشتر از نسخه آن برای یک فرآیند همدما:

\[\Delta Q=A\ \چپ(2\راست).\]

بدیهی است که در سیستم بین المللی واحدها (SI)، ژول (J) یک واحد انرژی و کار است.

اگر از تعریف انرژی ($E$) به شکل زیر استفاده کنیم، بیان ژول در واحدهای پایه آسان است:

که در آن $c$ سرعت نور است. $m$ وزن بدن است. بر اساس عبارت (2) داریم:

\[\left=\left=kg\cdot (\left(\frac(m)(s)\right))^2=\frac(kg\cdot m^2)(s^2).\]

تمام پیشوندهای استاندارد SI همراه با ژول استفاده می‌شوند که نشان‌دهنده زیرمجموعه‌های اعشاری و مضرب هستند. برای مثال، $1kJ=(10)^3J$; 1MJ =$(10)^6J$; 1 GJ=$(10)^9J$.

Erg واحد اندازه گیری مقدار گرما در سیستم CGS است

در سیستم CGS (سانتی متر، گرم، ثانیه)، گرما با ergs (erg) اندازه گیری می شود. در این حالت یک ارگ برابر است با:

با در نظر گرفتن اینکه:

رابطه بین ژول و ارگ را بدست می آوریم:

کالری - واحد اندازه گیری مقدار گرما

کالری به عنوان یک واحد خارج از سیستم برای اندازه گیری مقدار گرما استفاده می شود. یک کالری برابر با مقدار حرارتی است که باید به آب یک کیلوگرمی منتقل شود تا یک درجه سانتیگراد گرم شود. رابطه بین ژول و کالری به شرح زیر است:

برای دقیق تر، آنها متمایز می شوند:

• کالری بین المللی برابر است با:
\
• کالری ترموشیمیایی:
\
• 15 درجه کالری مورد استفاده برای اندازه گیری حرارتی:
\

کالری اغلب با پیشوندهای اعشاری استفاده می شود، مانند: kcal (کیلو کالری) $1kcal=(10)^3cal$; Mcal (مگا کالری) 1 Mcal =$(10)^6cal$; Gcal (گیگا کالری) 1 Gcal=$(10)^9cal$.

گاهی اوقات یک کیلو کالری را کالری بزرگ یا کیلو کالری می نامند.

نمونه هایی از مشکلات با راه حل ها

مثال 1

ورزش.هنگامی که هیدروژن از $t_1=0(\rm()^\circ\!C)$ تا $t_2=100(\rm()^\circ\ گرم شود، چه مقدار گرما توسط هیدروژن با وزن $m=0.2$kg جذب می شود. ج) دلار در فشار ثابت؟ پاسخ خود را بر حسب کیلوژول بنویسید.

راه حل.بیایید قانون اول ترمودینامیک را بنویسیم:

\[\Delta Q=A+\Delta U\ \left(1.1\right).\]

\[\Delta U=\frac(i)(2)\frac(m)(\mu )R\Delta T\ \left(1.2\راست)،\]

که در آن $i=5$ تعداد درجات آزادی مولکول هیدروژن است. $\mu =2\cdot (10)^(-3)\frac(kg)(mol)$; $R=8.31\ \frac(J)(mol\cdot K)$; $\Delta T=t_2-t_1$. بر اساس شرط، ما با یک فرآیند ایزوباریک سر و کار داریم. کار در یک فرآیند ایزوباریک برابر است با:

با در نظر گرفتن عبارات (1.2) و (1.3)، قانون اول ترمودینامیک را برای یک فرآیند همسان به شکل زیر تبدیل می کنیم:

\[\Delta Q=\frac(m)(\mu )R\Delta T\ +\frac(i)(2)\frac(m)(\mu )R\Delta T=\frac(m)(\ mu )R\Delta T\left(1+\frac(i)(2)\right)\ \left(1.4\right).\]

اگر با استفاده از فرمول (1.4) محاسبه شود، بیایید بررسی کنیم که گرما در چه واحدهایی اندازه گیری می شود:

\[\left[\Delta Q\right]=\left[\frac(m)(\mu )R\Delta T\left(1+\frac(i)(2)\right)\right]=\چپ [\frac(m)(\mu )R\Delta T\right]=\frac(\left)(\left[\mu \right])\left\left[\Delta T\right]=\frac(kg )(kg/mol)\cdot \frac(J)(mol\cdot K)\cdot K=J.\]

بیایید محاسبات را انجام دهیم:

\[\Delta Q=\frac(0.2)(2 (10)^(-3))\cdot 8.31\cdot 100\left(1+\frac(5)(2)\راست)\حدود 291\cdot ( 10)^3\left(J\right)=291\ \left(kJ\right).\]

پاسخ.$\Delta Q=291\ $ کیلوژول

مثال 2

ورزش.هلیوم با جرم $m=1/g$، در فرآیند نشان داده شده در شکل 1 با 100 K گرم شد. چه مقدار گرما به گاز منتقل می شود؟ پاسخ خود را در واحد GHS بنویسید.

راه حل.شکل 1 یک فرآیند ایزوکوریک را نشان می دهد. برای چنین فرآیندی قانون اول ترمودینامیک را به صورت زیر می نویسیم:

\[\Delta Q=\Delta U\ \left(2.1\right).\]

ما تغییر در انرژی درونی را به صورت زیر می یابیم:

\[\Delta U=\frac(i)(2)\frac(m)(\mu )R\Delta T\ \left(2.2\راست)،\]

که $i=3$ تعداد درجات آزادی یک مولکول هلیوم است. $\mu =4\frac(g)(mol)$; $R=8.31\cdot (10)^7\ \frac(erg)(mol\cdot K)$; $\Delta T=100\ K.$ همه مقادیر در SGS نوشته شده است. بیایید محاسبات را انجام دهیم:

\[\Delta Q=\frac(3)(2)\cdot \frac(1)(4)\cdot 8.31\cdot (10)^7\cdot 100\ approx 3\cdot (10)^9(erg) \\]

پاسخ.$\Delta Q=3\cdot (10)^9$ erg

انرژی حرارتی سیستمی برای اندازه گیری گرما است که دو قرن پیش اختراع و مورد استفاده قرار گرفت. قانون اساسی برای کار با این مقدار این بود که انرژی حرارتی حفظ می شود و نمی تواند به سادگی ناپدید شود، اما می تواند به نوع دیگری از انرژی تبدیل شود.

چندین مورد به طور کلی پذیرفته شده وجود دارد واحدهای انرژی حرارتی. آنها عمدتاً در بخش های صنعتی مانند. رایج ترین آنها در زیر توضیح داده شده است:

هر واحد اندازه گیری که در سیستم SI گنجانده شده است، هدفی در تعیین مقدار کل یک یا نوع دیگری از انرژی، مانند گرما یا الکتریسیته دارد. زمان و کمیت اندازه گیری بر این مقادیر تأثیر نمی گذارد، به همین دلیل است که می توان از آن ها هم برای انرژی مصرف شده و هم برای انرژی مصرف شده استفاده کرد. علاوه بر این، هرگونه انتقال و دریافت و همچنین تلفات نیز در چنین مقادیری محاسبه می شود.

واحدهای اندازه گیری انرژی حرارتی در کجا استفاده می شود؟

واحدهای انرژی به گرما تبدیل می شوند

برای مثال واضحدر زیر مقایسه شاخص های مختلف SI محبوب با انرژی حرارتی وجود دارد:

• 1 GJ برابر با 0.24 Gcal است که در معادل الکتریکی برابر با 3400 میلیون کیلووات در ساعت است. در معادل انرژی حرارتی، 1 GJ = 0.44 تن بخار.
• در همان زمان، 1 Gcal = 4.1868 GJ = 16000 میلیون کیلووات در ساعت = 1.9 تن بخار؛
• 1 تن بخار معادل 2.3 GJ = 0.6 Gcal = 8200 کیلو وات در ساعت است.

