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.

Внутреннюю энергию термодинамической системы можно изменить двумя способами:

1. совершая над системой работу,
2. при помощи теплового взаимодействия.

Передача тепла телу не связана с совершением над телом макроскопической работы. В данном случае изменение внутренней энергии вызвано тем, что отдельные молекулы тела с большей температурой совершают работу над некоторыми молекулами тела, которое имеет меньшую температуру. В этом случае тепловое взаимодействие реализуется за счет теплопроводности. Передача энергии также возможна при помощи излучения. Система микроскопических процессов (относящихся не ко всему телу, а к отдельным молекулам) называется теплопередачей. Количество энергии, которое передается от одного тела к другому в результате теплопередачи, определяется количеством теплоты, которое предано от одного тела другому.

Определение

Теплотой называют энергию, которая получается (или отдается) телом в процессе теплообмена с окружающими телами (средой). Обозначается теплота, обычно буквой Q.

Это одна из основных величин в термодинамике. Теплота включена в математические выражения первого и второго начал термодинамики. Говорят, что теплота – это энергия в форме молекулярного движения.

Теплота может сообщаться системе (телу), а может забираться от нее. Считают, что если тепло сообщается системе, то оно положительно.

Формула расчета теплоты при изменении температуры

Элементарное количество теплоты обозначим как . Обратим внимание, что элемент тепла, которое получает (отдает) система при малом изменении ее состояния не является полным дифференциалом. Причина этого состоит в том, что теплота является функцией процесса изменения состояния системы.

Элементарное количество тепла, которое сообщается системе, и температура при этом меняется от Tдо T+dT, равно:

где C – теплоемкость тела. Если рассматриваемое тело однородно, то формулу (1) для количества теплоты можно представить как:

где – удельная теплоемкость тела, m – масса тела, - молярная теплоемкость, – молярная масса вещества, – число молей вещества.

Если тело однородно, а теплоемкость считают независимой от температуры, то количество теплоты (), которое получает тело при увеличении его температуры на величину можно вычислить как:

где t 2 , t 1 температуры тела до нагрева и после. Обратите внимание, что температуры при нахождении разности () в расчетах можно подставлять как в градусах Цельсия, так и в кельвинах.

Формула количества теплоты при фазовых переходах

Переход от одной фазы вещества в другую сопровождается поглощением или выделением некоторого количества теплоты, которая носит название теплоты фазового перехода.

Так, для перевода элемента вещества из состояния твердого тела в жидкость ему следует сообщить количество теплоты () равное:

где – удельная теплота плавления, dm – элемент массы тела. При этом следует учесть, что тело должно иметь температуру, равную температуре плавления рассматриваемого вещества. При кристаллизации происходит выделение тепла равного (4).

Количество теплоты (теплота испарения), которое необходимо для перевода жидкости в пар можно найти как:

где r – удельная теплота испарения. При конденсации пара теплота выделяется. Теплота испарения равна теплоте конденсации одинаковых масс вещества.

Единицы измерения количества теплоты

Основной единицей измерения количества теплоты в системе СИ является: [Q]=Дж

Внесистемная единица теплоты, которая часто встречается в технических расчетах. [Q]=кал (калория). 1 кал=4,1868 Дж.

Примеры решения задач

Пример

Задание. Какие объемы воды следует смешать, чтобы получить 200 л воды при температуре t=40С, если температура одной массы воды t 1 =10С, второй массы воды t 2 =60С?

Решение. Запишем уравнение теплового баланса в виде:

где Q=cmt – количество теплоты приготовленной после смешивания воды; Q 1 =cm 1 t 1 - количество теплоты части воды температурой t 1 и массой m 1 ; Q 2 =cm 2 t 2 - количество теплоты части воды температурой t 2 и массой m 2 .

