Balione esančių dujų vidinę energiją galite keisti ne tik dirbdami, bet ir kaitindami dujas (43 pav.). Jei sutvarkysite stūmoklį, dujų tūris nepasikeis, tačiau padidės temperatūra, taigi ir vidinė energija.
Energijos perdavimo iš vieno kūno į kitą procesas neatliekant darbo vadinamas šilumos mainais arba šilumos perdavimu.

Energija, perduodama kūnui dėl šilumos mainų, vadinama šilumos kiekiu.Šilumos kiekis taip pat vadinamas energija, kurią kūnas išskiria šilumos mainų metu.

Šilumos perdavimo molekulinis vaizdas.Šilumos mainų metu ties riba tarp kūnų vyksta lėtai judančių šalto kūno molekulių sąveika su greičiau judančiomis karšto kūno molekulėmis. Dėl to molekulių kinetinės energijos išsilygina ir šalto kūno molekulių greičiai didėja, o karšto – mažėja.

Šilumos mainų metu energija nevirsta iš vienos formos į kitą: dalis karšto kūno vidinės energijos perduodama šaltam kūnui.

Šilumos kiekis ir šiluminė talpa. Iš VII klasės fizikos kurso žinoma, kad norint sušildyti m masės kūną nuo temperatūros t 1 iki temperatūros t 2 reikia jį informuoti apie šilumos kiekį

Q = cm(t 2 – t 1) = cmΔt. (4.5)

Kai kūnas vėsta, jo amžinoji temperatūra t 2 yra mažesnė už pradinę temperatūrą t 1, o kūno išskiriamas šilumos kiekis yra neigiamas.
Koeficientas c formulėje (4.5) vadinamas specifinė šiluminė talpa. Savitoji šiluminė talpa – tai šilumos kiekis, kurį gauna arba išskiria 1 kg medžiagos, kai jos temperatūra pasikeičia 1 K.

Savitoji šiluminė talpa išreiškiama džauliais, padalijus iš kilogramo, padauginta iš kelvinų. Skirtingiems kūnams reikia skirtingo energijos kiekio, kad temperatūra padidėtų 1 K. Taigi vandens savitoji šiluminė talpa yra 4190 J/(kg K), o vario – 380 J/(kg K).

Specifinė šiluminė talpa priklauso ne tik nuo medžiagos savybių, bet ir nuo šilumos perdavimo proceso. Jei kaitinsite dujas esant pastoviam slėgiui, jos išsiplės ir veiks. Norint pašildyti dujas 1°C esant pastoviam slėgiui, joms reikės perduoti daugiau šilumos nei kaitinti esant pastoviam tūriui.

Skystis ir kietosios medžiagos kaitinant šiek tiek plečiasi, o jų savitosios šiluminės talpos esant pastoviam tūriui ir pastoviam slėgiui mažai skiriasi.

Savitoji garavimo šiluma. Kad skystis virstų garais, į jį turi būti perduotas tam tikras šilumos kiekis. Skysčio temperatūra šios transformacijos metu nekinta. Skysčio pavertimas garais, kai pastovi temperatūra nesukelia molekulių kinetinės energijos padidėjimo, bet kartu didėja jų potenciali energija. Juk vidutinis atstumas tarp dujų molekulių yra daug kartų didesnis nei tarp skysčio molekulių. Be to, tūrio padidėjimas pereinant medžiagai iš skysta būsena dujinėje formoje reikia dirbti prieš išorines slėgio jėgas.

Šilumos kiekis, reikalingas 1 kg skysčio paversti garais pastovioje temperatūroje, vadinamas savitoji garavimo šiluma. Šis kiekis žymimas raide r ir išreiškiamas džauliais kilogramui.

Savitoji vandens garavimo šiluma yra labai didelė: 2,256 · 10 6 J/kg esant 100°C temperatūrai. Kitų skysčių (alkoholio, eterio, gyvsidabrio, žibalo ir kt.) savitoji garavimo šiluma yra 3-10 kartų mažesnė.

Norint m masės skystį paversti garais, reikalingas šilumos kiekis, lygus:

Kondensuojantis garams išsiskiria tiek pat šilumos

Q k = –rm. (4.7)

Savitoji lydymosi šiluma. Kai kristalinis kūnas ištirpsta, visa jam tiekiama šiluma eina molekulių potencialios energijos didinimui. Kinetinė energija molekulės nesikeičia, nes lydosi esant pastoviai temperatūrai.

