Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества
Внутренняя энергия
Внутренняя энергия – это физическая величина, равная сумме кинетической энергии теплового движения частиц тела и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.
Обозначение – U, в СИ единица измерения – Джоуль (Дж).
В термодинамике внутренняя энергия зависит от температуры и объема тела.
Внутренняя энергия тел зависит от их температуры, массы и агрегатного состояния. С ростом температуры внутренняя энергия увеличивается. Наибольшая внутренняя энергия у вещества в газообразном состоянии, наименьшая – в твердом.
Внутренняя энергия идеального газа представляет собой только кинетическую энергию теплового движения его частиц; потенциальная энергия взаимодействия частиц равна нулю.
Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его температуре, а от объема не зависит (молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом):
где i – коэффициент, равный числу степеней свободы молекулы, ν – количество вещества, R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура.
Число степеней свободы равно числу возможных движений частицы.
Важно!
Для одноатомных газов коэффициент i = 3, для двухатомных газов i = 5.
На практике часто важно уметь находить изменение внутренней энергии:
При решении задач можно записать формулу для вычисления внутренней энергии, используя уравнение Менделеева–Клапейрона:
|
|
|
где p – давление, V – объем газа.
Внутренняя энергия реальных газов зависит как от температуры, так и от объема.
Изменить внутреннюю энергию можно за счет изменения температуры (при теплопередаче) и за счет изменения давления и объема (при совершении работы).
Тепловое равновесие
Тепловое равновесие – это состояние системы, при котором все ее макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго.
Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называются макроскопическими параметрами. К ним относятся давление и температура, объем, масса, концентрация отдельных компонентов смеси газа и др. В состоянии теплового равновесия отсутствует теплообмен с окружающими телами, отсутствуют переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое, не меняются температура, давление, объем.
Любая термодинамическая система переходит самопроизвольно в состояние теплового равновесия. Каждому состоянию теплового равновесия, в которых может находиться термодинамическая система, соответствует определенная температура.
Важно!
В состоянии теплового равновесия объем, давление могут быть различными в разных частях термодинамической системы, и только температура во всех частях термодинамической системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, является одинаковой. Микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии: меняются положения молекул, их скорости при столкновениях.
|
|
|
Теплопередача
Теплопередача – процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы.
Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение (лучистый теплообмен). Теплопередача происходит между телами, имеющими разную температуру. Тепло передается от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.
Теплопроводность – это процесс переноса энергии от более нагретых тел (частей тела) к менее нагретым в результате движения и взаимодействия частиц тела. Высокую теплопроводность имеют металлы – так, лучшие проводники тепла – медь, золото, серебро. Теплопроводность жидкостей меньше, а газы являются плохими проводниками тепла. Пористые тела плохо проводят тепло, так как в порах содержится воздух. Вещества с низкой теплопроводностью используют в качестве теплоизоляторов. Теплопроводность невозможна в вакууме. При теплопроводности не происходит переноса вещества.
|
|
|
Явление теплопроводности газов аналогично явлению диффузии. Быстрые молекулы из слоя с более высокой температурой перемещаются в более холодный слой, а молекулы из холодного слоя перемещаются в более нагретый. За счет этого средняя кинетическая энергия молекул более теплого слоя уменьшается, и его температура становится ниже.
В жидкостях и твердых телах при повышении температуры какого-либо участка твердого тела или жидкости его частицы начинают колебаться сильнее. Соударяясь с соседними частицами, где температура ниже, эти частицы передают им часть своей энергии, и температура этого участка возрастает.
Конвекция – перенос энергии потоками жидкости или газа.
Объяснить механизм конвекции можно на основе теплового расширения тел и закона Архимеда. При нагревании объем жидкости увеличивается, а плотность уменьшается. Нагретый слой под действием силы Архимеда поднимается вверх, а холодный опускается вниз. Это естественная конвекция. Она возникает при неравномерном нагревании жидкости или газа снизу в поле тяготения.
При вынужденной конвекции перемещение вещества происходит под действием насосов, лопастей вентилятора. Такая конвекция применяется в состоянии невесомости. Интенсивность конвекции зависит от разности температур слоев среды и агрегатного состояния вещества. Конвекционные потоки поднимаются вверх. При конвекции происходит перенос вещества.
|
|
|
В твердых телах конвекция невозможна, так как частицы не могут из-за сильного взаимодействия покидать свои места. В вакууме конвекция также невозможна.
