Procesi i transferimit të energjisë nga një trup në tjetrin pa kryer punë quhet shkëmbimi i nxehtësisë ose transferim i nxehtësisë. Shkëmbimi i nxehtësisë ndodh midis trupave me temperatura të ndryshme. Kur vendoset kontakti midis trupave me temperatura të ndryshme, një pjesë e energjisë së brendshme transferohet nga trupi me një më të lartë temperaturë të lartë në një trup, temperatura e të cilit është më e ulët. Energjia e transferuar në një trup si rezultat i shkëmbimit të nxehtësisë quhet sasia e nxehtësisë.

Kapaciteti specifik termik i një substance:

Nëse procesi i transferimit të nxehtësisë nuk shoqërohet me punë, atëherë, bazuar në ligjin e parë të termodinamikës, sasia e nxehtësisë është e barabartë me ndryshimin e energjisë së brendshme të trupit: .

Energjia mesatare e lëvizjes përkthimore të rastësishme të molekulave është proporcionale me temperaturën absolute. Ndryshimi në energjinë e brendshme të një trupi është i barabartë me shumën algjebrike të ndryshimeve në energjinë e të gjitha atomeve ose molekulave, numri i të cilave është në përpjesëtim me masën e trupit, pra ndryshimi i energjisë së brendshme dhe, për rrjedhojë, sasia e nxehtësisë është proporcionale me masën dhe ndryshimin e temperaturës:

Faktori i proporcionalitetit në këtë ekuacion quhet kapaciteti termik specifik i një lënde. Kapaciteti specifik i nxehtësisë tregon se sa nxehtësi nevojitet për të ngrohur 1 kg të një lënde me 1 K.

Puna në termodinamikë:

Në mekanikë, puna përkufizohet si produkt i moduleve të forcës dhe zhvendosjes dhe kosinusit të këndit ndërmjet tyre. Puna kryhet kur një forcë vepron në një trup në lëvizje dhe është e barabartë me ndryshimin e energjisë së tij kinetike.

Në termodinamikë, lëvizja e një trupi në tërësi nuk merret parasysh; ne po flasim për lëvizjen e pjesëve të një trupi makroskopik në lidhje me njëri-tjetrin. Si rezultat, vëllimi i trupit ndryshon, por shpejtësia e tij mbetet e barabartë me zero. Puna në termodinamikë përcaktohet në të njëjtën mënyrë si në mekanikë, por është e barabartë me ndryshimin jo në energjinë kinetike të trupit, por në energjinë e tij të brendshme.

Kur kryhet puna (ngjeshja ose zgjerimi), energjia e brendshme e gazit ndryshon. Arsyeja për këtë është: gjatë përplasjeve elastike të molekulave të gazit me një piston në lëvizje, energjia e tyre kinetike ndryshon.

Le të llogarisim punën e bërë nga gazi gjatë zgjerimit. Gazi ushtron një forcë në piston
, Ku - presioni i gazit dhe - sipërfaqja pistoni Kur gazi zgjerohet, pistoni lëviz në drejtim të forcës distancë e shkurtër
. Nëse distanca është e vogël, atëherë presioni i gazit mund të konsiderohet konstant. Puna e bërë nga gazi është:

Ku
- ndryshimi i vëllimit të gazit.

Në procesin e zgjerimit të gazit, ai bën punë pozitive, pasi drejtimi i forcës dhe zhvendosja përkojnë. Gjatë procesit të zgjerimit, gazi lëshon energji në trupat përreth.

Puna e bërë nga trupat e jashtëm në një gaz ndryshon nga puna e një gazi vetëm në shenjë
, që nga forca , që vepron në gaz, është e kundërt me forcën , me të cilin gazi vepron në piston dhe është i barabartë me të në modul (ligji i tretë i Njutonit); dhe lëvizja mbetet e njëjtë. Prandaj, puna e forcave të jashtme është e barabartë me:

.