Šilumos kiekis λ (lambda), reikalingas 1 kg kristalinės medžiagos lydymosi temperatūroje paversti skysčiu toje pačioje temperatūroje, vadinamas specifine lydymosi šiluma.

Kai kristalizuojasi 1 kg medžiagos, išsiskiria lygiai tiek pat šilumos. Ledo lydymosi savitoji šiluma gana didelė: 3,4 · 10 5 J/kg.

Norint išlydyti m masės kristalinį kūną, reikalingas šilumos kiekis, lygus:

Qpl = λm. (4.8)

Kūno kristalizacijos metu išsiskiriančios šilumos kiekis yra lygus:

Q cr = – λm. (4.9)

1. Kaip vadinamas šilumos kiekis? 2. Nuo ko priklauso medžiagų savitoji šiluminė talpa? 3. Kas vadinama specifine garavimo šiluma? 4. Kaip vadinama savitoji sintezės šiluma? 5. Kokiais atvejais perduodamos šilumos kiekis yra neigiamas?

Kas greičiau įkais ant viryklės – virdulys ar kibiras vandens? Atsakymas akivaizdus – arbatinukas. Tada antras klausimas yra kodėl?

Atsakymas ne mažiau akivaizdus – nes vandens masė virdulyje mažesnė. Puiku. Ir dabar jūs galite patys atlikti tikrą fizinę patirtį namuose. Norėdami tai padaryti, jums reikės dviejų vienodų mažų puodų, vienodo kiekio vandens ir augalinio aliejaus, pavyzdžiui, po pusę litro, ir viryklės. Puodus su aliejumi ir vandeniu pastatykite ant tos pačios ugnies. Dabar tiesiog žiūrėkite, kas greičiau įkais. Jei turite termometrą skysčiams, galite jį naudoti, jei ne, galite tiesiog karts nuo karto patikrinti temperatūrą pirštu, tik būkite atsargūs, kad nesudegtumėte. Bet kokiu atveju netrukus pamatysite, kad aliejus gerokai įkaista greičiau nei vanduo. Ir dar vienas klausimas, kurį taip pat galima įgyvendinti patirties pavidalu. Kas užvirs greičiau – šiltas vanduo ar šaltas? Vėl viskas akivaizdu – šiltasis finiše bus pirmas. Kodėl visi šie keisti klausimai ir eksperimentai? Siekiant nustatyti fizinis kiekis, vadinamas „šilumos kiekiu“.

Šilumos kiekis

Šilumos kiekis yra energija, kurią kūnas praranda arba įgyja perduodant šilumą. Tai aišku iš pavadinimo. Vėsdamas kūnas praras tam tikrą šilumos kiekį, o kaitindamas – sugers. Ir atsakymai į mūsų klausimus mums parodė Nuo ko priklauso šilumos kiekis? Pirma, nei daugiau masės kūno, tuo daugiau šilumos reikia išleisti, kad jo temperatūra pasikeistų vienu laipsniu. Antra, šilumos kiekis, reikalingas kūnui šildyti, priklauso nuo medžiagos, iš kurios jis susideda, tai yra, nuo medžiagos tipo. Ir trečia, mūsų skaičiavimams svarbus ir kūno temperatūros skirtumas prieš ir po šilumos perdavimo. Remdamiesi tuo, kas išdėstyta pirmiau, galime nustatykite šilumos kiekį pagal formulę:

kur Q yra šilumos kiekis,
m - kūno svoris,
(t_2-t_1) – skirtumas tarp pradinės ir galutinės kūno temperatūros,
c yra medžiagos savitoji šiluminė talpa, nustatyta atitinkamose lentelėse.

Naudodami šią formulę galite apskaičiuoti šilumos kiekį, kurio reikia bet kuriam kūnui sušildyti arba kurį šis kūnas išskirs vėsdamas.

Šilumos kiekis matuojamas džauliais (1 J), kaip ir bet kuri energijos rūšis. Tačiau ši vertė buvo įvesta ne taip seniai, o šilumos kiekį žmonės pradėjo matuoti daug anksčiau. Ir jie naudojo mūsų laikais plačiai naudojamą vienetą - kaloriją (1 cal). 1 kalorija – tai šilumos kiekis, reikalingas 1 gramui vandens pašildyti 1 laipsniu Celsijaus. Vadovaudamiesi šiais duomenimis, mėgstantys skaičiuoti suvalgomo maisto kalorijas, savo malonumui gali paskaičiuoti, kiek litrų vandens galima užvirti iš energijos, kurią jie suvartoja su maistu per dieną.