Примером конвективных потоков в природе являются ветры (бризы дневной и ночной, муссоны).
Излучение (лучистый теплообмен) – перенос энергии электромагнитными волнами. Перенос тепла излучением возможен в вакууме. Источником излучения является любое тело, температура которого отлична от нуля К. При поглощении энергия теплового излучения переходит во внутреннюю энергию. Темные тела быстрее нагреваются излучением, чем тела с блестящей поверхностью, но и остывают быстрее. Мощность излучения зависит от температуры тела. С увеличением температуры тела энергия излучения увеличивается. Чем больше площадь поверхности тела, тем интенсивнее излучение.
Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества
Количество теплоты – это скалярная физическая величина, равная энергии, которую тело получило или отдало при теплопередаче.
Обозначение – Q, в СИ единица измерения – Дж.
Удельная теплоемкость – это скалярная физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое тело массой 1 кг получает или отдает при изменении его температуры на 1 К.
Обозначение – c, в СИ единица измерения – Дж/(кг·К).
Удельная теплоемкость определяется не только свойствами вещества, но и тем, в каком процессе осуществляется теплопередача. Поэтому выделяют удельную теплоемкость газа при постоянном давлении – cP и удельную теплоемкость газа при постоянном объеме – cV. Для нагревания газа на 1 К при постоянном давлении требуется большее количество теплоты, чем при постоянном объеме – cP>cV.
Формула для вычисления количества теплоты, которое получает тело при нагревании или отдает при охлаждении:
где m – масса тела, c – удельная теплоемкость, T2 – конечная температура тела, T1 – начальная температура тела.
Важно!
При решении задач на расчет количества теплоты при нагревании или охлаждении можно не переводить температуру в кельвины. Так как 1К=1°С, тоΔT=Δt.
Работа в термодинамике
Работа в термодинамике равна изменению внутренней энергии тела.
Обозначение работы газа – A′, единица измерения в СИ – джоуль (Дж). Обозначение работы внешних сил над газом – A.
Работа газа A′=−A.
Работой расширения идеального газа называют работу, которую газ совершает против внешнего давления.
Работа газа положительна при расширении и отрицательна при его сжатии. Если объем газа не изменяется (изохорный процесс), то работы газ не совершает.
Графически работа газа может быть вычислена как площадь фигуры под графиком зависимости давления от объема в координатных осях (p,V), ограниченная графиком, осью V и перпендикулярами, проведенными из точек начального и конечного значений объема.
Формула для вычисления работы газа:
в изобарном процессе A′=p⋅ΔV.
в изотермическом процессе A′=mMRTlnV2V1.
Уравнение теплового баланса
Если система тел является теплоизолированной, то ее внутренняя энергия не будет изменяться несмотря на изменения, происходящие внутри системы. Если A = 0, Q = 0, то и ΔU = 0 .
При любых процессах, происходящих в теплоизолированной системе, ее внутренняя энергия не изменяется (закон сохранения внутренней энергии).
Рассмотрим теплоизолированную систему из двух тел с разными температурами. При контакте между ними будет проходить теплообмен. Тело с большей температурой будет отдавать некоторое количество теплоты, а тело с меньшей температурой – получать, пока температуры тел не станут равными. Так как суммарная внутренняя энергия не должна изменяться, то, на сколько уменьшится внутренняя энергия более нагретого тела, на столько должна увеличиться внутренняя энергия второго тела. Так как работа не совершается, то изменение внутренней энергии равно количеству теплоты.
Количество теплоты, отданное при теплообмене телом с большей температурой, равно по модулю количеству теплоты, полученному телом с меньшей температурой:
Другая формулировка: если тела образуют замкнутую систему и между ними происходит только теплообмен, то алгебраическая сумма отданных Qотд и полученных Qпол количеств теплоты равна нулю:
Первый закон термодинамики
Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, называется первым законом (началом) термодинамики.
Можно дать формулировку этого закона исходя из способов изменения внутренней энергии.
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
Если рассматривать работу самой системы над внешними телами, то закон может быть сформулирован так:
количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение системой работы над внешними телами:
Если система изолирована и над ней не совершается работа и нет теплообмена с внешними телами, то в этом случае внутренняя энергия не изменяется. Если к системе не поступает теплота, то работа системой может совершаться только за счет уменьшения внутренней энергии. Это значит, что невозможно создать вечный двигатель – устройство, способное совершать работу без каких-либо затрат топлива.
Дата добавления: 2022-07-02; просмотров: 85; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!