که در در این مثالمقدار داده شده بخار به عنوان تبخیر آب پس از رسیدن به 100 درجه سانتیگراد در نظر گرفته می شود.

برای محاسبه مقدار گرما از اصل زیر استفاده می شود: برای به دست آوردن اطلاعات در مورد مقدار گرما از آن در گرم کردن مایع استفاده می شود و پس از آن جرم آب در دمای جوانه زنی ضرب می شود. اگر در SI جرم یک مایع بر حسب کیلوگرم اندازه گیری شود و اختلاف دما بر حسب درجه سانتیگراد باشد، نتیجه چنین محاسباتی مقدار گرما بر حسب کیلو کالری خواهد بود.

اگر نیاز به انتقال انرژی حرارتی از یکی باشد بدن فیزیکیدیگری، و می خواهید تلفات احتمالی را دریابید، سپس باید جرم گرمای دریافتی ماده را در دمای افزایش ضرب کنید و سپس حاصل ضرب مقدار حاصل را با "گرمای ویژه" ماده دریابید.

محتوای مقاله

حرارت،بخش جنبشی انرژی درونی یک ماده که توسط حرکت بی نظم شدید مولکول ها و اتم هایی که این ماده از آن تشکیل شده است تعیین می شود. دما معیاری برای سنجش شدت حرکت مولکولی است. مقدار گرمای یک جسم در دمای معین به جرم آن بستگی دارد. به عنوان مثال، در همان دما، یک فنجان بزرگ آب حاوی گرمای بیشتری نسبت به یک فنجان کوچک است و یک سطل آب سرد ممکن است حاوی گرمای بیشتری از یک فنجان آب باشد. آب گرم(البته دمای آب داخل سطل کمتر است).

گرما بازی می کند نقش مهمدر زندگی یک فرد، از جمله عملکرد بدن او. بخشی از انرژی شیمیایی موجود در غذا به گرما تبدیل می شود که به دلیل آن دمای بدن در حدود 37 درجه سانتی گراد حفظ می شود. تعادل گرمایی بدن انسان نیز به دمای محیط بستگی دارد و افراد مجبور به صرف انرژی زیادی می شوند. گرمایش زندگی و محل تولیددر زمستان و برای خنک کردن آنها در تابستان. بیشتر این انرژی توسط موتورهای حرارتی مانند بویلرها و توربین های بخار در نیروگاه هایی که سوخت های فسیلی (زغال سنگ، نفت) را می سوزانند و برق تولید می کنند، تامین می شود.

تا پایان قرن 18. گرما به عنوان یک ماده مادی در نظر گرفته می شد و معتقد بود که دمای بدن با مقدار "مایع کالری" یا "کالری" موجود در آن تعیین می شود. بعدها، B. Rumford، J. Joule و دیگر فیزیکدانان آن زمان، از طریق آزمایشات و استدلال های هوشمندانه، نظریه "کالری" را رد کردند و ثابت کردند که گرما بی وزن است و می توان آن را در هر مقداری به سادگی به دست آورد. حرکت مکانیکی. گرما به خودی خود یک ماده نیست - فقط انرژی حرکت اتم ها یا مولکول های آن است. این دقیقاً درک گرما است که فیزیک مدرن به آن پایبند است.

در این مقاله به چگونگی ارتباط گرما و دما و چگونگی اندازه گیری این مقادیر خواهیم پرداخت. موضوع بحث ما نیز موارد زیر خواهد بود: انتقال حرارت از یک قسمت بدن به قسمت دیگر; انتقال حرارت در خلاء (فضای بدون ماده)؛ نقش گرما در دنیای مدرن

گرما و دما

میزان انرژی حرارتی یک ماده را نمی توان با مشاهده حرکت هر یک از مولکول های آن به صورت جداگانه تعیین کرد. برعکس، تنها با مطالعه خواص ماکروسکوپی یک ماده می‌توان ویژگی‌های حرکت میکروسکوپی بسیاری از مولکول‌ها را در یک دوره زمانی معین به‌طور میانگین یافت. دمای یک ماده است میانگینشدت حرکت مولکولی که انرژی آن انرژی حرارتی ماده است.

یکی از رایج ترین و در عین حال کم دقت ترین راه ها برای ارزیابی دما، لمس کردن است. هنگام لمس یک شی، با تمرکز بر احساسات خود قضاوت می کنیم که آیا گرم است یا سرد. البته، این احساسات به دمای بدن ما بستگی دارد، که ما را به مفهوم تعادل حرارتی می رساند - یکی از مهمترین موارد هنگام اندازه گیری دما.

تعادل گرمایی.

بدیهی است که اگر دو بدن آو ب(شکل 1) محکم روی یکدیگر فشار دهید، سپس پس از لمس کافی آنها را فشار دهید برای مدت طولانی، متوجه می شویم که دمای آنها یکسان است. در این مورد می گویند که اجساد آو ببا یکدیگر در تعادل حرارتی هستند. با این حال، به طور کلی، اجسام برای برقراری تعادل حرارتی بین آنها لزوماً نباید لمس شوند - کافی است دمای آنها یکسان باشد. این را می توان با استفاده از بدن سوم تأیید کرد سی، ابتدا آن را با بدن به تعادل حرارتی می رساند آ، و سپس مقایسه دمای بدن سیو ب. بدن سیدر اینجا نقش یک دماسنج را بازی می کند. در یک فرمول دقیق، این اصل را قانون صفر ترمودینامیک می نامند: اگر اجسام A و B با جسم سوم C در تعادل حرارتی باشند، این اجسام نیز با یکدیگر در تعادل حرارتی هستند.این قانون زیربنای تمام روش های اندازه گیری دما است.

اندازه گیری دما.

اگر می‌خواهیم آزمایش‌ها و محاسبات دقیقی انجام دهیم، پس درجه‌بندی‌های دما مانند گرم، گرم، سرد، سرد کافی نیست - ما به یک مقیاس درجه حرارت مدرج نیاز داریم. چندین چنین مقیاس وجود دارد و دمای انجماد و جوش آب معمولاً به عنوان نقطه مرجع در نظر گرفته می شود. چهار مقیاس رایج در شکل نشان داده شده است. 2. مقیاس درجه سانتیگراد که در آن نقطه انجماد آب برابر با 0 درجه و نقطه جوش 100 درجه است، به نام A. Celsius، ستاره شناس سوئدی که آن را در سال 1742 توصیف کرد، نامیده می شود. اعتقاد بر این است که طبیعت شناس سوئدی C. Linnaeus برای اولین بار از این مقیاس استفاده کرد. اکنون مقیاس سلسیوس رایج ترین مقیاس در جهان است. مقیاس دمافارنهایت، که در آن اعداد بسیار نامناسب 32 و 212 درجه مربوط به نقطه انجماد و جوش آب است، در سال 1724 توسط فارنهایت پیشنهاد شد. مقیاس فارنهایت در کشورهای انگلیسی زبان رایج است، اما تقریباً هرگز در ادبیات علمی استفاده نمی شود. برای تبدیل دمای سلسیوس (°C) به دمای فارنهایت (°F) یک فرمول °F = (9/5)°C + 32 و برای تبدیل معکوس یک فرمول °C = (5/9) وجود دارد. °F- 32).

