Viene chiamato il processo di trasferimento di energia da un corpo a un altro senza compiere lavoro scambio di calore O trasferimento di calore. Lo scambio termico avviene tra corpi aventi temperature diverse. Quando si stabilisce il contatto tra corpi con temperature diverse, parte dell'energia interna viene trasferita dal corpo a quella più elevata alta temperatura ad un corpo la cui temperatura è più bassa. Si chiama l'energia ceduta ad un corpo in seguito allo scambio di calore quantità di calore.

Capacità termica specifica di una sostanza:

Se il processo di trasferimento del calore non è accompagnato da lavoro, allora, in base alla prima legge della termodinamica, la quantità di calore è uguale alla variazione dell'energia interna del corpo: .

L'energia media del movimento traslatorio casuale delle molecole è proporzionale alla temperatura assoluta. La variazione dell'energia interna di un corpo è pari alla somma algebrica delle variazioni dell'energia di tutti gli atomi o molecole, il cui numero è proporzionale alla massa del corpo, quindi la variazione dell'energia interna e, quindi, la quantità di calore è proporzionale alla massa e alla variazione di temperatura:

Il fattore di proporzionalità in questa equazione si chiama capacità termica specifica di una sostanza. La capacità termica specifica indica la quantità di calore necessaria per riscaldare 1 kg di una sostanza di 1 K.

Lavoro in termodinamica:

In meccanica il lavoro è definito come il prodotto dei moduli di forza e spostamento per il coseno dell'angolo formato da essi. Il lavoro viene compiuto quando una forza agisce su un corpo in movimento ed è uguale alla variazione della sua energia cinetica.

In termodinamica non si considera il movimento di un corpo nel suo insieme, si tratta del movimento delle parti di un corpo macroscopico l'una rispetto all'altra. Di conseguenza, il volume del corpo cambia, ma la sua velocità rimane pari a zero. Il lavoro in termodinamica è definito allo stesso modo della meccanica, ma è uguale alla variazione non dell'energia cinetica del corpo, ma della sua energia interna.

Quando viene eseguito un lavoro (compressione o espansione), l'energia interna del gas cambia. La ragione di ciò è: durante le collisioni elastiche delle molecole di gas con un pistone in movimento, la loro energia cinetica cambia.

Calcoliamo il lavoro compiuto dal gas durante l'espansione. Il gas esercita una forza sul pistone
, Dove - pressione del gas, e - superficie pistone Quando il gas si espande, il pistone si muove nella direzione della forza breve distanza
. Se la distanza è piccola, la pressione del gas può essere considerata costante. Il lavoro compiuto dal gas è:

Dove
- variazione del volume del gas.

Nel processo di espansione del gas svolge un lavoro positivo poiché la direzione della forza e dello spostamento coincidono. Durante il processo di espansione, il gas cede energia ai corpi circostanti.

Il lavoro compiuto dai corpi esterni su un gas differisce dal lavoro compiuto da un gas solo nel segno
, poiché la forza , agendo sul gas, è opposto alla forza , con cui il gas agisce sul pistone, ed è ad esso uguale in modulo (terza legge di Newton); e il movimento rimane lo stesso. Pertanto il lavoro delle forze esterne è pari a:

.

Prima legge della termodinamica:

La prima legge della termodinamica è la legge di conservazione dell'energia, estesa ai fenomeni termici. Legge di conservazione dell'energia: L'energia in natura non nasce dal nulla e non scompare: la quantità di energia rimane invariata, passa solo da una forma all'altra.

La termodinamica considera corpi il cui centro di gravità rimane praticamente invariato. L'energia meccanica di tali corpi rimane costante e solo l'energia interna può cambiare.