Ligji i parë i termodinamikës:

Ligji i parë i termodinamikës është ligji i ruajtjes së energjisë, i shtrirë në dukuritë termike. Ligji i ruajtjes së energjisë: Energjia në natyrë nuk lind nga asgjëja dhe nuk zhduket: sasia e energjisë është e pandryshuar, ajo kalon vetëm nga një formë në tjetrën.

Termodinamika merr në konsideratë trupat qendra e gravitetit të të cilëve mbetet praktikisht e pandryshuar. Energjia mekanike e trupave të tillë mbetet konstante dhe vetëm energjia e brendshme mund të ndryshojë.

Energjia e brendshme mund të ndryshojë në dy mënyra: transferimi i nxehtësisë dhe puna. Në rastin e përgjithshëm, energjia e brendshme ndryshon si për shkak të transferimit të nxehtësisë ashtu edhe për shkak të punës së bërë. Ligji i parë i termodinamikës është formuluar pikërisht për raste të tilla të përgjithshme:

Ndryshimi në energjinë e brendshme të një sistemi gjatë kalimit të tij nga një gjendje në tjetrën është i barabartë me shumën e punës së forcave të jashtme dhe sasinë e nxehtësisë së transferuar në sistem:

Nëse sistemi është i izoluar, atëherë nuk punohet në të dhe nuk shkëmbehet nxehtësia me trupat përreth. Sipas ligjit të parë të termodinamikës energjia e brendshme e një sistemi të izoluar mbetet e pandryshuar.

Duke pasur parasysh atë
, ligji i parë i termodinamikës mund të shkruhet si më poshtë:

Sasia e nxehtësisë së transferuar në sistem shkon për të ndryshuar energjinë e tij të brendshme dhe për të kryer punë në trupat e jashtëm nga sistemi.

Ligji i dytë i termodinamikës: Është e pamundur të transferohet nxehtësia nga një sistem më i ftohtë në një sistem më të nxehtë në mungesë të ndryshimeve të tjera të njëkohshme në të dy sistemet ose në trupat përreth.

Energjia e brendshme sistemi termodinamik mund të ndryshohet në dy mënyra:

1. duke bërë gjatë puna e sistemit,
2. duke përdorur ndërveprim termik.

Transferimi i nxehtësisë në një trup nuk shoqërohet me kryerjen e punës makroskopike në trup. Në këtë rast, ndryshimi i energjisë së brendshme shkaktohet nga fakti se molekulat individuale të një trupi me temperaturë më të lartë punojnë në disa molekula të një trupi që ka temperaturë më të ulët. Në këtë rast, ndërveprimi termik realizohet për shkak të përçueshmërisë termike. Transferimi i energjisë është gjithashtu i mundur duke përdorur rrezatim. Sistemi i proceseve mikroskopike (që nuk kanë të bëjnë me të gjithë trupin, por me molekulat individuale) quhet transferim i nxehtësisë. Sasia e energjisë që transferohet nga një trup në tjetrin si rezultat i transferimit të nxehtësisë përcaktohet nga sasia e nxehtësisë që transferohet nga një trup në tjetrin.

Përkufizimi

Ngrohtësiaështë energjia që merret (ose jepet) nga një trup në procesin e shkëmbimit të nxehtësisë me trupat përreth (mjedisi). Simboli i nxehtësisë është zakonisht shkronja Q.

Kjo është një nga sasitë themelore në termodinamikë. Nxehtësia e përfshirë në shprehjet matematikore Parimi i parë dhe i dytë i termodinamikës. Nxehtësia thuhet se është energji në formën e lëvizjes molekulare.

Nxehtësia mund të transferohet në sistem (trup), ose mund të merret prej tij. Besohet se nëse nxehtësia transferohet në sistem, atëherë është pozitive.

Formula për llogaritjen e nxehtësisë kur ndryshon temperatura

Sasinë elementare të nxehtësisë e shënojmë si . Le të theksojmë se elementi i nxehtësisë që merr (e jep) sistemi me një ndryshim të vogël në gjendjen e tij nuk është një diferencial i plotë. Arsyeja për këtë është se nxehtësia është funksion i procesit të ndryshimit të gjendjes së sistemit.