هر دو مقیاس - هم فارنهایت و هم درجه سانتیگراد - هنگام انجام آزمایش در شرایطی که درجه حرارت به زیر نقطه انجماد آب می رسد و بیان می شود بسیار ناخوشایند هستند. عدد منفی. برای چنین مواردی، مقیاس های دمای مطلق معرفی شدند که مبتنی بر برون یابی به به اصطلاح صفر مطلق هستند - نقطه ای که حرکت مولکولی باید متوقف شود. یکی از آنها مقیاس رانکین نامیده می شود و دیگری مقیاس ترمودینامیکی مطلق است. دمای آنها بر حسب درجه رانکین (°R) و کلوین (K) اندازه گیری می شود. هر دو مقیاس از صفر مطلق شروع می شوند و نقطه انجماد آب با 491.7 درجه R و 273.16 کلوین مطابقت دارد. تعداد درجه و کلوین بین نقاط انجماد و جوش آب در مقیاس سلسیوس و مقیاس ترمودینامیکی مطلق یکسان و برابر است تا 100؛ برای مقیاس فارنهایت و رانکین نیز یکسان است، اما برابر با 180 است. درجه سانتیگراد با استفاده از فرمول K = ° C + 273.16 به کلوین تبدیل می شود، و درجه فارنهایت با استفاده از فرمول ° R = ° F + به درجه رانکین تبدیل می شود. 459.7.

عملکرد ابزارهای طراحی شده برای اندازه گیری دما بر اساس متفاوت است پدیده های فیزیکیمرتبط با تغییرات در انرژی حرارتی یک ماده - تغییر در مقاومت الکتریکی، حجم، فشار، ویژگی های انتشار، خواص ترموالکتریک. یکی از ساده ترین و آشناترین ابزار برای اندازه گیری دما دماسنج شیشه ای جیوه ای است که در شکل 1 نشان داده شده است. 3، آ. یک گلوله جیوه در قسمت پایینی دماسنج در محیط قرار می گیرد یا روی جسمی که قرار است دمای آن اندازه گیری شود فشار داده می شود و بسته به اینکه توپ گرما دریافت می کند یا می دهد، جیوه منبسط یا منقبض می شود و ستون آن بالا می رود یا در مویرگ می افتد. اگر دماسنج از قبل کالیبره شده و مجهز به ترازو باشد، می توانید مستقیماً دمای بدن را دریابید.

دستگاه دیگری که عملکرد آن بر اساس انبساط حرارتی است، دماسنج دو فلزی است که در شکل 1 نشان داده شده است. 3، ب. عنصر اصلی آن یک صفحه مارپیچ ساخته شده از دو فلز جوش داده شده با ضرایب انبساط حرارتی متفاوت است. هنگامی که گرم می شود، یکی از فلزات بیشتر از دیگری منبسط می شود، مارپیچ فلش را نسبت به مقیاس می پیچد و می چرخاند. چنین دستگاه هایی اغلب برای اندازه گیری دمای هوای داخلی و خارجی استفاده می شوند، اما برای تعیین دمای محلی مناسب نیستند.

دمای محلی معمولاً با استفاده از یک ترموکوپل اندازه گیری می شود که دو سیم از فلزات غیر مشابه است که در یک انتها لحیم شده اند (شکل 4، آ). هنگامی که چنین اتصالی گرم می شود، یک emf در انتهای آزاد سیم ها تولید می شود که معمولاً چندین میلی ولت است. ترموکوپل ها از جفت فلزات مختلفی ساخته می شوند: آهن و کنستانتان، مس و کنستانتان، کرومل و آلومل. Thermo-EMF آنها تقریباً به صورت خطی با دما در یک محدوده دمایی گسترده تغییر می کند.

اثر ترموالکتریک دیگری نیز شناخته شده است - وابستگی مقاومت یک ماده رسانا به دما. زیربنای عملکرد دماسنج های مقاومت الکتریکی است که یکی از آنها در شکل نشان داده شده است. 4، ب. مقاومت یک عنصر کوچک حساس به دما (مبدل حرارتی) - معمولاً یک سیم پیچ از سیم نازک - با مقاومت یک مقاومت متغیر کالیبره شده با استفاده از پل وتستون مقایسه می شود. دستگاه خروجی را می توان مستقیماً بر حسب درجه کالیبره کرد.

پیرومترهای نوری برای اندازه گیری دمای اجسام داغ که نور مرئی ساطع می کنند استفاده می شود. در یکی از تجسم این دستگاه، نور ساطع شده از بدن با تابش یک رشته لامپ رشته ای قرار گرفته در صفحه کانونی دوربین دوچشمی که از طریق آن بدنه ساطع کننده مشاهده می شود، مقایسه می شود. برق، حرارت دادن رشته لامپ، تا زمانی که مقایسه بصری درخشش رشته و بدنه نشان دهد که تعادل حرارتی بین آنها برقرار شده است، تغییر می کند. مقیاس ابزار را می توان مستقیماً در واحدهای دما کالیبره کرد.

اندازه گیری میزان گرما.

انرژی حرارتی (مقدار گرما) یک بدن را می توان به طور مستقیم با استفاده از یک کالری سنج اندازه گیری کرد. یک نسخه ساده از چنین دستگاهی در شکل نشان داده شده است. 5. این ظرف بسته ای است که با دقت عایق بندی شده است، مجهز به دستگاه هایی برای اندازه گیری دمای داخل آن است و گاهی اوقات با یک سیال فعال با خواص شناخته شده مانند آب پر می شود. برای اندازه‌گیری مقدار گرما در یک جسم کوچک گرم شده، آن را در یک کالری‌سنج قرار می‌دهند و سیستم را تا رسیدن به تعادل حرارتی منتظر می‌مانند. مقدار گرمای منتقل شده به کالری سنج (به طور دقیق تر به آبی که آن را پر می کند) با افزایش دمای آب تعیین می شود.

مقدار گرمای آزاد شده در طی یک واکنش شیمیایی، مانند احتراق، را می توان با قرار دادن یک "بمب" کوچک در یک کالریمتر اندازه گیری کرد. "بمب" حاوی نمونه ای است که سیم های الکتریکی برای احتراق به آن وصل شده و مقدار مناسبی اکسیژن دارد. پس از سوختن کامل نمونه و برقراری تعادل حرارتی، مشخص می‌شود که دمای آب در کالری‌سنج چقدر افزایش یافته است و در نتیجه میزان گرمای آزاد شده را تعیین می‌کند.

واحدهای اندازه گیری حرارت

گرما نوعی انرژی است و بنابراین باید با واحد انرژی اندازه گیری شود. که در سیستم بین المللیواحد انرژی SI ژول (J) است. همچنین می توان از واحدهای غیر سیستمی مقدار گرما - کالری استفاده کرد: کالری بین المللی 4.1868 J است، کالری ترموشیمیایی - 4.1840 J. در آزمایشگاه های خارجی، نتایج تحقیقات اغلب با استفاده از به اصطلاح بیان می شود. یک کالری 15 درجه برابر با 4.1855 ژول است. واحد حرارتی خارج از سیستم بریتانیا (BTU) در حال حذف شدن است: میانگین BTU = 1.055 J.

منابع گرما.