L’energia interna può cambiare in due modi: trasferimento di calore e lavoro. Nel caso generale, l'energia interna cambia sia per lo scambio di calore che per il lavoro svolto. La prima legge della termodinamica è formulata proprio per questi casi generali:

La variazione dell'energia interna di un sistema durante la sua transizione da uno stato all'altro è uguale alla somma del lavoro delle forze esterne e della quantità di calore ceduta al sistema:

Se il sistema è isolato non viene svolto lavoro su di esso e non scambia calore con i corpi circostanti. Secondo la prima legge della termodinamica l'energia interna di un sistema isolato rimane invariata.

Considerando che
, la prima legge della termodinamica può essere scritta come segue:

La quantità di calore ceduta al sistema va a modificare la sua energia interna e a compiere lavoro sui corpi esterni da parte del sistema.

Seconda legge della termodinamica: È impossibile trasferire calore da un sistema più freddo a uno più caldo in assenza di altri cambiamenti simultanei in entrambi i sistemi o nei corpi circostanti.

Energia interna sistema termodinamico può essere modificato in due modi:

1. facendo oltre lavoro del sistema,
2. utilizzando l'interazione termica.

Il trasferimento di calore ad un corpo non è associato all'esecuzione di lavoro macroscopico sul corpo. In questo caso, la variazione di energia interna è causata dal fatto che le singole molecole di un corpo a temperatura più alta lavorano su alcune molecole di un corpo a temperatura più bassa. In questo caso, l'interazione termica è realizzata grazie alla conduttività termica. Il trasferimento di energia è possibile anche utilizzando le radiazioni. Il sistema di processi microscopici (relativi non all'intero corpo, ma alle singole molecole) è chiamato trasferimento di calore. La quantità di energia che viene trasferita da un corpo all'altro come risultato del trasferimento di calore è determinata dalla quantità di calore che viene trasferita da un corpo all'altro.

Definizione

Caloreè l'energia che viene ricevuta (o ceduta) da un corpo nel processo di scambio termico con i corpi circostanti (ambiente). Il simbolo del calore è solitamente la lettera Q.

Questa è una delle quantità fondamentali della termodinamica. Calore incluso espressioni matematiche primo e secondo principio della termodinamica. Si dice che il calore sia energia sotto forma di movimento molecolare.

Il calore può essere trasferito al sistema (corpo) oppure può essere prelevato da esso. Si ritiene che se il calore viene trasferito al sistema, allora è positivo.

Formula per calcolare il calore al variare della temperatura

Indichiamo la quantità elementare di calore come . Notiamo che l'elemento di calore che il sistema riceve (cede) con un piccolo cambiamento nel suo stato non è un differenziale completo. La ragione di ciò è che il calore è una funzione del processo di cambiamento dello stato del sistema.

La quantità elementare di calore che viene impartita al sistema, e la temperatura cambia da T a T+dT, è pari a:

dove C è la capacità termica del corpo. Se il corpo in questione è omogeneo, la formula (1) per la quantità di calore può essere rappresentata come:

dove è la capacità termica specifica del corpo, m – massa corporea, è la capacità termica molare, è la massa molare della sostanza, è il numero di moli della sostanza.

Se il corpo è omogeneo e la capacità termica è considerata indipendente dalla temperatura, la quantità di calore () che il corpo riceve quando la sua temperatura aumenta di una quantità può essere calcolata come:

dove t 2, t 1 temperature corporee prima e dopo il riscaldamento. Tieni presente che quando trovi la differenza () nei calcoli, le temperature possono essere sostituite sia in gradi Celsius che in Kelvin.

Formula per la quantità di calore durante le transizioni di fase

La transizione da una fase di una sostanza all'altra è accompagnata dall'assorbimento o dal rilascio di una certa quantità di calore, chiamata calore di transizione di fase.

Quindi, per trasferire un elemento della materia dallo stato solido a quello liquido, occorre dargli una quantità di calore () pari a:

dove è il calore specifico di fusione, dm è l'elemento della massa corporea. Va tenuto presente che il corpo deve avere una temperatura pari al punto di fusione della sostanza in questione. Durante la cristallizzazione viene rilasciato calore pari a (4).

