Sylinterissä olevan kaasun sisäenergiaa voi muuttaa paitsi työnteon lisäksi myös kaasua lämmittämällä (kuva 43). Jos männän kiinnität, kaasun tilavuus ei muutu, mutta lämpötila ja siten sisäinen energia kasvavat.
Prosessia, jossa energia siirtyy kehosta toiseen ilman työtä, kutsutaan lämmönvaihdoksi tai lämmönsiirroksi.

Lämmönvaihdon seurauksena kehoon siirtyvää energiaa kutsutaan lämmön määräksi. Lämmön määrää kutsutaan myös energiaksi, jonka keho luovuttaa lämmönvaihdon aikana.

Molekyylikuva lämmönsiirrosta. Lämmönvaihdon aikana kappaleiden välisellä rajalla tapahtuu kylmän kappaleen hitaasti liikkuvien molekyylien vuorovaikutusta kuuman kappaleen nopeammin liikkuvien molekyylien kanssa. Tämän seurauksena molekyylien kineettiset energiat tasoittuvat ja kylmän kappaleen molekyylien nopeudet kasvavat ja kuuman kappaleen nopeudet laskevat.

Lämmönvaihdon aikana energia ei muutu muodosta toiseen: osa kuuman kappaleen sisäisestä energiasta siirtyy kylmään kappaleeseen.

Lämmön määrä ja lämpökapasiteetti. VII luokan fysiikan kurssista tiedetään, että m-massaisen kappaleen lämmittämiseksi lämpötilasta t 1 lämpötilaan t 2 on tarpeen ilmoittaa sille lämmön määrä

Q = cm(t 2 – t 1) = cmΔt. (4.5)

Kun keho jäähtyy, sen ikuinen lämpötila t 2 on pienempi kuin alkulämpötila t 1 ja kehon luovuttaman lämmön määrä on negatiivinen.
Kaavan (4.5) kerrointa c kutsutaan ominaislämpökapasiteetti. Ominaislämpökapasiteetti on lämpömäärä, jonka 1 kg ainetta vastaanottaa tai vapauttaa, kun sen lämpötila muuttuu 1 K.

Ominaislämpökapasiteetti ilmaistaan ​​jouleina jaettuna kilogrammalla kelvineillä. Eri kappaleet vaativat eri määriä energiaa nostaakseen lämpötilaa 1 K:lla. Veden ominaislämpökapasiteetti on siis 4190 J/(kg K) ja kuparin 380 J/(kg K).

Ominaislämpökapasiteetti ei riipu vain aineen ominaisuuksista, vaan myös prosessista, jolla lämmönsiirto tapahtuu. Jos lämmität kaasua vakiopaineessa, se laajenee ja toimii. Kaasun lämmittämiseksi 1 °C:lla vakiopaineessa siihen on siirrettävä enemmän lämpöä kuin lämmittää sitä vakiotilavuudessa.

Nestemäinen ja kiinteät aineet laajenevat hieman kuumennettaessa, ja niiden ominaislämpökapasiteetit vakiotilavuudessa ja vakiopaineessa eroavat vähän.

Höyrystyksen ominaislämpö. Jotta neste muuttuisi höyryksi, siihen on siirrettävä tietty määrä lämpöä. Nesteen lämpötila ei muutu tämän muutoksen aikana. Nesteen muuttuminen höyryksi, kun vakio lämpötila ei johda molekyylien kineettisen energian kasvuun, vaan siihen liittyy niiden potentiaalisen energian kasvu. Loppujen lopuksi keskimääräinen etäisyys kaasumolekyylien välillä on monta kertaa suurempi kuin nestemolekyylien välillä. Lisäksi tilavuuden kasvu aineen siirtymisen aikana nestemäinen tila kaasumaisessa muodossa vaatii työtä ulkoisia painevoimia vastaan.

Lämpömäärää, joka tarvitaan muuttamaan 1 kg nestettä höyryksi vakiolämpötilassa, kutsutaan ominaishöyrystyslämmöksi. Tämä määrä merkitään kirjaimella r ja ilmaistaan ​​jouleina kilogrammaa kohti.

Veden ominaishöyrystyslämpö on erittäin korkea: 2.256 · 10 6 J/kg 100°C:n lämpötilassa. Muiden nesteiden (alkoholi, eetteri, elohopea, kerosiini jne.) ominaishöyrystyslämpö on 3-10 kertaa pienempi.