منابع اصلی گرما واکنش های شیمیایی و هسته ای و همچنین فرآیندهای مختلف تبدیل انرژی هستند. مثال ها واکنش های شیمیاییبا آزاد شدن گرما، احتراق و تجزیه اجزای غذا رخ می دهد. تقریباً تمام گرمای دریافتی زمین از واکنش های هسته ای که در اعماق خورشید رخ می دهد تأمین می شود. بشریت آموخته است که گرما را با استفاده از فرآیندهای شکافت هسته ای کنترل شده به دست آورد و اکنون در تلاش است از واکنش های همجوشی گرما هسته ای برای همین منظور استفاده کند. انواع دیگر انرژی نیز می تواند به گرما تبدیل شود، مانند کارهای مکانیکی و انرژی الکتریکی. مهم است که به یاد داشته باشید که انرژی حرارتی (مانند هر انرژی دیگر) فقط می تواند به شکل دیگری تبدیل شود، اما نمی توان آن را "از هیچ" به دست آورد یا از بین برد. این یکی از اصول اولیه علمی به نام ترمودینامیک است.

ترمودینامیکس

ترمودینامیک علم ارتباط بین گرما، کار و ماده است. بازنمایی های مدرندر مورد این روابط بر اساس آثار دانشمندان بزرگ گذشته مانند کارنو، کلازیوس، گیبس، ژول، کلوین و غیره شکل گرفت. ترمودینامیک معنای ظرفیت گرمایی و هدایت حرارتی ماده، انبساط حرارتی اجسام، گرما را توضیح می دهد. از انتقال فاز این علم بر اساس چندین قانون - اصول تثبیت شده تجربی است.

آغاز ترمودینامیک.

قانون صفر ترمودینامیک فرموله شده در بالا مفاهیم تعادل حرارتی، دما و دماسنجی را معرفی می کند. قانون اول ترمودینامیک بیانیه ای است که برای کل علم اهمیت اساسی دارد: انرژی نه می تواند نابود شود و نه می توان «از هیچ» به دست آورد، بنابراین انرژی کل جهان یک کمیت ثابت است. که در ساده ترین شکلقانون اول ترمودینامیک را می توان به صورت زیر بیان کرد: انرژی که یک سیستم دریافت می کند منهای انرژی ای که می دهد برابر با انرژی باقی مانده در سیستم است. در نگاه اول، این جمله بدیهی به نظر می رسد، اما نه در چنین شرایطی، به عنوان مثال، مانند احتراق بنزین در سیلندرهای موتور خودرو: در اینجا انرژی دریافتی شیمیایی است، انرژی داده شده مکانیکی (کار) است و انرژی باقی مانده در سیستم حرارتی است.

بنابراین، واضح است که انرژی می تواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود و چنین دگرگونی هایی دائماً در طبیعت و فناوری رخ می دهد. بیش از صد سال پیش، J. Joule این را برای مورد تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی حرارتی با استفاده از دستگاه نشان داده شده در شکل ثابت کرد. 6، آ. در این دستگاه، وزنه‌های نزولی و بالارونده، شافتی با تیغه‌ها را در یک کالری‌سنج پر از آب می‌چرخانند و باعث گرم شدن آب می‌شوند. اندازه گیری های دقیق به ژول اجازه داد تا تعیین کند که یک کالری گرما معادل 4.186 ژول کار مکانیکی است. دستگاه نشان داده شده در شکل. 6، ببرای تعیین معادل حرارتی انرژی الکتریکی استفاده شد.

قانون اول ترمودینامیک بسیاری از پدیده های روزمره را توضیح می دهد. به عنوان مثال، مشخص می شود که چرا نمی توانید آشپزخانه را با یخچال اوپن خنک کنید. بیایید فرض کنیم که آشپزخانه را از محیط عایق کرده ایم. انرژی به طور مداوم از طریق سیم برق یخچال به سیستم تامین می شود، اما سیستم هیچ انرژی آزاد نمی کند. بنابراین، کل انرژی آن افزایش می یابد و آشپزخانه به طور فزاینده ای گرم می شود: کافی است لوله های مبدل حرارتی (کندانسور) را در دیواره پشتی یخچال لمس کنید و بی فایده بودن آن را به عنوان یک وسیله "خنک کننده" درک خواهید کرد. اما اگر این لوله‌ها خارج از سیستم (مثلاً بیرون از پنجره) گرفته می‌شدند، آشپزخانه بیش از آنچه دریافت می‌کرد، انرژی تولید می‌کرد، یعنی. خنک می شود و یخچال مانند یک تهویه مطبوع پنجره ای کار می کند.

قانون اول ترمودینامیک یک قانون طبیعت است که ایجاد یا تخریب انرژی را حذف می کند. با این حال، در مورد چگونگی انجام فرآیندهای انتقال انرژی در طبیعت چیزی نمی گوید. بنابراین، ما می دانیم که اگر این اجسام در تماس باشند، یک جسم گرم، یک جسم سرد را گرم می کند. اما آیا جسم سرد به خودی خود می تواند ذخیره گرمایی خود را به جسم گرم منتقل کند؟ احتمال دوم به طور قاطع توسط قانون دوم ترمودینامیک رد شده است.

اصل اول همچنین امکان ایجاد موتوری با ضریب کارایی (بازده) بیش از 100% را رد می کند (چنین موتور "همیشگی" می تواند برای هر مدت زمان انرژی بیشتری نسبت به مصرف انرژی خود تامین کند). ساخت موتور حتی با راندمان 100٪ غیرممکن است زیرا بخشی از انرژی عرضه شده به آن لزوماً باید توسط آن به شکل انرژی حرارتی کمتر مفید از بین برود. بنابراین، چرخ برای مدت طولانی بدون تامین انرژی نمی‌چرخد، زیرا به دلیل اصطکاک در یاتاقان‌ها، انرژی حرکت مکانیکی به تدریج تبدیل به گرما می‌شود تا زمانی که چرخ متوقف شود.

تمایل به تبدیل کار "مفید" به انرژی کمتر مفید - گرما - را می توان با فرآیند دیگری مقایسه کرد که زمانی رخ می دهد که دو ظرف حاوی گازهای مختلف به هم متصل شوند. پس از مدت طولانی صبر کردن، مخلوطی همگن از گازها را در هر دو ظرف می یابیم - طبیعت به گونه ای عمل می کند که نظم سیستم کاهش می یابد. معیار ترمودینامیکی این بی نظمی آنتروپی نامیده می شود و قانون دوم ترمودینامیک را می توان به گونه ای دیگر فرموله کرد: فرآیندها در طبیعت همیشه به گونه ای پیش می روند که آنتروپی سیستم و محیط آن افزایش می یابد. بنابراین، انرژی جهان ثابت می ماند، اما آنتروپی آن به طور مداوم افزایش می یابد.

گرما و خواص مواد.

مواد مختلف توانایی های متفاوتی برای ذخیره انرژی حرارتی دارند. این بستگی به ساختار مولکولی و چگالی آنها دارد. مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای یک واحد جرم یک ماده را آن می گویند ظرفیت گرمایی ویژه. ظرفیت گرمایی بستگی به شرایطی دارد که ماده در آن قرار دارد. به عنوان مثال، برای گرم کردن یک گرم هوا در یک بالون به میزان 1 K، گرمای بیشتری نسبت به همان گرمایش در یک ظرف مهر و موم شده با دیواره های سفت و سخت مورد نیاز است، زیرا بخشی از انرژی منتقل می شود. بالون هوای گرم، صرف گسترش هوا می شود و نه برای گرم کردن آن. بنابراین، به طور خاص، ظرفیت گرمایی گازها به طور جداگانه در فشار ثابت و در حجم ثابت اندازه گیری می شود.

با افزایش دما، شدت حرکت هرج و مرج مولکول ها افزایش می یابد - بیشتر مواد هنگام گرم شدن منبسط می شوند. درجه انبساط یک ماده زمانی که دما 1 K افزایش یابد ضریب انبساط حرارتی نامیده می شود.

