Ilość ciepła: koncepcja, obliczenia, zastosowanie

Przedmiotem naszego artykułu jest ilość ciepła. Rozważamy pojęcie energii wewnętrznej, która jest przekształcana przez zmianę tej wartości. Przedstawimy również kilka przykładów wykorzystania obliczeń w działalności człowieka.

Ciepło

Każde słowo z języka ojczystego, każda osoba ma swoje własne skojarzenia. Są one determinowane przez osobiste doświadczenie i irracjonalne uczucia. Co zwykle oznacza słowo "ciepło"? Miękki koc, działająca bateria centralnego ogrzewania w zimie, pierwsze światło słoneczne na wiosnę, kot. Lub wygląd matki, pocieszające słowo przyjaciela, uwaga zwrócona w czasie.

Fizycy rozumieją ten dość specyficzny termin. I bardzo ważne, szczególnie w niektórych częściach tej złożonej, ale fascynującej nauki.

Termodynamika

Zastanów się ilość ciepła w izolacji od najprostszych procesów, które polegają prawo zachowania energii nie warto - nic nie będzie jasne. Dlatego na początek przypomnijmy ich czytelnikom.

Termodynamika uważa każdą rzecz lub przedmiot za związek bardzo dużej liczby elementarnych części - atomów, jonów, cząsteczek. Jego równania opisują wszelkie zmiany w zbiorowym stanie systemu jako całości i jako część całości, gdy zmieniają się makroparametry. Pod tym ostatnim mowa o temperaturze (oznaczanej jako T), ciśnieniu (P), stężeniu składników (zwykle C).

Energia wewnętrzna

Energia wewnętrzna - raczej skomplikowany termin, w sensie którego warto go posortować przed rozmową o ilości ciepła. Oznacza energię, która zmienia się wraz ze wzrostem lub spadkiem wartości makroparametrów obiektu i nie zależy od układu odniesienia. Jest częścią całkowitej energii. Pasuje do tego, kiedy środek masy badany przedmiot znajduje się w stanie spoczynku (tzn. nie ma elementu kinetycznego).

Kiedy dana osoba czuje, że pewien przedmiot (powiedzmy rower) stał się gorący lub zimny, oznacza to, że wszystkie cząsteczki i atomy tworzące ten system doświadczyły zmiany w wewnętrznej energii. Jednak niezmienna temperatura nie oznacza zachowania tego wskaźnika.

Praca i ciepło

Energia wewnętrzna dowolna układ termodynamiczny można przekonwertować na dwa sposoby:

• wykonując pracę nad tym;
• podczas wymiany ciepła z otoczeniem.

Formuła tego procesu to:

dU = QA, gdzie U to energia wewnętrzna, Q to ciepło, a A to praca.

Niech czytelnik nie uwiódł prostoty wypowiedzi. Permutacja pokazuje, że Q = dU + A, ale wprowadzenie entropii (S) prowadzi formułę do postaci dQ = dSxT.

Ponieważ w tym przypadku równanie przyjmuje postać różniczkową, pierwsze wyrażenie również wymaga tego samego. Ponadto, w zależności od sił działających w badanym obiekcie i obliczanego parametru, wyznaczany jest wymagany współczynnik.

Weź metalową kulkę jako przykład układu termodynamicznego. Jeśli wywierasz na niego presję, wyrzuć go, wrzuć do głębokiej studni, to znaczy, że musisz nad nim pracować. Z zewnątrz wszystkie te nieszkodliwe działania nie spowodują szkody dla piłki, ale jej wewnętrzna energia zmieni się, choć bardzo nieznacznie.

Drugą metodą jest wymiana ciepła. Teraz dochodzimy do głównego celu tego artykułu: opisu, jaka jest ilość ciepła. Jest to zmiana energii wewnętrznej układu termodynamicznego, która występuje podczas wymiany ciepła (patrz powyższy wzór). Mierzona jest w dżulach lub kaloriach. Oczywiście, jeśli trzymasz balon nad zapalniczką, na słońcu lub tylko w ciepłej dłoni, to się nagrzeje. A następnie możesz przez zmianę temperatury, aby znaleźć ilość ciepła, które był w tym samym czasie zgłaszane.

Dlaczego gaz jest najlepszym przykładem zmiany wewnętrznej energii i dlaczego z tego powodu uczniowie nie lubią fizyki

Powyżej opisaliśmy zmiany parametrów termodynamicznych metalowej kuli. Bez specjalnych urządzeń nie są one bardzo zauważalne, a czytelnikowi pozostaje wierzyć w słowo o procesach zachodzących w obiekcie. Kolejna rzecz, jeśli system - gaz. Naciśnij w dół - będzie widać, rozgrzać - ciśnienie wzrośnie, opuść go pod ziemią - i to można łatwo naprawić. Dlatego w podręcznikach najczęściej jest traktowany jako wizualny system termodynamiczny.