La quantità di calore (calore di evaporazione) necessaria per convertire il liquido in vapore può essere trovata come:

dove r è il calore specifico di evaporazione. Quando il vapore si condensa, viene rilasciato calore. Il calore di evaporazione è uguale al calore di condensazione di uguali masse di sostanza.

Unità per misurare la quantità di calore

L'unità di misura base per la quantità di calore nel sistema SI è: [Q]=J

Un'unità di calore extra-sistema, che si trova spesso nei calcoli tecnici. [Q]=cal (caloria). 1cal=4,1868 J.

Esempi di risoluzione dei problemi

Esempio

Esercizio. Quali volumi di acqua devono essere miscelati per ottenere 200 litri di acqua alla temperatura t = 40 C, se la temperatura di una massa d'acqua è t 1 = 10 C, la temperatura della seconda massa d'acqua è t 2 = 60 C ?

Soluzione. Scriviamo l'equazione del bilancio termico nella forma:

dove Q=cmt è la quantità di calore preparata dopo la miscelazione dell'acqua; Q 1 = cm 1 t 1 - la quantità di calore di una parte d'acqua con temperatura t 1 e massa m 1; Q 2 = cm 2 t 2 - la quantità di calore di una parte d'acqua con temperatura t 2 e massa m 2.

Dall'equazione (1.1) segue:

Combinando parti di acqua fredda (V 1) e calda (V 2) in un unico volume (V), possiamo supporre che:

Quindi, otteniamo un sistema di equazioni:

Avendolo risolto otteniamo:

In pratica, vengono spesso utilizzati calcoli termici. Ad esempio, quando si costruiscono edifici, è necessario tenere conto della quantità di calore che l'intero sistema di riscaldamento dovrebbe fornire all'edificio. Dovresti anche sapere quanto calore fuoriuscirà nello spazio circostante attraverso finestre, muri e porte.

Mostreremo con esempi come eseguire semplici calcoli.

Quindi, è necessario scoprire quanto calore ha ricevuto la parte in rame quando riscaldata. La sua massa era di 2 kg e la temperatura aumentava da 20 a 280 °C. Innanzitutto, utilizzando la Tabella 1, determiniamo la capacità termica specifica del rame con m = 400 J / kg °C). Ciò significa che per riscaldare una parte in rame del peso di 1 kg a 1 °C saranno necessari 400 J. Per riscaldare una parte in rame del peso di 2 kg a 1 °C, la quantità di calore richiesta è 2 volte maggiore: 800 J. La temperatura del rame parte deve essere aumentata di oltre 1 °C, e a 260 °C ciò significa che sarà necessario 260 volte più calore, cioè 800 J 260 = 208.000 J.

Se indichiamo la massa con m, la differenza tra la temperatura finale (t 2) e quella iniziale (t 1) - t 2 - t 1, otteniamo una formula per calcolare la quantità di calore:

Q = cm(t2 - t1).

Esempio 1. Un calderone di ferro del peso di 5 kg è riempito con acqua del peso di 10 kg. Quanto calore deve essere ceduto alla caldaia con l'acqua per cambiare la sua temperatura da 10 a 100 °C?

Quando si risolve il problema, è necessario tenere conto del fatto che entrambi i corpi, la caldaia e l'acqua, si riscalderanno insieme. Tra di loro avviene lo scambio di calore. Le loro temperature possono essere considerate uguali, cioè la temperatura della caldaia e dell'acqua cambia di 100 °C - 10 °C = 90 °C. Ma la quantità di calore ricevuta dalla caldaia e dall’acqua non sarà la stessa. Dopotutto, le loro masse e le capacità termiche specifiche sono diverse.

Scaldare l'acqua in una pentola

Esempio 2. Abbiamo mescolato acqua del peso di 0,8 kg alla temperatura di 25 °C e acqua alla temperatura di 100 °C del peso di 0,2 kg. È stata misurata la temperatura della miscela risultante, che è risultata pari a 40°C. Calcolare la quantità di calore ceduto e ricevuto dall'acqua calda durante il raffreddamento acqua fredda quando riscaldato. Confronta queste quantità di calore.