M-massaisen nesteen muuttamiseksi höyryksi tarvitaan lämpöä, joka on yhtä suuri kuin:

Kun höyry tiivistyy, vapautuu saman verran lämpöä

Q k = –rm. (4.7)

Spesifinen sulamislämpö. Kun kiteinen kappale sulaa, kaikki siihen syötetty lämpö menee lisäämään molekyylien potentiaalienergiaa. Kineettinen energia molekyylit eivät muutu, koska sulaminen tapahtuu vakiolämpötilassa.

Lämpömäärää λ (lambda), joka tarvitaan muuttamaan 1 kg kiteistä ainetta sulamispisteessä nesteeksi samassa lämpötilassa, kutsutaan ominaissulamislämmöksi.

Kun 1 kg ainetta kiteytyy, vapautuu täsmälleen sama määrä lämpöä. Jään sulamislämpö on melko korkea: 3,4 · 10 5 J/kg.

Kiteisen kappaleen, jonka massa on m, sulattamiseksi tarvitaan lämpöä, joka on yhtä suuri kuin:

Qpl = λm. (4.8)

Kappaleen kiteytymisen aikana vapautuva lämpömäärä on yhtä suuri kuin:

Q cr = – λm. (4.9)

1. Millä nimellä lämpömäärää kutsutaan? 2. Mistä aineiden ominaislämpökapasiteetti riippuu? 3. Mitä kutsutaan höyrystymislämmöksi? 4. Mitä kutsutaan ominaisfuusiolämpöksi? 5. Missä tapauksissa siirretyn lämmön määrä on negatiivinen?

Mikä lämpenee nopeammin liedellä - vedenkeitin vai ämpäri vettä? Vastaus on ilmeinen - teekannu. Sitten toinen kysymys on miksi?

Vastaus ei ole yhtä ilmeinen - koska veden massa kattilassa on pienempi. Loistava. Ja nyt voit tehdä todellisen fyysisen kokemuksen itse kotona. Tätä varten tarvitset kaksi identtistä pientä kattilaa, yhtä paljon vettä ja kasviöljyä, esimerkiksi puoli litraa kumpaakin, ja liesi. Laita kattilat öljyn ja veden kanssa samalle lämmölle. Katsokaa nyt mikä lämpenee nopeammin. Jos sinulla on nesteiden lämpömittari, voit käyttää sitä, jos ei, voit testata lämpötilaa sormella aika ajoin, varo, ettet pala. Joka tapauksessa näet pian, että öljy lämpenee merkittävästi nopeammin kuin vesi. Ja vielä yksi kysymys, joka voidaan myös toteuttaa kokemuksen muodossa. Mikä kiehuu nopeammin - lämmin vesi vai kylmä? Kaikki on taas selvää - lämmin on ensimmäinen maaliviivalla. Miksi kaikki nämä omituiset kysymykset ja kokeilut? Määrittämiseksi fyysinen määrä, jota kutsutaan "lämmön määräksi".

Lämmön määrä

Lämmön määrä on energia, jonka keho menettää tai kerää lämmönsiirron aikana. Tämä selviää nimestä. Jäähtyessään keho menettää tietyn määrän lämpöä, ja lämmitettäessä se imee itseensä. Ja vastaukset kysymyksiimme osoittivat meille Mistä lämmön määrä riippuu? Ensinnäkin kuin lisää massaa Mitä enemmän lämpöä on kulutettava, jotta sen lämpötila muuttuisi yhdellä asteella. Toiseksi kehon lämmittämiseen tarvittava lämmön määrä riippuu aineesta, josta se koostuu, eli aineen tyypistä. Ja kolmanneksi, ruumiinlämpötilan ero ennen ja jälkeen lämmönsiirron on myös tärkeä laskelmillemme. Yllä olevan perusteella voimme määritä lämmön määrä kaavalla:

missä Q on lämmön määrä,
m - ruumiinpaino,
(t_2-t_1) - kehon alkuperäisen ja lopullisen lämpötilan välinen ero,
c on aineen ominaislämpökapasiteetti, joka saadaan vastaavista taulukoista.

Tämän kaavan avulla voit laskea lämmön määrän, joka tarvitaan minkä tahansa kehon lämmittämiseen tai jonka tämä keho vapauttaa jäähtyessään.

Lämmön määrä mitataan jouleina (1 J), kuten mikä tahansa energiatyyppi. Tämä arvo otettiin käyttöön ei niin kauan sitten, ja ihmiset alkoivat mitata lämmön määrää paljon aikaisemmin. Ja he käyttivät yksikköä, jota käytetään laajalti meidän aikanamme - kalori (1 cal). 1 kalori on lämpömäärä, joka tarvitaan 1 gramman vettä lämmittämiseen yhdellä celsiusasteella. Näiden tietojen ohjaamana ne, jotka haluavat laskea syömässään ruoassa kaloreita, voivat huvin vuoksi laskea, kuinka monta litraa vettä voidaan keittää päivän aikana ruoan kanssa kuluttamalla energialla.