Niestety, w nowoczesnej edukacji niewiele uwagi poświęcono prawdziwym eksperymentom. Naukowiec, który pisze podręcznik metodyczny doskonale rozumie, o co toczy się gra. Wydaje mu się, że na przykładzie cząsteczek gazu wszystkie parametry termodynamiczne zostaną odpowiednio zademonstrowane. Ale student, który właśnie odkrywa ten świat, znudzony jest słuchaniem idealnej kolby z teoretycznym tłokiem. Gdyby w szkole istniały prawdziwe laboratoria badawcze, a godziny pracy byłyby przydzielone, wszystko byłoby inne. Jak dotąd niestety eksperymenty są prowadzone tylko na papierze. I, najprawdopodobniej, powoduje to, że ludzie traktują tę część fizyki jako coś czysto teoretycznego, dalekiego od życia i niepotrzebnego.

Przykład zmiany parametrów termodynamicznych

Dlatego zdecydowaliśmy się zacytować wspomniany wyżej rower jako przykład. Mężczyzna wywiera nacisk na pedały - sprawia, że ​​praca na nich. Oprócz opowiedzenia całego mechanizmu momentu obrotowego (dzięki któremu rower porusza się w przestrzeni), zmienia się energia wewnętrzna materiałów, z których wykonane są dźwignie. Rowerzysta klika klamki, aby się włączyć - i znowu wykonuje pracę.

Energia wewnętrzna zewnętrznej powłoki (plastik lub metal) wzrasta. Osoba idzie na polanę pod jasnym słońcem - rower się nagrzewa, zmienia się ilość ciepła. Zatrzymuje się w cieniu starego dębu, a system ochładza się, tracąc kalorie lub dżule. Zwiększa prędkość - rośnie wymiana energii. Jednakże obliczenie ilości ciepła we wszystkich tych przypadkach będzie wykazywać bardzo małą, niepozorną wartość. Wydaje się więc, że w rzeczywistym życiu nie ma przejawów fizyki termodynamicznej.

Zastosowanie obliczeń do zmiany ilości ciepła

Prawdopodobnie czytelnik powie, że to wszystko jest bardzo pouczające, ale dlaczego jesteśmy tak męczeni w szkole tymi formułami. A teraz podamy przykłady, w których obszarach ludzkiej działalności są one potrzebne bezpośrednio i jak odnoszą się one do każdego w jego codziennym życiu.

Najpierw rozejrzyj się wokół i policz: ile metalowych przedmiotów Cię otaczają? Na pewno więcej niż dziesięć. Ale zanim stanie się klipsem, samochodem, pierścieniem lub pendrive, metal zostanie wytopiony. Każda roślina, która jest przetwarzana, na przykład rudy żelaza, musi zrozumieć, ile paliwa jest potrzebne do optymalizacji kosztów. I licząc na to, konieczne jest poznanie pojemności cieplnej surowców zawierających metale i ilości ciepła, które musi przekazać do wszystkich procesów technologicznych. Ponieważ energia uwalniana przez jednostkę paliwa jest obliczana w dżulach lub kaloriach, formuły są potrzebne bezpośrednio.

Lub inny przykład: w większości supermarketów jest dział z mrożonymi produktami - ryby, mięso, owoce. Gdy surowce z mięsa zwierząt lub owoców morza zamieniają się w półprodukty, powinny wiedzieć, ile elektrowni chłodniczych i mrożących będzie zużywać na tonę lub jednostkę produktu końcowego. Aby to zrobić, obliczyć, ile ciepła traci kilogram truskawek lub kałamarnicy po schłodzeniu o jeden stopień Celsjusza. Ale w końcu pokaże, ile energii zużywa zamrażarka o określonej mocy.

Samoloty, parowce, pociągi

Powyżej pokazaliśmy przykłady stosunkowo nieruchomych, statycznych obiektów, które są zgłaszane lub z których, przeciwnie, pobierają pewną ilość ciepła. W przypadku obiektów poruszających się w warunkach stale zmieniającej się temperatury, obliczenia ilości ciepła są ważne z innego powodu.

Jest coś takiego jak "zmęczenie metalu". Obejmuje to również maksymalne dopuszczalne obciążenia przy określonej szybkości zmiany temperatury. Wyobraź sobie samolot startujący z wilgotnych tropików do zamarzniętych górnych warstw atmosfery. Inżynierowie muszą dużo pracować, aby się nie rozpadły z powodu pęknięć w metalu, które pojawiają się, gdy temperatura spada. Szukają kompozycji stopu, która wytrzyma prawdziwe obciążenia i będzie miała duży margines bezpieczeństwa. Aby nie spojrzeć ślepo, mając nadzieję, że przypadkowo natknie się na pożądany skład, trzeba wykonać wiele obliczeń, w tym uwzględnić zmiany w ilości ciepła.