Здравствуйте! Простой, казалось бы, вопрос — что такое теплота и количество теплоты. Однако, даже специалиста, работающего в теплоэнергетике не один год, он может поставить в тупик. Давайте разберемся.
При взаимодействии тел, имеющих неодинаковые температуры может происходит передача энергии от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой путем непосредственного соприкосновения и излучения. Такая форма передачи энергии называется теплотой, а количество переданной энергии – количеством теплоты.
Количество теплоты, получаемого или отдаваемого телом, существенным образом зависит от характера процесса, то есть является функцией процесса. Принято количество теплоты, подводимого к телу, считать положительным, а отводимого от него – отрицательным.
Если к рабочему телу подводится количество теплоты Q, которое полностью переходит в работу L, то работа строго соответствует (эквивалентна) количеству теплоты. В соответствии с этим принципом эквивалентности теплоты и работы, основывающемся на законе сохранении энергии, можно написать: Q = L. Здесь предполагается, что Q и L измеряются в одинаковых единицах (в системе СИ в Дж). Если Q и L измеряются в разных единицах, то принцип эквивалентности теплоты и работы может быть написан в виде:
Q = AL
Коэффициент A в этом уравнении носит название теплового эквивалента работы. Во всех процессах перехода теплоты в работу коэффициент A имеет одно и тоже постоянное значение. Во внесистемной системе единиц обычно Q измеряется в ккал, L – в кгс*см, тогда, согласно многочисленным опытам,
A = 1/427 ккал(кгс*м).
Это значит, что для получения 1 кгс*м работы требуется при полном переходе теплоты в работу 1/427 ккал. Наооборот, для получения 1 ккал необходимо преобразовать в тепло 427 кгс*м работы.
Определим, к примеру, количество теплоты, эквивалентного применяемой в технике величины – 1 кВт*ч; 1 кВт – единица мощности, равная 1 кДж/с = 102 кгс*м/с. 1 кВт*ч (1 кВт в течение часа) есть работа:
L = 1*3600 = 3600 кДж;
L = 102*3600 = 367200 кгс*м.
Количество теплоты, эквивалентного 1 кВт*ч:
Q = L = 3600 кДж;
Q = AL = 1/427 * 367200 = 860 ккал.
Итак, 1кВт*ч = 3600 кДж = 367200 кгс*м = 860 ккал.
Количество теплоты, затраченной на обогрев тела или выделившейся при его охлаждении можно найти из формулы:
Q = c*m * ΔT;
где Q – количество теплоты, c – удельная теплоёмкость вещества, из которого состоит тело, m – масса тела, ΔT – разность температур.
Таким образом, та энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, и называется количеством теплоты, а форма передачи энергии – теплотой. Количество теплоты - это одна из основных термодинамических величин в технической термодинамике.
Изменить внутреннюю энергию газа в цилиндре можно не только совершая работу, но и нагревая газ (рис. 43). Если закрепить поршень, то объем газа не будет изменяться, но температура, а следовательно, и внутренняя энергия будут возрастать.
Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называют теплообменом или теплопередачей.
Энергию, переданную телу в результате теплообмена, называют количеством теплоты. Количеством теплоты называют также энергию, которую тело отдает в процессе теплообмена.
Молекулярная картина теплообмена. При теплообмене на границе между телами происходит взаимодействие медленно движущихся молекул холодного тела с более быстро движущимися молекулами горячего тела. В результате кинетические энергии молекул выравниваются и скорости молекул холодного тела увеличиваются, а горячего уменьшаются.
При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую: часть внутренней энергии горячего тела передается холодному телу.
Количество теплоты и теплоемкость. Из курса физики VII класса известно, что для нагревания тела массой m от температуры t 1 до температуры t 2 необходимо сообщить ему количество теплоты
Q = cm(t 2 – t 1) = cmΔt. (4.5)
При остывании тела его извечная температура t
2 меньше начальной t
1 и количество теплоты, отдаваемое телом, отрицательно.
Коэффициент c
в формуле (4.5) называют удельной теплоемкостью
. Удельная теплоемкость – это количество теплоты, которое получает или отдает 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 К.
Удельную теплоемкость выражают в джоулях, деленных на килограмм, умноженный на кельвин. Различным телам требуется неодинаковое количество энергии для увеличения температуры на 1 К. Так, удельная теплоемкость воды 4190 Дж/(кг · К), а меди 380 Дж/(кг · К).