برای اینکه یک ماده از یک حالت فازی به حالت دیگر، مثلاً از جامد به مایع (و گاهی مستقیماً به گاز) حرکت کند، باید مقدار معینی گرما دریافت کند. اگر یک جامد را گرم کنید، دمای آن افزایش می یابد تا زمانی که شروع به ذوب شدن کند. تا زمانی که ذوب کامل شود، با وجود اضافه شدن گرما، دمای بدن ثابت می ماند. مقدار گرمای لازم برای ذوب یک واحد جرم یک ماده را گرمای همجوشی می گویند. اگر حرارت را بیشتر اعمال کنید، ماده مذاب به جوش می آید. مقدار حرارت مورد نیاز برای تبخیر یک واحد جرم مایع در دمای معین را گرمای تبخیر می نامند.

نظریه سینتیک مولکولی.

تئوری جنبشی مولکولی خواص ماکروسکوپی یک ماده را با در نظر گرفتن رفتار اتم ها و مولکول های سازنده این ماده در سطح میکروسکوپی توضیح می دهد. در این مورد از یک رویکرد آماری استفاده می شود و فرضیاتی در رابطه با خود ذرات و ماهیت حرکت آنها مطرح می شود. بنابراین، مولکول‌ها توپ‌های جامدی در نظر گرفته می‌شوند که در محیط‌های گازی در حرکت بی‌نظم پیوسته هستند و فواصل قابل توجهی را از یک برخورد به برخورد دیگر می‌پوشانند. برخوردها الاستیک در نظر گرفته می شوند و بین ذراتی که اندازه آنها کوچک است اما تعداد آنها بسیار زیاد است رخ می دهد. هیچ یک از گازهای واقعی دقیقاً با این مدل مطابقت ندارد، اما بیشتر گازها کاملاً به آن نزدیک هستند که ارزش عملی نظریه جنبشی مولکولی را تعیین می کند.

بر اساس این ایده ها و با استفاده از یک رویکرد آماری، ماکسول توزیع سرعت مولکول های گاز را در حجم محدودی بدست آورد که بعدها به نام او نامگذاری شد. این توزیع به صورت گرافیکی در شکل 1 نشان داده شده است. 7 برای جرم معینی از هیدروژن در دماهای 100 و 1000 درجه سانتیگراد. تعداد کل ذرات برابر با مساحت زیر هر منحنی است و در هر دو حالت یکسان است. نمودار نشان می دهد که بیشتر ذرات سرعتی نزدیک به مقدار متوسط ​​دارند و فقط تعداد کمی از آنها دارای سرعت بسیار بالا یا پایین هستند. سرعت متوسط ​​در دماهای نشان داده شده در محدوده 2000-3000 متر بر ثانیه است، یعنی. بسیار بزرگ

تعداد زیادی از این مولکول‌های گازی که سریع حرکت می‌کنند با نیروی کاملاً قابل اندازه‌گیری بر روی اجسام اطراف عمل می‌کنند. نیروهای میکروسکوپی که با آن مولکول‌های گاز متعددی به دیواره‌های ظرف برخورد می‌کنند، مقداری ماکروسکوپی به نام فشار را تشکیل می‌دهند. هنگامی که انرژی به گاز داده می شود (دما افزایش می یابد)، متوسط ​​انرژی جنبشی مولکول های آن افزایش می یابد، ذرات گاز بیشتر و شدیدتر به دیواره ها برخورد می کنند، فشار افزایش می یابد و اگر دیواره ها کاملاً صلب نباشند، کش می شوند و حجم آنها افزایش می یابد. گاز افزایش می یابد. بنابراین، رویکرد آماری میکروسکوپی زیربنای نظریه جنبشی مولکولی به ما امکان می دهد پدیده انبساط حرارتی را که مورد بحث قرار دادیم توضیح دهیم.

یکی دیگر از نتایج تئوری جنبشی مولکولی، قانونی است که خواص گازی را که الزامات ذکر شده در بالا را برآورده می کند، توصیف می کند. این معادله به اصطلاح حالت گاز ایده آل، فشار، حجم و دمای یک مول گاز را مرتبط می کند و شکل

PV = RT,

جایی که پ- فشار، V- جلد، تی- دما، و آر– ثابت گاز جهانی برابر با (0.00026 ± 8.31441) J/(mol K). ترمودینامیک.

انتقال حرارت

انتقال حرارت فرآیند انتقال گرما در یک جسم یا از جسمی به جسم دیگر به دلیل اختلاف دما است. شدت انتقال حرارت به خواص ماده، اختلاف دما بستگی دارد و از قوانین تجربی تعیین شده طبیعت پیروی می کند. برای ایجاد کارآمد سیستم های گرمایش یا سرمایش، موتورهای مختلف، نیروگاه ها و سیستم های عایق حرارتی، باید اصول انتقال حرارت را بدانید. در برخی موارد، تبادل حرارت نامطلوب است (عایق حرارتی کوره های ذوب، سفینه های فضاییو غیره)، در حالی که در دیگران باید تا حد امکان بزرگ باشد (دیگ بخار، مبدل های حرارتی، ظروف آشپزخانه).

سه نوع اصلی انتقال حرارت وجود دارد: رسانایی، همرفتی و انتقال حرارت تابشی.

رسانایی گرمایی.

اگر در داخل بدن اختلاف دما وجود داشته باشد، انرژی حرارتی از قسمت گرمتر بدن به قسمت سردتر منتقل می شود. این نوع انتقال حرارت که در اثر حرکات حرارتی و برخورد مولکول ها ایجاد می شود، هدایت حرارتی نامیده می شود. در دماهای به اندازه کافی بالا در جامدات می توان آن را به صورت بصری مشاهده کرد. بنابراین، هنگامی که یک میله فولادی از یک طرف در شعله یک مشعل گاز گرم می شود، انرژی حرارتی در امتداد میله منتقل می شود و درخشش در فاصله معینی از انتهای گرم شده پخش می شود (با فاصله از محل گرمایش، شدت کمتری دارد. ).

شدت انتقال حرارت به دلیل هدایت حرارتی به گرادیان دما بستگی دارد، یعنی. رابطه D تی/D ایکساختلاف دما در انتهای میله به فاصله بین آنها. همچنین به سطح مقطع میله (در متر مربع) و ضریب هدایت حرارتی ماده [در واحدهای مربوطه W/(mH K)] بستگی دارد. رابطه بین این مقادیر توسط ریاضیدان فرانسوی J. Fourier به دست آمده است و به شکل زیر است:

جایی که q- جریان دما، کضریب هدایت حرارتی است و آ- سطح مقطع این رابطه را قانون هدایت حرارتی فوریه می نامند. علامت منفی در آن نشان می دهد که گرما در جهت مخالف گرادیان دما منتقل می شود.

از قانون فوریه چنین استنباط می شود که جریان گرما را می توان با کاهش یکی از کمیت ها کاهش داد - ضریب هدایت حرارتی، سطح یا گرادیان دما. برای یک ساختمان در شرایط زمستانی، مقادیر دوم عملاً ثابت است، و بنابراین، برای حفظ دمای مورد نظر در اتاق، کاهش رسانایی حرارتی دیوارها، یعنی. عایق حرارتی آنها را بهبود بخشد.

جدول ضرایب هدایت حرارتی برخی از مواد و مواد را نشان می دهد. جدول نشان می دهد که برخی از فلزات بسیار بهتر از سایرین گرما را هدایت می کنند، اما همه آنها به طور قابل توجهی رسانای گرما بهتری نسبت به هوا و مواد متخلخل هستند.