(tai lämmönsiirto).

Aineen ominaislämpökapasiteetti.

Lämpökapasiteetti- tämä on lämpömäärä, jonka keho absorboi 1 asteen kuumennettaessa.

Kappaleella ilmaistaan ​​kappaleen lämpökapasiteetti Latinalainen kirjain KANSSA.

Mistä kehon lämpökapasiteetti riippuu? Ensinnäkin sen massasta. On selvää, että esimerkiksi 1 kilogramman vettä lämmittäminen vaatii enemmän lämpöä kuin 200 gramman lämmittäminen.

Entä aineen tyyppi? Tehdään kokeilu. Otetaan kaksi identtistä astiaa ja kaadettuamme 400 g painoista vettä toiseen ja 400 g kasviöljyä toiseen, alamme lämmittää niitä identtisillä polttimilla. Tarkkailemalla lämpömittarin lukemia näemme, että öljy lämpenee nopeasti. Veden ja öljyn lämmittämiseksi samaan lämpötilaan vettä on lämmitettävä pidempään. Mutta mitä kauemmin lämmitämme vettä, sitä enemmän lämpöä se saa polttimesta.

Näin ollen eri aineiden saman massan lämmittäminen samaan lämpötilaan vaatii erilaisia ​​lämpömääriä. Kehon lämmittämiseen tarvittava lämmön määrä ja siten sen lämpökapasiteetti riippuvat ainetyypistä, josta keho koostuu.

Joten esimerkiksi 1 kg painavan veden lämpötilan nostamiseen 1°C:lla tarvitaan 4200 J suuruinen lämpömäärä ja saman massan auringonkukkaöljyn lämmittämiseen 1°C lämpömäärä, joka vastaa 1700 J vaaditaan.

Kutsutaan fysikaaliseksi suureksi, joka osoittaa, kuinka paljon lämpöä tarvitaan 1 kg:n aineen lämmittämiseen 1 ºС:lla ominaislämpökapasiteetti tästä aineesta.

Jokaisella aineella on oma ominaislämpökapasiteettinsa, joka on merkitty latinalaisella kirjaimella c ja mitattuna jouleina kilogrammaa kohti (J/(kg °C)).

Saman aineen ominaislämpökapasiteetti eri aggregaatiotilat(kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen) on erilainen. Esimerkiksi veden ominaislämpökapasiteetti on 4200 J/(kg °C) ja jään ominaislämpökapasiteetti on 2100 J/(kg °C); alumiinin ominaislämpökapasiteetti kiinteässä tilassa on 920 J/(kg - °C) ja nestemäisessä tilassa - 1080 J/(kg - °C).

Huomaa, että veden ominaislämpökapasiteetti on erittäin korkea. Siksi merien ja valtamerten vesi, joka lämpenee kesällä, imeytyy ilmasta suuri määrä lämpöä. Tämän ansiosta paikoissa, jotka sijaitsevat lähellä suuria vesistöjä, kesä ei ole yhtä kuuma kuin paikoissa, jotka sijaitsevat kaukana vedestä.

Kehon lämmittämiseen tarvittavan tai siitä jäähtyessään vapautuvan lämmön määrän laskeminen.

Edellä esitetystä käy selvästi ilmi, että kehon lämmittämiseen tarvittava lämmön määrä riippuu ainetyypistä, josta keho koostuu (eli sen ominaislämpökapasiteetista) ja kehon massasta. On myös selvää, että lämmön määrä riippuu siitä, kuinka monta astetta aiomme nostaa kehon lämpötilaa.

Joten, jotta voit määrittää kehon lämmittämiseen tarvittavan tai sen jäähdytyksen aikana vapauttaman lämmön määrän, sinun on kerrottava kehon ominaislämpökapasiteetti sen massalla sekä sen lopullisen ja alkulämpötilan erolla:

K = cm (t 2 - t 1 ) ,

Missä K- lämmön määrä, c- ominaislämpökapasiteetti, m- kehomassa , t 1 - alkulämpötila, t 2 - lopullinen lämpötila.

Kun keho lämpenee t 2 > t 1 ja siksi K > 0 . Kun kroppa jäähtyy t 2i< t 1 ja siksi K< 0 .

Jos tiedetään koko kehon lämpökapasiteetti KANSSA, K määräytyy kaavalla:

Q = C (t 2 - t 1 ) .