Удельная теплоемкость зависит не только от свойств вещества, но и от того, при каком процессе осуществляется теплопередача. Если нагревать газ при постоянном давлении, то он будет расширяться и совершать работу. Для нагревания газа на 1°C при постоянном давлении ему нужно будет передать большее количество теплоты, чем для нагревания его при постоянном объеме.
Жидкие и твердые тела расширяются при нагревании незначительно, и их удельные теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении мало различаются.
Удельная теплота парообразования. Для превращения жидкости в пар необходима передача ей определенного количества теплоты. Температура жидкости при этом превращении не меняется. Превращение жидкости в пар при постоянной температуре не ведет к увеличению кинетической энергии молекул, но сопровождается увеличением их потенциальной энергии. Ведь среднее расстояние между молекулами газа во много раз больше, чем между молекулами жидкости. Кроме того, увеличение объема при переходе вещества из жидкого состояния в газообразное требует совершения работы против сил внешнего давления.
Количество теплоты, необходимое для превращения при настоянной температуре 1 кг жидкости в пар, называют удельной теплотой парообразования. Обозначают эту величину буквой r и выражают в джоулях на килограмм.
Очень велика удельная теплота парообразования воды: 2,256 · 10 6 Дж/кг при температуре 100°C. У других жидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосин и др.) удельная теплота парообразования меньше в 3-10 раз.
Для превращения в пар жидкости массой m требуется количество теплоты, равное:
При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты
Q k = –rm. (4.7)
Удельная теплота плавления. При плавлении кристаллического тела вся подводимая к нему теплота идет на увеличение потенциальной энергии молекул. Кинетическая энергия молекул не меняется, так как плавление происходит при постоянной температуре.
Количество теплоты λ (лямбда), необходимое для превращения 1 кг кристаллического вещества при температуре плавления в жидкость той же температуры, называют удельной теплотой плавления.
При кристаллизации 1 кг вещества выделяется точно такое же количество теплоты. Удельная теплота плавления льда довольно велика: 3,4 · 10 5 Дж/кг.
Для того чтобы расплавить кристаллическое тело массой m, необходимо количество теплоты, равное:
Q пл = λm. (4.8)
Количество теплоты, выделяемое при кристаллизации тела, равно:
Q кр = – λm. (4.9)
1. Что называют количеством теплоты? 2. От чего зависит удельная теплоемкость веществ? 3. Что называют удельной теплотой парообразования? 4. Что называют удельной теплотой плавления? 5. В каких случаях количество переданной теплоты отрицательно?
Понятие о количестве теплоты сформировалось на ранних стадиях развития современной физики, когда еще не существовало внятных представлений о внутреннем строении вещества, о том, что такое энергия, о том какие формы энергии существуют в природе и об энергии, как форме движения и превращения материи.
Под количеством теплоты понимается физическая величина эквивалентная переданной материальному телу энергии в процессе теплового обмена.
Устаревшей единицей количества теплоты является калория, равная 4.2 Дж, сегодня данная единица практически не применяется, а ее место занял джоуль.
Изначально предполагалось, что переносчиком тепловой энергии является некая совершенно невесомая среда, имеющая свойства жидкости. Многочисленные физические задачи теплопереноса решались и до сих пор решаются исходя из такой предпосылки. Существование гипотетического теплорода было положено в основу множества правильных в сущности построений. Считалось, что теплород выделяется и поглощается в явлениях нагрева и остывания, плавления и кристаллизации. Верные уравнения процессов теплообмена были получены исходя из неверных физических концепций. Известен закон, согласно которому количество теплоты прямо пропорционально массе тела, участвующего в теплообмене, и градиенту температуры:
Где Q – количество теплоты, m масса тела, а коэффициент с – величина, получившая название удельной теплоемкости. Удельная теплоемкость – есть характеристика вещества участвующего в процессе.