Из уравнения (1.1) следует:

При объединении холодной (V 1) и горячей (V 2) частей воды в единый объем (V) можно принять то, что:

Так, мы получаем систему уравнений:

Решив ее получим:

На практике часто пользуются тепловыми расчётами. Например, при строительстве зданий необходимо учитывать, какое количество теплоты должна отдавать зданию вся система отопления. Следует также знать, какое количество теплоты будет уходить в окружающее пространство через окна, стены, двери.

Покажем на примерах, как нужно вести простейшие расчёты.

Итак, необходимо узнать, какое количество теплоты получила при нагревании медная деталь. Её масса 2 кг, а температура увеличивалась от 20 до 280 °С. Вначале по таблице 1 определим удельную теплоёмкость меди с м = 400 Дж / кг °С). Это означает, что на нагревание детали из меди массой 1 кг на 1 °С потребуется 400 Дж. Для нагревания медной детали массой 2 кг на 1 °С необходимо в 2 раза большее количество теплоты - 800 Дж. Температуру медной детали необходимо увеличить не на 1 °С, а на 260 °С, значит, потребуется в 260 раз большее количество теплоты, т. е. 800 Дж 260 = 208 000 Дж.

Если обозначить массу m, разность между конечной (t 2) и начальной (t 1) температурами - t 2 - t 1 получим формулу для расчёта количества теплоты:

Q = cm(t 2 - t 1).

Пример 1 . В железный котёл массой 5 кг налита вода массой 10 кг. Какое количество теплоты нужно передать котлу с водой для изменения их температуры от 10 до 100 °С?

При решении задачи нужно учесть, что оба тела - и котёл, и вода - будут нагреваться вместе. Между ними происходит теплообмен. Их температуры можно считать одинаковыми, т. е. температура котла и воды изменяется на 100 °С - 10 °С = 90 °С. Но количества теплоты, полученные котлом и водой, не будут одинаковыми. Ведь их массы и удельные теплоёмкости различны.

Нагревание воды в котелке

Пример 2 . Смешали воду массой 0,8 кг, имеющую температуру 25 °С, и воду при температуре 100 °С массой 0,2 кг. Температуру полученной смеси измерили, и она оказалась равной 40 °С. Вычислите, какое количество теплоты отдала горячая вода при остывании и получила холодная вода при нагревании. Сравните эти количества теплоты.

Запишем условие задачи и решим её.

Мы видим, что количество теплоты, отданное горячей водой, и количество теплоты, полученное холодной водой,равны между собой. Это не случайный результат. Опыт показывает, что если между телами происходит теплообмен, то внутренняя энергия всех нагревающихся тел увеличивается на столько, на сколько уменьшается внутренняя энергия остывающих тел.

При проведении опытов обычно получается, что отданная горячей водой энергия больше энергии, полученной холодной водой. Это объясняется тем, что часть энергии передаётся окружающему воздуху, а часть энергии - сосуду, в котором смешивали воду. Равенство отданной и полученной энергий будет тем точнее, чем меньше потерь энергии допускается в опыте. Если подсчитать и учесть эти потери, то равенство будет точным.

Вопросы

1. Что нужно знать, чтобы вычислить количество теплоты, полученное телом при нагревании?
2. Объясните на примере, как рассчитывают количество теплоты, сообщённое телу при его нагревании или выделяющееся при его охлаждении.
3. Напишите формулу для расчёта количества теплоты.
4. Какой вывод можно сделать из опыта по смешиванию холодной и горячей воды? Почему на практике эти энергии не равны?

Упражнение 8

1. Какое количество теплоты требуется для нагревания воды массой 0,1 кг на 1 °С?
2. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагревания: а) чугунного утюга массой 1,5 кг для изменения его температуры на 200 °С; б) алюминиевой ложки массой 50 г от 20 до 90 °С; в) кирпичного камина массой 2 т от 10 до 40 °С.
3. Какое количество теплоты выделилось при остывании воды, объём которой 20 л, если температура изменилась от 100 до 50 °С?

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.