رسانایی حرارتی فلزات به دلیل نوسانات است شبکه کریستالیو حرکت تعداد زیادی الکترون آزاد (که گاهی گاز الکترونی نامیده می شود). حرکت الکترون‌ها همچنین مسئول هدایت الکتریکی فلزات است، بنابراین جای تعجب نیست که رسانای خوب گرما (مثلا نقره یا مس) رسانای خوبی برای الکتریسیته باشند.

مقاومت حرارتی و الکتریکی بسیاری از مواد با کاهش دما به زیر دمای هلیوم مایع (1.8 K) به شدت کاهش می یابد. این پدیده که ابررسانایی نامیده می‌شود، برای بهبود کارایی بسیاری از دستگاه‌ها - از دستگاه‌های میکروالکترونیک گرفته تا خطوط برق و آهن‌رباهای الکتریکی بزرگ، استفاده می‌شود.

همرفت.

همانطور که قبلاً گفتیم، هنگامی که گرما به مایع یا گاز می رسد، شدت حرکت مولکولی افزایش می یابد و در نتیجه فشار افزایش می یابد. اگر مایع یا گاز از نظر حجم محدود نباشد، منبسط می شود. چگالی موضعی مایع (گاز) کوچکتر می شود و به لطف نیروهای شناوری (ارشمیدسی)، قسمت گرم شده محیط به سمت بالا حرکت می کند (به همین دلیل است که هوای گرم اتاق از رادیاتورها به سقف بالا می رود). این پدیده همرفت نامیده می شود. برای اینکه گرمای سیستم گرمایش را هدر ندهید، باید از بخاری های مدرن استفاده کنید که گردش هوای اجباری را فراهم می کنند.

جریان گرمای همرفتی از بخاری به محیط گرم شده به سرعت اولیه حرکت مولکول ها، چگالی، ویسکوزیته، هدایت حرارتی و ظرفیت گرمایی و محیط بستگی دارد. اندازه و شکل بخاری نیز بسیار مهم است. رابطه بین مقادیر متناظر از قانون نیوتن پیروی می کند

q = hA (T W - T Ґ ),

جایی که q- جریان گرما (اندازه گیری شده بر حسب وات) آ- مساحت سطح منبع حرارت (در متر مربع) تی دبلیوو تیҐ – دمای منبع و محیط آن (به کلوین). ضریب انتقال حرارت همرفتی ساعتبه خواص محیط، سرعت اولیه مولکول های آن و همچنین به شکل منبع گرما بستگی دارد و در واحد W/(m 2 H K) اندازه گیری می شود.

اندازه ساعتبرای مواردی که هوای اطراف بخاری ساکن است (همرفت آزاد) و زمانی که همان بخاری در جریان هوا است (همرفت اجباری) یکسان نیست. که در موارد سادهجریان سیال از طریق یک لوله یا جریان در اطراف ضریب سطح صاف ساعترا می توان به صورت تئوری محاسبه کرد. با این حال، پیدا کنید راه حل تحلیلیمشکل همرفت برای یک جریان آشفته یک محیط هنوز به دست نیامده است. آشفتگی یک حرکت پیچیده مایع (گاز) است که در مقیاسی بسیار بزرگتر از مولکولی آشفته است.

اگر یک جسم گرم (یا برعکس، سرد) در یک محیط ثابت یا در یک جریان قرار گیرد، جریان های همرفتی و یک لایه مرزی در اطراف آن تشکیل می شود. دما، فشار و سرعت حرکت مولکول ها در این لایه نقش مهمی در تعیین ضریب انتقال حرارت همرفتی دارد.

همرفت باید در طراحی مبدل های حرارتی، سیستم های تهویه مطبوع، هواپیماهای پرسرعت و بسیاری از کاربردهای دیگر مورد توجه قرار گیرد. در تمام این سیستم‌ها، هدایت حرارتی همزمان با همرفت و هر دو بین آنها اتفاق می‌افتد مواد جامد، و در محیط آنها. در دماهای بالاانتقال حرارت تابشی نیز می تواند نقش مهمی ایفا کند.

انتقال حرارت تابشی

نوع سوم انتقال حرارت - انتقال حرارت تابشی - با هدایت حرارتی و همرفت متفاوت است زیرا در این حالت گرما از طریق خلاء قابل انتقال است. شباهت آن با سایر روش های انتقال حرارت این است که به دلیل اختلاف دما نیز ایجاد می شود. تابش حرارتی یکی از انواع آن است تابش الکترومغناطیسی. انواع دیگر آن - موج رادیویی، اشعه ماوراء بنفش و گاما - در غیاب اختلاف دما بوجود می آیند.

در شکل شکل 8 وابستگی انرژی تابش حرارتی (مادون قرمز) به طول موج را نشان می دهد. تابش حرارتی می تواند با انتشار نور مرئی همراه باشد، اما انرژی آن در مقایسه با انرژی تابش از قسمت نامرئی طیف ناچیز است.

شدت انتقال حرارت توسط رسانش و جابجایی متناسب با دما است و جریان گرمای تابشی متناسب با توان چهارم دما است و از قانون استفان بولتزمن پیروی می کند.

جایی که مثل قبل q- جریان گرما (بر حسب ژول در ثانیه، یعنی بر حسب W)، آمساحت جسم تابشی (در متر مربع) است و تی 1 و تی 2- درجه حرارت (بر حسب کلوین) بدن تشعشع کننده و محیط جذب کننده این تابش. ضریب سثابت استفان – بولتزمن نامیده می شود و برابر با (0.00096 ± 5.66961) H 10 –8 W/(m 2 H K 4) است.

قانون ارائه شده تابش حرارتی فقط برای یک تابش دهنده ایده آل - به اصطلاح جسم کاملا سیاه - معتبر است. هیچ بدن واقعی مانند این نیست، اگرچه یک سطح سیاه صاف در خواص خود به یک جسم کاملا سیاه نزدیک می شود. سطوح سبک نسبتاً ضعیف ساطع می کنند. برای در نظر گرفتن انحراف از ایده آل بودن بدن های "خاکستری" متعدد، در سمت راستبیانی که قانون استفان بولتزمن را توصیف می کند، ضریب کمتری از وحدت معرفی می شود که به آن گسیل می گویند. برای یک سطح مشکی صاف این ضریب می تواند به 0.98 برسد و برای یک آینه فلزی جلا داده شده از 0.05 تجاوز نمی کند. بر این اساس، ظرفیت جذب تشعشع برای یک جسم سیاه زیاد و برای یک بدنه آینه کم است.

فضاهای مسکونی و اداری اغلب با ساطع کننده های حرارتی الکتریکی کوچک گرم می شوند. درخشش مایل به قرمز مارپیچ آنها تابش حرارتی قابل مشاهده است، نزدیک به لبه قسمت مادون قرمز طیف. اتاق با گرما گرم می شود که عمدتاً توسط قسمت نامرئی و مادون قرمز تابش منتقل می شود. دستگاه های دید در شب از یک منبع تابش حرارتی و یک گیرنده حساس به مادون قرمز استفاده می کنند تا امکان دید در تاریکی را فراهم کنند.

خورشید یک ساطع کننده قدرتمند انرژی حرارتی است. حتی در فاصله 150 میلیون کیلومتری زمین را گرم می کند. شدت تابش خورشیدی که سال به سال توسط ایستگاه های واقع در بسیاری از نقاط کره زمین ثبت می شود تقریباً 1.37 W/m2 است. انرژی خورشیدی منبع حیات در زمین است. جستجوی راه‌هایی برای استفاده مؤثرتر از آن در حال انجام است. پنل های خورشیدی برای گرم کردن خانه ها و تولید برق برای نیازهای خانگی ساخته شده اند.