(arba šilumos perdavimas).

Medžiagos savitoji šiluminė talpa.

Šilumos talpa- tai šilumos kiekis, kurį sugeria kūnas, kai įkaista 1 laipsniu.

Kūno šiluminė talpa rodoma kapitalu Lotyniška raidė SU.

Nuo ko priklauso kūno šiluminė talpa? Visų pirma, nuo jo masės. Aišku, kad pašildyti, pavyzdžiui, 1 kilogramą vandens reikės daugiau šilumos nei pašildyti 200 gramų.

O kaip dėl medžiagos tipo? Padarykime eksperimentą. Paimkime du vienodus indus ir, į vieną iš jų supylę 400 g sveriančio vandens, o į kitą – 400 g sveriančio augalinio aliejaus, pradėsime juos šildyti identiškais degikliais. Stebėdami termometro rodmenis pamatysime, kad aliejus greitai įkaista. Norint pašildyti vandenį ir aliejų iki vienodos temperatūros, vandenį reikia kaitinti ilgiau. Tačiau kuo ilgiau šildome vandenį, tuo daugiau šilumos jis gauna iš degiklio.

Taigi, kaitinant tą pačią skirtingų medžiagų masę iki tos pačios temperatūros, reikia skirtingų šilumos kiekių. Kūnui sušildyti reikalingas šilumos kiekis, taigi ir jo šiluminė talpa, priklauso nuo medžiagos, iš kurios kūnas susideda, rūšies.

Taigi, pavyzdžiui, norint padidinti 1 kg sveriančio vandens temperatūrą 1°C, reikia 4200 J šilumos kiekio, o tos pačios masės saulėgrąžų aliejaus pašildyti 1°C šilumos kiekio, lygaus Reikia 1700 J.

Vadinamas fizikinis dydis, parodantis, kiek šilumos reikia pašildyti 1 kg medžiagos 1 ºС specifinė šiluminė talpašios medžiagos.

Kiekviena medžiaga turi savo specifinę šiluminę talpą, kuri žymima lotyniška raide c ir matuojama džauliais kilogramui laipsnio (J/(kg °C)).

Tos pačios medžiagos savitoji šiluminė talpa skirtinguose agregacijos būsenos(kietos, skystos ir dujinės) skiriasi. Pavyzdžiui, vandens savitoji šiluminė galia yra 4200 J/(kg °C), o ledo savitoji šiluminė talpa – 2100 J/(kg °C); kietojo aliuminio savitoji šiluminė talpa yra 920 J/(kg - °C), o skysto - 1080 J/(kg - °C).

Atkreipkite dėmesį, kad vandens savitoji šiluminė talpa yra labai didelė. Todėl vasarą įkaistantis vanduo jūrose ir vandenynuose susigeria iš oro didelis skaičius karštis. Dėl šios priežasties tose vietose, kurios yra prie didelių vandens telkinių, vasara nėra tokia karšta, kaip toli nuo vandens.

Šilumos kiekio, reikalingo kūnui sušildyti arba jo išskiriamo aušinimo metu, apskaičiavimas.

Iš to, kas išdėstyta pirmiau, aišku, kad šilumos kiekis, reikalingas kūnui sušildyti, priklauso nuo medžiagos, iš kurios kūnas susideda, rūšies (t.y. jos specifinės šiluminės talpos) ir nuo kūno masės. Taip pat aišku, kad šilumos kiekis priklauso nuo to, kiek laipsnių ketiname padidinti kūno temperatūrą.

Taigi, norint nustatyti šilumos kiekį, reikalingą kūnui pašildyti arba jo išskiriamą aušinimo metu, reikia padauginti kūno savitąją šiluminę talpą iš jo masės ir skirtumo tarp galutinės ir pradinės temperatūros:

K = cm (t 2 - t 1 ) ,

Kur K- šilumos kiekis, c— savitoji šiluminė galia, m- kūno masė , t 1 - pradinė temperatūra, t 2 - galutinė temperatūra.

Kai kūnas įkaista t 2 > t 1 ir todėl K > 0 . Kai kūnas atvėsta t 2i< t 1 ir todėl K< 0 .

Jei žinoma viso kūno šiluminė talpa SU, K nustatoma pagal formulę:

Q = C (t 2 - t 1 ) .