Tällä oppitunnilla opimme laskemaan kehon lämmittämiseen tarvittavan tai siitä jäähtyessään vapautuvan lämmön määrän. Tätä varten teemme yhteenvedon edellisillä tunneilla hankituista tiedoista.

Lisäksi opimme lämpömäärän kaavan avulla ilmaisemaan jäljellä olevat suuret tästä kaavasta ja laskemaan ne, tietäen muut suuret. Pohditaan myös esimerkkiä ongelmasta, jossa on ratkaisu lämmön määrän laskemiseen.

Tämä oppitunti on omistettu lämmön määrän laskemiseen, kun kehoa kuumennetaan tai vapautuu sen jäähtyessä.

Kyky laskea tarvittava lämpömäärä on erittäin tärkeä. Tämä voi olla tarpeen esimerkiksi laskettaessa lämpömäärää, joka on annettava veteen huoneen lämmittämiseksi.

Riisi. 1. Lämmön määrä, joka on annettava veteen huoneen lämmittämiseksi

Tai laskea lämpömäärä, joka vapautuu, kun polttoainetta poltetaan eri moottoreissa:

Riisi. 2. Lämmön määrä, joka vapautuu, kun polttoainetta poltetaan moottorissa

Tätä tietoa tarvitaan myös esimerkiksi Auringon vapauttaman ja maan päälle putoavan lämpömäärän määrittämiseksi:

Riisi. 3. Auringon vapauttaman ja maan päälle putoavan lämmön määrä

Lämmön määrän laskemiseksi sinun on tiedettävä kolme asiaa (kuva 4):

• ruumiinpaino (joka voidaan yleensä mitata vaa'alla);
• lämpötilaero, jolla kehoa on lämmitettävä tai jäähdytettävä (mitataan yleensä lämpömittarilla);
• kehon ominaislämpökapasiteetti (joka voidaan määrittää taulukosta).

Riisi. 4. Mitä sinun on tiedettävä määrittääksesi

Kaava, jolla lämmön määrä lasketaan, näyttää tältä:

Tässä kaavassa näkyvät seuraavat määrät:

Lämmön määrä jouleina (J);

Aineen ominaislämpökapasiteetti mitataan ;

- lämpötilaero, mitattuna Celsius-asteina ().

Tarkastellaan lämmön määrän laskemisen ongelmaa.

Tehtävä

Kuparilasi, jonka massa on grammaa, sisältää vettä, jonka tilavuus on litra lämpötilassa. Kuinka paljon lämpöä on siirrettävä vesilasiin, jotta sen lämpötila tulee yhtä suureksi kuin ?

Riisi. 5. Kuva ongelmatilanteista

Kirjoitamme ensin lyhyen ehdon ( Annettu) ja muuntaa kaikki suureet kansainväliseen järjestelmään (SI).

Ratkaisu:

Ensin määritetään, mitä muita määriä tarvitsemme tämän ongelman ratkaisemiseksi. Ominaislämpökapasiteetin taulukon (Taulukko 1) avulla saadaan (kuparin ominaislämpökapasiteetti, koska lasi on ehdon mukaan kuparia), (veden ominaislämpökapasiteetti, koska ehdon mukaan lasissa on vettä). Lisäksi tiedämme, että lämpömäärän laskemiseen tarvitsemme vesimassan. Ehdon mukaan meille annetaan vain volyymi. Siksi taulukosta otamme veden tiheyden: (taulukko 2).

Pöytä 1. Joidenkin aineiden ominaislämpökapasiteetti,

Pöytä 2. Joidenkin nesteiden tiheydet

Nyt meillä on kaikki mitä tarvitsemme tämän ongelman ratkaisemiseksi.

Huomaa, että lopullinen lämpömäärä muodostuu kuparilasin lämmittämiseen tarvittavan lämpömäärän ja siinä olevan veden lämmittämiseen tarvittavan lämpömäärän summasta:

Lasketaan ensin kuparilasin lämmittämiseen tarvittava lämpömäärä:

Ennen kuin lasket veden lämmittämiseen tarvittavan lämpömäärän, lasketaan veden massa meille luokasta 7 tutulla kaavalla:

Nyt voimme laskea:

Sitten voimme laskea:

Muistetaan mitä kilojoulet tarkoittavat. Etuliite "kilo" tarkoittaa .

Vastaus:.

Lämpömäärän (niin sanotut suorat ongelmat) ja tähän käsitteeseen liittyvien määrien löytämiseen liittyvien ongelmien ratkaisemisen helpottamiseksi voit käyttää seuraavaa taulukkoa.