نقش گرما و استفاده از آن

انتقال گرما (به دلیل هدایت حرارتی) از هسته مذاب زمین به سطح آن منجر به فوران های آتشفشانی و ظهور آبفشان ها می شود. در برخی مناطق از انرژی زمین گرمایی برای گرمایش فضا و تولید برق استفاده می شود.

گرما بخش جدایی ناپذیر تقریباً همه است فرآیندهای تولید. به مهمترین آنها مانند ذوب و فرآوری فلزات، کارکرد موتور، تولید اشاره می کنیم محصولات غذایی، سنتز شیمیایی، پالایش نفت، تولید طیف گسترده ای از اقلام - از آجر و ظروف گرفته تا اتومبیل و دستگاه های الکترونیکی.

زیاد تولید صنعتیو حمل و نقل، و همچنین نیروگاه های حرارتی، نمی توانند بدون موتورهای حرارتی کار کنند - دستگاه هایی که گرما را به تبدیل می کنند کار مفید. نمونه هایی از این ماشین ها عبارتند از کمپرسورها، توربین ها، بخار، موتورهای بنزینی و جت.

یکی از معروف ترین موتورهای حرارتی، توربین بخار است که بخشی از چرخه رانکین مورد استفاده در نیروگاه های مدرن را اجرا می کند. یک نمودار ساده از این چرخه در شکل نشان داده شده است. 9. سیال عامل - آب - در یک دیگ بخار به بخار فوق گرم تبدیل می شود و با سوزاندن سوخت های فسیلی (زغال سنگ، نفت یا روغن) گرم می شود. گاز طبیعی). بخار فشار بالاشفت یک توربین بخار را می چرخاند که ژنراتوری را به حرکت در می آورد که برق تولید می کند. بخار خروجی هنگام خنک شدن توسط آب جاری متراکم می شود که مقداری از گرمای استفاده نشده در چرخه رانکین را جذب می کند. سپس آب به برج خنک کننده می رسد و از آنجا بخشی از گرما به اتمسفر آزاد می شود. میعانات با استفاده از پمپ به دیگ بخار برگردانده می شود و کل چرخه تکرار می شود.

تمام فرآیندهای چرخه رانکین اصول ترمودینامیک شرح داده شده در بالا را نشان می دهند. به ویژه، طبق قانون دوم، بخشی از انرژی مصرف شده توسط یک نیروگاه باید در آن تلف شود محیطبه شکل گرما به نظر می رسد که تقریباً 68 درصد از انرژی موجود در سوخت های فسیلی در این راه از بین می رود. افزایش قابل توجه در راندمان یک نیروگاه تنها با افزایش دمای دیگ بخار (که توسط مقاومت حرارتی مواد محدود می شود) یا کاهش دمای محیطی که گرما می رود، به دست می آید. جو

چرخه ترمودینامیکی دیگری که دارد پراهمیتدر ما زندگی روزمره، یک سیکل رانکین تبرید کمپرسور بخار است که نمودار آن در شکل نشان داده شده است. 10. در یخچال ها و کولرهای خانگی انرژی برای تامین آن از بیرون تامین می شود. کمپرسور دما و فشار ماده کار یخچال - فریون، آمونیاک یا دی اکسید کربن را افزایش می دهد. گاز فوق گرم به کندانسور عرضه می شود، جایی که خنک می شود و متراکم می شود و گرما را به محیط آزاد می کند. مایع خروجی از لوله های کندانسور از طریق دریچه گاز وارد اواپراتور شده و بخشی از آن تبخیر می شود که همراه با کاهش شدیددرجه حرارت. اواپراتور گرما را از محفظه یخچال می گیرد که سیال کار در لوله ها را گرم می کند. این مایع توسط کمپرسور به کندانسور می رسد و چرخه دوباره تکرار می شود.

چرخه تبرید نشان داده شده در شکل. 10، همچنین می تواند در یک پمپ حرارتی استفاده شود. چنین پمپ های حرارتی در تابستان گرما را به آب گرم منتقل می کنند هوای جویو اتاق را تهویه می کنند و در زمستان برعکس از هوای سرد گرما می گیرند و اتاق را گرم می کنند.

منبع مهم گرما برای اهدافی مانند تولید برق و حمل و نقل، واکنش های هسته ای خدمت می کنند. در سال 1905 A. Einstein نشان داد که جرم و انرژی با این رابطه مرتبط هستند E=mc 2، یعنی می توانند به یکدیگر تبدیل شوند. سرعت نور جبسیار زیاد: 300 هزار کیلومتر بر ثانیه این بدان معنی است که حتی مقدار کمی از یک ماده می تواند مقدار زیادی انرژی ایجاد کند. بنابراین از 1 کیلوگرم ماده شکافت پذیر (مثلا اورانیوم) از نظر تئوری می توان انرژی ای را که یک نیروگاه 1 مگاواتی در 1000 روز کار مداوم فراهم می کند به دست آورد.

فرآیند انتقال انرژی از جسمی به جسم دیگر بدون انجام کار نامیده می شود تبادل حرارتیا انتقال حرارت. تبادل گرما بین اجسامی که دارند اتفاق می افتد دماهای مختلف. وقتی تماس بین اجسامی با دماهای مختلف برقرار می شود، بخشی از انرژی درونی از جسمی با دمای بالاتر به جسمی با دمای پایین تر منتقل می شود. انرژی انتقال یافته به جسم در نتیجه تبادل حرارت نامیده می شود مقدار گرما.

ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده:

اگر فرآیند انتقال حرارت همراه با کار نباشد، بر اساس قانون اول ترمودینامیک، مقدار گرما برابر است با تغییر انرژی درونی بدن: .

میانگین انرژی حرکت انتقالی تصادفی مولکول ها با دمای مطلق متناسب است. تغییر انرژی درونی یک جسم برابر است با مجموع جبری تغییرات انرژی تمام اتم ها یا مولکول ها که تعداد آنها متناسب با جرم بدن است، بنابراین تغییر انرژی درونی و در نتیجه، مقدار گرما متناسب با جرم و تغییر دما است:

ضریب تناسب در این معادله نامیده می شود ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده. ظرفیت گرمایی ویژه نشان می دهد که برای گرم کردن 1 کیلوگرم ماده به میزان 1 K، چه مقدار گرما لازم است.

کار در ترمودینامیک:

در مکانیک، کار به عنوان حاصل ضرب مدول نیرو و جابجایی و کسینوس زاویه بین آنها تعریف می شود. کار زمانی انجام می شود که نیرویی بر جسم متحرک وارد شود و برابر با تغییر انرژی جنبشی آن باشد.

در ترمودینامیک، حرکت یک جسم به عنوان یک کل مورد توجه قرار نمی گیرد. در نتیجه حجم بدن تغییر می کند اما سرعت آن برابر با صفر باقی می ماند. کار در ترمودینامیک مانند مکانیک تعریف می شود، اما برابر است با تغییر نه در انرژی جنبشی بدن، بلکه در انرژی درونی آن.

هنگامی که کار انجام می شود (فشرده سازی یا انبساط)، انرژی داخلی گاز تغییر می کند. دلیل این امر این است: در طول برخوردهای الاستیک مولکول های گاز با پیستون متحرک، انرژی جنبشی آنها تغییر می کند.