Работа в термодинамике
В результат тепловых процессов может совершаться чисто механическая работа. Например, нагреваясь, газ увеличивает свой объем. Возьмем ситуацию, как на рисунке ниже:
В данном случае механическая работа окажется равной силе давления газа на поршень умноженной на путь, проделанный поршнем под давлением. Разумеется, это простейший случай. Но даже в нем можно заметить одну сложность: сила давления будет зависеть от объема газа, а, значит, мы имеем дело не с константами, а с переменными величинами. Поскольку все три переменные: давление, температура и объем связаны друг с другом, то подсчет работы существенно усложняется. Выделяют некоторые идеальные, бесконечно-медленные процессы: изобарный, изотермический, адиабатный и изохорный – для которых такие расчеты можно выполнить относительно просто. Строится график зависимости давления от объема и работа вычисляется как интеграл вида:
Например, для изотермического процесса зависимость P от V будет гиперболой:
А формула для работы:
Аналогичные подсчеты можно выполнить и для других процессов.
ТЕПЛООБМЕН.
1.Теплообмен.
Теплообмен или теплопередача – это процесс передачи внутренней энергии одного тела другому без совершения работы.
Существуют три вида теплообмена.
1) Теплопроводность – это теплообмен между телами при их непосредственном контакте.
2) Конвекция – это теплообмен, при котором перенос тепла осуществляется потоками газа или жидкости.
3) Излучение – это теплообмен посредством электромагнитного излучения.
2.Количество теплоты.
Количество теплоты – это мера изменения внутренней энергии тела при теплообмене. Обозначается буквой Q .
Единица измерения количества теплоты = 1 Дж.
Количество теплоты, полученное телом от другого тела в результате теплообмена, может тратиться на увеличение температуры (увеличение кинетической энергии молекул) или на изменение агрегатного состояния (увеличение потенциальной энергии).
3.Удельная теплоёмкость вещества.
Опыт показывает, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от температуры Т 1 до температуры Т 2 пропорционально массе тела m и разности температур (Т 2 – Т 1), т.е.
Q = cm (Т 2 – Т 1 ) = с m Δ Т,
с называется удельной теплоёмкостью вещества нагреваемого тела.
Удельная теплоёмкость вещества равна количеству теплоту, которое необходимо сообщить 1 кг вещества, чтобы нагреть его на 1 К.
Единица измерения удельной теплоёмкости =.
Значения теплоёмкости различных веществ можно найти в физических таблицах.
Точно такое же количество теплоты Q будет выделяться при охлаждении тела на ΔТ.
4.Удельная теплота парообразования.
Опыт показывает, что количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар, пропорционально массе жидкости, т.е.
Q = Lm ,
где коэффициент пропорциональности L называется удельной теплотой парообразования.
Удельная теплота парообразования равна количеству теплоты, которое необходимо для превращения в пар 1 кг жидкости, находящейся при температуре кипения.
Единица измерения удельной теплоты парообразования .
При обратном процессе, конденсации пара, теплота выделяется в том же количестве, которое затрачено на парообразование.
5.Удельная теплота плавления.
Опыт показывает, что количество теплоты, необходимое для превращения твёрдого тела в жидкость, пропорционально массе тела, т.е.
Q = λ m ,
где коэффициент пропорциональности λ называется удельной теплотой плавления.
Удельная теплота плавления равна количеству теплоты, которое необходимо для превращения в жидкость твёрдого тела массой 1 кг при температуре плавления.
Единица измерения удельной теплоты плавления .
При обратном процессе, кристаллизации жидкости, теплота выделяется в том же количестве, которое затрачено на плавление.
6.Удельная теплота сгорания.
Опыт показывает, что количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива, пропорционально массе топлива, т.е.
Q = q m ,
Где коэффициент пропорциональности q называется удельной теплотой сгорания.
Удельная теплота сгорания равна количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива.
Единица измерения удельной теплоты сгорания.
7.Уравнение теплового баланса.
В теплообмене участвуют два или более тела. Одни тела отдают теплоту, а другие принимают. Теплообмен происходит до тех пор, пока температуры тел не станут равными. По закону сохранения энергии, количество теплоты, которое отдаётся, равно количеству, которое принимается. На этом основании записывается уравнение теплового баланса.
Рассмотрим пример.
Тело массой m 1 , теплоёмкость которого с 1 , имеет температуру Т 1 , а тело массой m 2 , теплоёмкость которого с 2 , имеет температуру Т 2 . Причём Т 1 больше Т 2 . Эти тела приведены в соприкосновение. Опыт показывает, что холодное тело (m 2) начинает нагреваться, а горячее тело (m 1) – охлаждаться. Это говорит о том, что часть внутренней энергии горячего тела передаётся холодному, и температуры выравниваются. Обозначим конечную общую температуру θ.