Šioje pamokoje išmoksime apskaičiuoti šilumos kiekį, reikalingą kūnui sušildyti arba jo išskiriamą aušinant. Norėdami tai padaryti, apibendrinsime žinias, kurios buvo įgytos ankstesnėse pamokose.

Be to, išmoksime, naudodamiesi šilumos kiekio formule, iš šios formulės išreikšti likusius dydžius ir juos apskaičiuoti, žinodami kitus dydžius. Taip pat bus svarstomas problemos pavyzdys su šilumos kiekio skaičiavimo sprendimu.

Ši pamoka skirta apskaičiuoti šilumos kiekį, kai kūnas įkaista arba išsiskiria vėsus.

Galimybė apskaičiuoti reikiamą šilumos kiekį yra labai svarbi. To gali prireikti, pavyzdžiui, apskaičiuojant šilumos kiekį, kurį reikia perduoti vandeniui patalpai šildyti.

Ryžiai. 1. Šilumos kiekis, kuris turi būti perduotas vandeniui, kad šildytų kambarį

Arba apskaičiuoti šilumos kiekį, kuris išsiskiria deginant degalus įvairiuose varikliuose:

Ryžiai. 2. Šilumos kiekis, išsiskiriantis deginant degalus variklyje

Šios žinios taip pat reikalingos, pavyzdžiui, norint nustatyti šilumos kiekį, kurį išskiria Saulė ir patenka į Žemę:

Ryžiai. 3. Šilumos kiekis, kurį išskiria Saulė ir patenka į Žemę

Norėdami apskaičiuoti šilumos kiekį, turite žinoti tris dalykus (4 pav.):

• kūno svoris (kuris paprastai gali būti išmatuotas naudojant svarstykles);
• temperatūros skirtumas, iki kurio kūnas turi būti šildomas arba vėsinamas (paprastai matuojamas termometru);
• savitoji kūno šiluminė talpa (kurią galima nustatyti iš lentelės).

Ryžiai. 4. Ką reikia žinoti norint nustatyti

Formulė, pagal kurią apskaičiuojamas šilumos kiekis, atrodo taip:

Šioje formulėje pateikiami šie dydžiai:

Šilumos kiekis, išmatuotas džauliais (J);

Medžiagos savitoji šiluminė talpa matuojama ;

- temperatūros skirtumas, matuojamas Celsijaus laipsniais ().

Panagrinėkime šilumos kiekio apskaičiavimo problemą.

Užduotis

Variniame stikle, kurio masė yra gramai, yra litro tūrio vandens temperatūroje. Kiek šilumos turi būti perduota stiklinei vandens, kad jos temperatūra taptų lygi ?

Ryžiai. 5. Probleminių sąlygų iliustracija

Pirmiausia užrašome trumpą sąlygą ( Duota) ir konvertuoti visus kiekius į tarptautinę sistemą (SI).

Sprendimas:

Pirmiausia nustatykite, kokių kitų dydžių mums reikia šiai problemai išspręsti. Naudodamiesi savitosios šiluminės talpos lentele (1 lentelė) randame (vario savitoji šiluminė talpa, nes pagal sąlygą stiklas yra varis), (vandens savitoji šiluminė talpa, nes pagal sąlygą stikle yra vandens). Be to, žinome, kad šilumos kiekiui apskaičiuoti reikia vandens masės. Pagal sąlygą mums suteikiamas tik tūris. Todėl iš lentelės paimame vandens tankį: (2 lentelė).

Lentelė 1. Kai kurių medžiagų savitoji šiluminė talpa,

Lentelė 2. Kai kurių skysčių tankiai

Dabar turime viską, ko reikia šiai problemai išspręsti.

Atkreipkite dėmesį, kad galutinį šilumos kiekį sudarys šilumos kiekio, reikalingo variniam stiklui pašildyti, ir šilumos kiekio, reikalingo jame esančiam vandeniui pašildyti, sumos:

Pirmiausia apskaičiuokime šilumos kiekį, reikalingą variniam stiklui pašildyti:

Prieš apskaičiuodami šilumos kiekį, reikalingą vandeniui pašildyti, apskaičiuokime vandens masę pagal mums žinomą nuo 7 klasės formulę:

Dabar galime apskaičiuoti:

Tada galime apskaičiuoti:

Prisiminkime, ką reiškia kilodžauliai. Priešdėlis „kilo“ reiškia .

Atsakymas:.

Kad būtų patogiau išspręsti šilumos kiekio (vadinamosios tiesioginės problemos) ir kiekių, susijusių su šia sąvoka, problemas, galite naudoti šią lentelę.