Scriviamo le condizioni del problema e risolviamolo.

Vediamo la quantità di calore ceduto dall'acqua calda e la quantità di calore ricevuto acqua fredda, sono uguali tra loro. Questo non è un risultato casuale. L'esperienza mostra che se avviene uno scambio di calore tra corpi, l'energia interna di tutti i corpi riscaldanti aumenta tanto quanto diminuisce l'energia interna dei corpi raffreddanti.

Quando si conducono esperimenti, di solito si scopre che l'energia emessa dall'acqua calda è maggiore dell'energia ricevuta dall'acqua fredda. Ciò è spiegato dal fatto che parte dell'energia viene trasferita all'aria circostante e parte dell'energia viene trasferita alla nave in cui è stata miscelata l'acqua. L'uguaglianza dell'energia data e ricevuta sarà tanto più accurata quanto minore sarà la perdita di energia consentita nell'esperimento. Se calcoli e prendi in considerazione queste perdite, l'uguaglianza sarà esatta.

Domande

1. Cosa devi sapere per calcolare la quantità di calore ricevuta da un corpo quando viene riscaldato?
2. Spiegare con un esempio come viene calcolata la quantità di calore impartita a un corpo quando viene riscaldato o rilasciata quando viene raffreddato.
3. Scrivi una formula per calcolare la quantità di calore.
4. Quale conclusione si può trarre dall'esperimento di miscelazione fredda e acqua calda? Perché queste energie non sono uguali nella pratica?

Esercizio 8

1. Quanto calore è necessario per riscaldare 0,1 kg di acqua di 1 °C?
2. Calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare: a) una ghisa del peso di 1,5 kg per variare la sua temperatura di 200 °C; b) un cucchiaio di alluminio del peso di 50 g da 20 a 90 °C; c) un camino in muratura del peso di 2 tonnellate da 10 a 40 °C.
3. Quanto calore viene rilasciato quando si raffredda l'acqua con un volume di 20 litri, se la temperatura cambia da 100 a 50 °C?

SCAMBIO DI CALORE.

1. Scambio termico.

Scambio termico o trasferimento di caloreè il processo di trasferimento dell'energia interna da un corpo a un altro senza compiere lavoro.

Esistono tre tipi di trasferimento di calore.

1) Conduttività termica- È lo scambio di calore tra i corpi durante il loro contatto diretto.

2) Convezione- Si tratta di uno scambio termico in cui il calore viene trasferito da flussi di gas o liquidi.

3) Radiazione– Si tratta dello scambio termico attraverso la radiazione elettromagnetica.

2. Quantità di calore.

La quantità di calore è una misura della variazione dell'energia interna di un corpo durante lo scambio di calore. Indicato con la lettera Q.

Unità di misura della quantità di calore = 1 J.

La quantità di calore ricevuta da un corpo da un altro corpo come risultato dello scambio di calore può essere spesa per aumentare la temperatura (aumentare l'energia cinetica delle molecole) o modificare lo stato di aggregazione (aumentare l'energia potenziale).

3.Capacità termica specifica della sostanza.

L'esperienza mostra che la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo di massa m dalla temperatura T 1 alla temperatura T 2 è proporzionale alla massa del corpo m e alla differenza di temperatura (T 2 - T 1), cioè

Q = cm(T 2 - T 1 ) = sMΔ T,

Conè detta capacità termica specifica della sostanza del corpo riscaldato.

Il calore specifico di una sostanza è pari alla quantità di calore che deve essere impartita a 1 kg di sostanza per riscaldarlo di 1 K.

Unità di misura della capacità termica specifica =.

I valori di capacità termica per varie sostanze possono essere trovati nelle tabelle fisiche.

Esattamente la stessa quantità di calore Q verrà rilasciata quando il corpo viene raffreddato da ΔT.