Количество теплоты, переданной горячим телом холодному
Q передан. = c 1 m 1 (Т 1 – θ )
Количество теплоты, полученной холодным телом от горячего
Q получен. = c 2 m 2 (θ – Т 2 )
По закону сохранения энергии Q передан. = Q получен. , т.е.
c 1 m 1 (Т 1 – θ )= c 2 m 2 (θ – Т 2 )
Раскроем скобки и выразим значение общей установившейся температуры θ.
Значение температуры θ в данном случае получим в кельвинах.
Однако, так как в выражениях для Q передан. и Q получен. стоит разность двух температур, а она и в кельвинах, и в градусах Цельсия одинакова, то расчёт можно вести и в градусах Цельсия. Тогда
В этом случае значение температуры θ получим в градусах Цельсия.
Выравнивание температур в результате теплопроводности можно объяснить на основании молекулярно-кинетической теории как обмен кинетической энергией между молекулами при сталкивании в процессе теплового хаотического движения.
Этот пример можно проиллюстрировать графиком.
Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей . Теплообмен происходит между телами, имеющими разную температуру. При установлении контакта между телами с различными температурами происходит передача части внутренней энергии от тела с более высокой температурой к телу, у которого температура ниже. Энергия, переданная телу в результате теплообмена, называется количеством теплоты .
Удельная теплоемкость вещества:
Если процесс теплопередачи не сопровождается работой, то на основании первого закона термодинамики количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела: .
Средняя энергия беспорядочного поступательного движения молекул пропорциональна абсолютной температуре. Изменение внутренней энергии тела равно алгебраической сумме изменений энергии всех атомов или молекул, число которых пропорционально массе тела, поэтому изменение внутренней энергии и, следовательно, количество теплоты пропорционально массе и изменению температуры:
Коэффициент пропорциональности в этом уравнении называется удельной теплоемкостью вещества . Удельная теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо для нагревания 1 кг вещества на 1 К.
Работа в термодинамике:
В механике работа определяется как произведение модулей силы и перемещения и косинуса угла между ними. Работа совершается при действии силы на движущееся тело и равна изменению его кинетической энергии.
В термодинамике движение тела как целого не рассматривается, речь идет о перемещении частей макроскопического тела относительно друг друга. В результате меняется объем тела, а его скорость остается равной нулю. Работа в термодинамике определяется так же, как и в механике, но равна изменению не кинетической энергии тела, а его внутренней энергии.
При совершении работы (сжатии или расширении) изменяется внутренняя энергия газа. Причина этого состоит в следующем: при упругих соударениях молекул газа с движущимся поршнем изменяется их кинетическая энергия.
Вычислим работу газа при расширении. Газ действует на поршень с силой , где- давление газа, а- площадь поверхностипоршня. При расширении газа поршень смещается в направлении силына малое расстояние. Если расстояние мало, то давление газа можно считать постоянным. Работа газа равна:
Где - изменение объема газа.
В процессе расширения газа совершает положительную работу, так как направление силы и перемещения совпадают. В процессе расширения газ отдает энергию окружающим телам.
Работа, совершаемая внешними телами над газом, отличается от работы газа только знаком , так как сила, действующая на газ, противоположна силе, с которой газ действует на поршень, и равна ей по модулю (третий закон Ньютона); а перемещение остается тем же самым. Поэтому работа внешних сил равна:
Первый закон термодинамики:
Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии, распространенным на тепловые явления. Закон сохранения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остается постоянной, а изменяться может лишь внутренняя энергия.
Внутренняя энергия может изменяться двумя способами: теплопередачей и совершением работы. В общем случае внутренняя энергия изменяется как за счет теплопередачи, так и за счет совершения работы. Первый закон термодинамики формулируется именно для таких общих случаев:
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
Если система изолирована, то над ней не совершается работа и она не обменивается теплотой с окружающими телами. Согласно первому закону термодинамики внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной .
Учитывая, что , первый закон термодинамики можно записать так:
Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами .
Второй закон термодинамики: невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.