Sasia elementare e nxehtësisë që i jepet sistemit dhe temperatura ndryshon nga T në T+dT, është e barabartë me:

ku C është kapaciteti i nxehtësisë së trupit. Nëse trupi në fjalë është homogjen, atëherë formula (1) për sasinë e nxehtësisë mund të përfaqësohet si:

ku është kapaciteti specifik termik i trupit, m - masë trupore, është kapaciteti molar i nxehtësisë, është masa molare e substancës, është numri i moleve të substancës.

Nëse trupi është homogjen dhe kapaciteti i nxehtësisë konsiderohet i pavarur nga temperatura, atëherë sasia e nxehtësisë () që merr trupi kur temperatura e tij rritet me një sasi mund të llogaritet si:

ku t 2, t 1 temperaturat e trupit para dhe pas ngrohjes. Ju lutemi vini re se kur gjeni ndryshimin () në llogaritjet, temperaturat mund të zëvendësohen si në gradë Celsius ashtu edhe në kelvin.

Formula për sasinë e nxehtësisë gjatë tranzicionit fazor

Kalimi nga një fazë e një lënde në tjetrën shoqërohet me thithjen ose çlirimin e një sasie të caktuar nxehtësie, e cila quhet nxehtësia e kalimit fazor.

Pra, për të transferuar një element të materies nga një gjendje e ngurtë në një lëng, duhet t'i jepet një sasi nxehtësie () e barabartë me:

ku është nxehtësia specifike e shkrirjes, dm është elementi i masës trupore. Duhet pasur parasysh se trupi duhet të ketë një temperaturë të barabartë me pikën e shkrirjes së substancës në fjalë. Gjatë kristalizimit, nxehtësia lëshohet e barabartë me (4).

Sasia e nxehtësisë (nxehtësia e avullimit) e nevojshme për të kthyer lëngun në avull mund të gjendet si:

ku r është nxehtësia specifike e avullimit. Kur avulli kondensohet, nxehtësia lirohet. Nxehtësia e avullimit është e barabartë me nxehtësinë e kondensimit të masave të barabarta të substancës.

Njësitë për matjen e sasisë së nxehtësisë

Njësia bazë e matjes për sasinë e nxehtësisë në sistemin SI është: [Q]=J

Një njësi ekstra-sistem e nxehtësisë, e cila shpesh gjendet në llogaritjet teknike. [Q]=kalori (kalori). 1 kalori = 4,1868 J.

Shembuj të zgjidhjes së problemeve

Shembull

Ushtrimi. Cilat vëllime uji duhet të përzihen për të marrë 200 litra ujë në temperaturën t = 40 C, nëse temperatura e një mase uji është t 1 = 10 C, temperatura e masës së dytë të ujit është t 2 = 60 C. ?

Zgjidhje. Le të shkruajmë ekuacionin e bilancit të nxehtësisë në formën:

ku Q=cmt është sasia e nxehtësisë e përgatitur pas përzierjes së ujit; Q 1 = cm 1 t 1 - sasia e nxehtësisë së një pjese të ujit me temperaturë t 1 dhe masë m 1; Q 2 = cm 2 t 2 - sasia e nxehtësisë së një pjese të ujit me temperaturë t 2 dhe masë m 2.

Nga ekuacioni (1.1) rezulton:

Kur kombinojmë pjesë të ujit të ftohtë (V 1) dhe të nxehtë (V 2) në një vëllim të vetëm (V), mund të supozojmë se:

Pra, marrim një sistem ekuacionesh:

Pasi e kemi zgjidhur atë marrim:

Në praktikë, shpesh përdoren llogaritjet termike. Për shembull, gjatë ndërtimit të ndërtesave, është e nevojshme të merret parasysh se sa nxehtësi duhet t'i japë ndërtesës i gjithë sistemi i ngrohjes. Ju gjithashtu duhet të dini se sa nxehtësi do të dalë në hapësirën përreth përmes dritareve, mureve dhe dyerve.