4. Calore specifico di vaporizzazione.

L’esperienza dimostra che la quantità di calore necessaria per convertire un liquido in vapore è proporzionale alla massa del liquido, cioè

Q = Lm,

dove è il coefficiente di proporzionalità lè chiamato calore specifico di vaporizzazione.

Il calore specifico di vaporizzazione è pari alla quantità di calore necessaria per convertire 1 kg di liquido al punto di ebollizione in vapore.

Unità di misura del calore specifico di vaporizzazione.

Durante il processo inverso, la condensazione del vapore, il calore viene rilasciato nella stessa quantità che è stata spesa per la formazione del vapore.

5.Calore specifico di fusione.

L'esperienza dimostra che la quantità di calore necessaria per la trasformazione solido in liquido, proporzionale al peso corporeo, cioè

Q = λ M,

dove il coefficiente di proporzionalità λ è detto calore specifico di fusione.

Il calore specifico di fusione è pari alla quantità di calore necessaria per trasformare un corpo solido del peso di 1 kg in un liquido al punto di fusione.

Unità di misura del calore specifico di fusione.

Durante il processo inverso, la cristallizzazione del liquido, viene rilasciata calore nella stessa quantità spesa per la fusione.

6. Calore specifico di combustione.

L'esperienza dimostra che la quantità di calore rilasciata durante la combustione completa del carburante è proporzionale alla massa del carburante, vale a dire

Q = QM,

Dove il coefficiente di proporzionalità q è chiamato calore specifico di combustione.

Il calore specifico di combustione è pari alla quantità di calore rilasciata durante la combustione completa di 1 kg di carburante.

Unità di misura del calore specifico di combustione.

7. Equazione del bilancio termico.

Lo scambio termico coinvolge due o più corpi. Alcuni corpi emettono calore, mentre altri lo ricevono. Lo scambio di calore avviene fino a quando le temperature dei corpi non diventano uguali. Secondo la legge di conservazione dell’energia, la quantità di calore ceduto è uguale a quella ricevuta. Su questa base viene scritta l'equazione del bilancio termico.

Diamo un'occhiata a un esempio.

Un corpo di massa m 1, la cui capacità termica è c 1, ha una temperatura T 1, mentre un corpo di massa m 2, la cui capacità termica è c 2, ha una temperatura T 2. Inoltre, T1 è maggiore di T2. Questi corpi vengono messi in contatto. L'esperienza mostra che un corpo freddo (m 2) inizia a riscaldarsi e un corpo caldo (m 1) inizia a raffreddarsi. Ciò suggerisce che parte dell'energia interna del corpo caldo viene trasferita a quello freddo e le temperature vengono equalizzate. Indichiamo la temperatura complessiva finale con θ.

La quantità di calore trasferita da un corpo caldo a uno freddo

Q trasferito. = C 1 M 1 (T 1 – θ )

La quantità di calore ricevuta da un corpo freddo da uno caldo

Q ricevuto. = C 2 M 2 (θ – T 2 )

Secondo la legge di conservazione dell'energia Q trasferito. = Q ricevuto., cioè.

C 1 M 1 (T 1 – θ )= C 2 M 2 (θ – T 2 )

Apriamo le parentesi ed esprimiamo il valore della temperatura totale a regime θ.

In questo caso otteniamo il valore della temperatura θ in Kelvin.

Tuttavia, poiché Q viene passato nelle espressioni. e Q viene ricevuto. è la differenza tra due temperature, ed è la stessa sia in Kelvin che in gradi Celsius, quindi il calcolo può essere effettuato in gradi Celsius. Poi

In questo caso otteniamo il valore della temperatura θ in gradi Celsius.

L'equalizzazione delle temperature dovuta alla conduttività termica può essere spiegata sulla base della teoria cinetica molecolare come uno scambio energia cinetica tra le molecole quando entrano in collisione durante il movimento termico caotico.

Questo esempio può essere illustrato con un grafico.