اجازه دهید کار انجام شده توسط گاز در حین انبساط را محاسبه کنیم. گاز به پیستون نیرو وارد می کند
، جایی که - فشار گاز و - مساحت سطح پیستون وقتی گاز منبسط می شود، پیستون در جهت نیرو حرکت می کند فاصله کوتاه
. اگر فاصله کم باشد، فشار گاز را می توان ثابت در نظر گرفت. کار انجام شده توسط گاز عبارت است از:

جایی که
- تغییر حجم گاز

در فرآیند انبساط گاز، کار مثبتی انجام می دهد، زیرا جهت نیرو و جابجایی منطبق است. در طول فرآیند انبساط، گاز انرژی را به اجسام اطراف آزاد می کند.

کاری که اجسام خارجی روی گاز انجام می دهند با کاری که گاز انجام می دهد فقط در علامت تفاوت دارد
، از آنجا که قدرت ، که بر روی گاز تأثیر می گذارد، مخالف نیرو است ، که با آن گاز روی پیستون عمل می کند و از نظر مدول با آن برابر است (قانون سوم نیوتن). اما جنبش ثابت می ماند. بنابراین کار کنید نیروهای خارجیبرابر است با:

.

قانون اول ترمودینامیک:

قانون اول ترمودینامیک قانون بقای انرژی است که به پدیده های حرارتی تعمیم داده شده است. قانون بقای انرژی: انرژی در طبیعت از هیچ به وجود نمی آید و ناپدید نمی شود: مقدار انرژی تغییر نمی کند، فقط از شکلی به شکل دیگر منتقل می شود.

ترمودینامیک اجسامی را در نظر می گیرد که مرکز ثقل آنها تقریباً بدون تغییر باقی می ماند. انرژی مکانیکی چنین اجسامی ثابت می ماند و فقط انرژی درونی می تواند تغییر کند.

انرژی داخلی می تواند به دو صورت تغییر کند: انتقال حرارت و کار. در حالت کلی انرژی داخلی هم در اثر انتقال حرارت و هم در اثر کار انجام شده تغییر می کند. قانون اول ترمودینامیک دقیقاً برای موارد کلی فرموله شده است:

تغییر انرژی درونی یک سیستم در هنگام انتقال از یک حالت به حالت دیگر برابر است با مجموع کار نیروهای خارجی و مقدار گرمای منتقل شده به سیستم:

اگر سیستم ایزوله باشد، هیچ کاری روی آن انجام نمی شود و حرارت را با اجسام اطراف مبادله نمی کند. طبق قانون اول ترمودینامیک انرژی داخلی یک سیستم ایزوله بدون تغییر باقی می ماند.

با توجه به اینکه
قانون اول ترمودینامیک را می توان به صورت زیر نوشت:

مقدار گرمای منتقل شده به سیستم برای تغییر انرژی داخلی آن و انجام کار روی اجسام خارجی توسط سیستم می رود.

قانون دوم ترمودینامیک: در غیاب تغییرات همزمان دیگر در هر دو سیستم یا اجسام اطراف، انتقال گرما از یک سیستم سردتر به سیستم گرمتر غیرممکن است.

در این درس یاد خواهیم گرفت که چگونه مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک جسم یا آزاد شده توسط آن هنگام خنک شدن را محاسبه کنیم. برای این کار، دانشی را که در دروس قبلی به دست آمده بود، خلاصه می کنیم.

علاوه بر این، با استفاده از فرمول مقدار گرما، یاد خواهیم گرفت که مقادیر باقیمانده از این فرمول را بیان کرده و با دانستن مقادیر دیگر، آنها را محاسبه کنیم. نمونه ای از مسئله با راه حلی برای محاسبه مقدار گرما نیز در نظر گرفته خواهد شد.

این درس به محاسبه مقدار گرما زمانی که جسم گرم می شود یا هنگام سرد شدن آزاد می شود اختصاص دارد.

توانایی محاسبه مقدار حرارت مورد نیاز بسیار مهم است. این ممکن است برای مثال هنگام محاسبه مقدار گرمایی که برای گرم کردن یک اتاق به آب منتقل می شود مورد نیاز باشد.

برنج. 1. مقدار حرارتی که باید به آب داده شود تا اتاق گرم شود

یا برای محاسبه مقدار گرمایی که هنگام سوزاندن سوخت در موتورهای مختلف آزاد می شود:

برنج. 2. مقدار حرارتی که هنگام سوختن سوخت در موتور آزاد می شود

این دانش همچنین برای تعیین میزان گرمایی که توسط خورشید آزاد می شود و روی زمین می افتد مورد نیاز است:

برنج. 3. مقدار گرمای آزاد شده توسط خورشید و سقوط بر روی زمین

برای محاسبه مقدار گرما، باید سه چیز را بدانید (شکل 4):

• وزن بدن (که معمولاً با استفاده از ترازو قابل اندازه گیری است)؛
• تفاوت دمایی که بدن باید توسط آن گرم یا سرد شود (معمولاً با استفاده از دماسنج اندازه گیری می شود).
• ظرفیت گرمایی ویژه بدن (که از جدول مشخص می شود).

برنج. 4. آنچه برای تعیین آن باید بدانید

فرمولی که با آن مقدار گرما محاسبه می شود به صورت زیر است:

مقادیر زیر در این فرمول ظاهر می شود:

مقدار گرمای اندازه گیری شده بر حسب ژول (J)؛

ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده با واحد اندازه گیری می شود.

- اختلاف دما، بر حسب درجه سانتیگراد ().

بیایید مشکل محاسبه مقدار گرما را در نظر بگیریم.

وظیفه

یک لیوان مسی با جرم گرم حاوی آب به حجم لیتر در دما است. چه مقدار حرارت باید به یک لیوان آب منتقل شود تا دمای آن برابر شود؟

برنج. 5. تصویر شرایط مشکل

ابتدا بیایید بنویسیم شرایط کوتاه (داده شده) و تمام مقادیر را به سیستم بین المللی (SI) تبدیل کنید.

راه حل:

ابتدا تعیین کنید که برای حل این مشکل به چه مقادیر دیگری نیاز داریم. با استفاده از جدول ظرفیت گرمایی ویژه (جدول 1)، ما ( گرمای ویژهمس، از آنجایی که طبق شرایط شیشه مس است)، (ظرفیت حرارتی خاص آب، زیرا طبق شرایط، آب در لیوان وجود دارد). علاوه بر این، می دانیم که برای محاسبه مقدار گرما به جرم آب نیاز داریم. طبق شرط فقط حجم به ما داده می شود. بنابراین از جدول چگالی آب را می گیریم: (جدول 2).

جدول 1. ظرفیت گرمایی ویژه برخی از مواد،

جدول 2. چگالی برخی مایعات

اکنون همه چیزهایی که برای حل این مشکل نیاز داریم در اختیار داریم.

توجه داشته باشید که مقدار حرارت نهایی شامل مجموع مقدار حرارت مورد نیاز برای گرم کردن شیشه مسی و مقدار حرارت مورد نیاز برای گرم کردن آب در آن خواهد بود:

ابتدا مقدار حرارت مورد نیاز برای گرم کردن یک لیوان مسی را محاسبه می کنیم:

قبل از محاسبه مقدار حرارت مورد نیاز برای گرم کردن آب، بیایید جرم آب را با استفاده از فرمولی که از درجه 7 برای ما آشناست محاسبه کنیم:

اکنون می توانیم محاسبه کنیم:

سپس می توانیم محاسبه کنیم:

بیایید به یاد بیاوریم که کیلوژول به چه معناست. پیشوند "کیلو" به معنای .

پاسخ:.

برای راحتی حل مسائل یافتن مقدار گرما (به اصطلاح مسائل مستقیم) و کمیت های مرتبط با این مفهوم می توانید از جدول زیر استفاده کنید.