Ne do të tregojmë me shembuj se si të kryejmë llogaritjet e thjeshta.

Pra, duhet të zbuloni se sa nxehtësi mori pjesa e bakrit kur nxehet. Masa e tij ishte 2 kg dhe temperatura u rrit nga 20 në 280 °C. Së pari, duke përdorur tabelën 1, ne përcaktojmë kapacitetin specifik të nxehtësisë së bakrit me m = 400 J / kg °C). Kjo do të thotë se ngrohja e një pjese bakri që peshon 1 kg me 1 °C do të kërkojë 400 J. Për të ngrohur një pjesë bakri që peshon 2 kg me 1 °C, sasia e nxehtësisë që kërkohet është 2 herë më e madhe - 800 J. Temperatura e bakrit pjesa duhet të rritet me më shumë se 1 °C, dhe në 260 °C, kjo do të thotë se do të kërkohet 260 herë më shumë nxehtësi, pra 800 J 260 = 208,000 J.

Nëse e shënojmë masën si m, ndryshimi midis temperaturave përfundimtare (t 2) dhe fillestare (t 1) - t 2 - t 1, marrim një formulë për llogaritjen e sasisë së nxehtësisë:

Q = cm (t 2 - t 1).

Shembulli 1. Një kazan hekuri me peshë 5 kg mbushet me ujë me peshë 10 kg. Sa nxehtësi duhet të transferohet në kazan me ujë për të ndryshuar temperaturën e tij nga 10 në 100 °C?

Kur zgjidhni problemin, duhet të keni parasysh që të dy trupat - bojleri dhe uji - do të nxehen së bashku. Ndërmjet tyre ndodh shkëmbimi i nxehtësisë. Temperaturat e tyre mund të konsiderohen të njëjta, pra temperatura e bojlerit dhe ujit ndryshon me 100 °C - 10 °C = 90 °C. Por sasia e nxehtësisë së marrë nga kaldaja dhe uji nuk do të jenë të njëjta. Në fund të fundit, masat e tyre dhe kapacitetet specifike të nxehtësisë janë të ndryshme.

Ngrohja e ujit në një tenxhere

Shembulli 2. Përziejmë ujë me peshë 0,8 kg në temperaturë 25 °C dhe ujë në temperaturë 100 °C me peshë 0,2 kg. Temperatura e përzierjes që rezulton u mat dhe doli të ishte 40 °C. Llogaritni sa nxehtësi hoqi uji i nxehtë kur ftohej dhe mori ujë të ftohtë kur nxehet. Krahasoni këto sasi të nxehtësisë.

Le të shkruajmë kushtet e problemit dhe ta zgjidhim atë.

Ne shohim se sasia e nxehtësisë që lëshohet nga uji i nxehtë dhe sasia e nxehtësisë së marrë ujë të ftohtë, janë të barabartë me njëri-tjetrin. Ky nuk është një rezultat i rastësishëm. Përvoja tregon se nëse shkëmbimi i nxehtësisë ndodh ndërmjet trupave, atëherë energjia e brendshme e të gjithë trupave ngrohës rritet aq sa zvogëlohet energjia e brendshme e trupave ftohës.

Gjatë kryerjes së eksperimenteve, zakonisht rezulton se energjia e lëshuar nga uji i nxehtë është më e madhe se energjia e marrë nga uji i ftohtë. Kjo shpjegohet me faktin se një pjesë e energjisë transferohet në ajrin përreth, dhe një pjesë e energjisë transferohet në enën në të cilën është përzier uji. Barazia e energjisë së dhënë dhe të marrë do të jetë më e saktë, aq më pak humbje energjie lejohet në eksperiment. Nëse llogaritni dhe merrni parasysh këto humbje, barazia do të jetë e saktë.

Pyetje

1. Çfarë duhet të dini për të llogaritur sasinë e nxehtësisë që merr një trup kur nxehet?
2. Shpjegoni me një shembull se si llogaritet sasia e nxehtësisë që i jepet një trupi kur nxehet ose lëshohet kur ftohet.
3. Shkruani një formulë për të llogaritur sasinë e nxehtësisë.
4. Çfarë përfundimi mund të nxirret nga eksperimenti i përzierjes së të ftohtit dhe ujë i nxehtë? Pse këto energji nuk janë të barabarta në praktikë?

Ushtrimi 8

1. Sa nxehtësi nevojitet për të ngrohur 0,1 kg ujë me 1 °C?
2. Llogaritni sasinë e nxehtësisë që kërkohet për të ngrohur: a) një gize me peshë 1,5 kg për të ndryshuar temperaturën e tij me 200 °C; b) një lugë alumini me peshë 50 g nga 20 në 90 °C; c) një oxhak me tulla me peshë 2 tonë nga 10 në 40 °C.
3. Sa nxehtësi lirohet kur uji me vëllim 20 litra ftohet, nëse temperatura ka ndryshuar nga 100 në 50 °C?

SHKËMBIMI I NXEHTËSISË.

1. Shkëmbimi i nxehtësisë.

Shkëmbimi i nxehtësisë ose transferimi i nxehtësisëështë procesi i transferimit të energjisë së brendshme të një trupi në tjetrin pa kryer punë.

Ekzistojnë tre lloje të transferimit të nxehtësisë.

1) Përçueshmëri termike- Ky është shkëmbimi i nxehtësisë midis trupave gjatë kontaktit të tyre të drejtpërdrejtë.

2) Konvekcioni- Ky është shkëmbimi i nxehtësisë në të cilin nxehtësia transferohet nga rrjedhat e gazit ose lëngjeve.

3) Rrezatimi- Ky është shkëmbimi i nxehtësisë përmes rrezatimit elektromagnetik.

2. Sasia e nxehtësisë.

Sasia e nxehtësisë është një masë e ndryshimit në energjinë e brendshme të një trupi gjatë shkëmbimit të nxehtësisë. Shënohet me shkronjë P.

Njësia për matjen e sasisë së nxehtësisë = 1 J.

Sasia e nxehtësisë e marrë nga një trup nga një trup tjetër si rezultat i shkëmbimit të nxehtësisë mund të shpenzohet për rritjen e temperaturës (rritja e energjisë kinetike të molekulave) ose ndryshimi i gjendjes së grumbullimit (rritja e energjisë potenciale).

3. Kapaciteti specifik termik i substancës.

Përvoja tregon se sasia e nxehtësisë e nevojshme për të ngrohur një trup me masë m nga temperatura T 1 në temperaturën T 2 është proporcionale me masën e trupit m dhe ndryshimin e temperaturës (T 2 - T 1), d.m.th.

P = cm(T 2 - T 1 ) = smΔ T,

Me quhet kapaciteti termik specifik i substancës së trupit të ndezur.

Kapaciteti specifik i nxehtësisë i një lënde është i barabartë me sasinë e nxehtësisë që duhet t'i jepet 1 kg substancë për ta ngrohur atë me 1 K.

Njësia matëse e kapacitetit specifik të nxehtësisë =.

Vlerat e kapacitetit të nxehtësisë për substanca të ndryshme mund të gjenden në tabelat fizike.

Saktësisht e njëjta sasi nxehtësie Q do të çlirohet kur trupi të ftohet nga ΔT.

4.Nxehtësia specifike e avullimit.

Përvoja tregon se sasia e nxehtësisë e nevojshme për të kthyer një lëng në avull është në proporcion me masën e lëngut, d.m.th.

P = Lm,

ku është koeficienti i proporcionalitetit L quhet nxehtësia specifike e avullimit.

Nxehtësia specifike e avullimit është e barabartë me sasinë e nxehtësisë që kërkohet për të kthyer 1 kg lëng në pikën e vlimit në avull.

Një njësi matëse për nxehtësinë specifike të avullimit.

Gjatë procesit të kundërt, kondensimit të avullit, nxehtësia lëshohet në të njëjtën sasi që është shpenzuar për formimin e avullit.

5.Nxehtësia specifike e shkrirjes.

Përvoja tregon se sasia e nxehtësisë e nevojshme për transformimin të ngurta në lëng, në përpjesëtim me peshën trupore, d.m.th.

P = λ m,

ku koeficienti i proporcionalitetit λ quhet nxehtësia specifike e shkrirjes.

Nxehtësia specifike e shkrirjes është e barabartë me sasinë e nxehtësisë që është e nevojshme për të transformuar një trup të ngurtë që peshon 1 kg në një lëng në pikën e shkrirjes.

Një njësi matëse për nxehtësinë specifike të shkrirjes.

Gjatë procesit të kundërt, kristalizimit të lëngut, nxehtësia lëshohet në të njëjtën sasi që është shpenzuar për shkrirjen.

6. Nxehtësia specifike e djegies.

Përvoja tregon se sasia e nxehtësisë që çlirohet gjatë djegies së plotë të karburantit është në proporcion me masën e karburantit, d.m.th.

P = qm,

Ku koeficienti i proporcionalitetit q quhet nxehtësi specifike e djegies.

Nxehtësia specifike e djegies është e barabartë me sasinë e nxehtësisë së çliruar gjatë djegies së plotë të 1 kg karburant.

Njësia matëse e nxehtësisë specifike të djegies.

7. Ekuacioni i bilancit të nxehtësisë.

Shkëmbimi i nxehtësisë përfshin dy ose më shumë trupa. Disa trupa lëshojnë nxehtësi, ndërsa të tjerët e marrin atë. Shkëmbimi i nxehtësisë ndodh derisa temperaturat e trupave të bëhen të barabarta. Sipas ligjit të ruajtjes së energjisë, sasia e nxehtësisë që lëshohet është e barabartë me sasinë që merret. Mbi këtë bazë, shkruhet ekuacioni i bilancit të nxehtësisë.

Le të shohim një shembull.

Një trup me masë m 1, kapaciteti termik i të cilit është c 1, ka një temperaturë T 1, dhe një trup me masë m 2, kapaciteti i nxehtësisë i të cilit është c 2, ka një temperaturë T 2. Për më tepër, T 1 është më i madh se T 2. Këto trupa vihen në kontakt. Përvoja tregon se një trup i ftohtë (m 2) fillon të nxehet dhe një trup i nxehtë (m 1) fillon të ftohet. Kjo sugjeron që një pjesë e energjisë së brendshme të trupit të nxehtë transferohet në atë të ftohtë dhe temperaturat barazohen. Le të shënojmë temperaturën e përgjithshme përfundimtare me θ.

Sasia e nxehtësisë e transferuar nga një trup i nxehtë në një të ftohtë

P të transferuara. = c 1 m 1 (T 1 – θ )

Sasia e nxehtësisë që merr një trup i ftohtë nga një trup i nxehtë

P marrë. = c 2 m 2 (θ – T 2 )

Sipas ligjit të ruajtjes së energjisë P të transferuara. = P marrë., d.m.th.

c 1 m 1 (T 1 – θ )= c 2 m 2 (θ – T 2 )

Le të hapim kllapat dhe të shprehim vlerën e temperaturës totale të gjendjes së qëndrueshme θ.

Në këtë rast, marrim vlerën e temperaturës θ në kelvin.

Megjithatë, meqenëse Q kalohet në shprehje. dhe pranohet Q. është ndryshimi midis dy temperaturave, dhe është i njëjtë si në Kelvin ashtu edhe në gradë Celsius, atëherë llogaritja mund të bëhet në gradë Celsius. Pastaj

Në këtë rast, marrim vlerën e temperaturës θ në gradë Celsius.

Barazimi i temperaturave si rezultat i përçueshmërisë termike mund të shpjegohet në bazë të teorisë kinetike molekulare si shkëmbim energjia kinetike ndërmjet molekulave kur përplasen gjatë lëvizjes kaotike termike.

Ky shembull mund të ilustrohet me një grafik.