Siltuma daudzums: koncepcija, aprēķini, pielietojums

Mūsu raksta uzmanības centrā ir siltuma daudzums. Mēs apsvērsim iekšējās enerģijas jēdzienu, kas tiek pārveidots, mainoties šai vērtībai. Parādīsim arī dažus piemērus aprēķinu pielietojumam cilvēka darbībā.

Siltums

Katram cilvēkam ir savas asociācijas ar jebkuru vārdu savā dzimtajā valodā. Tos nosaka personīgā pieredze un iracionālas jūtas. Ko parasti apzīmē ar vārdu "siltums"? Mīksta sega, ziemā darbojas centrālapkures akumulators, pavasarī pirmā saule, kat. Vai arī mātes skatiens, mierinošs vārds no drauga, savlaicīga uzmanība.

Fiziķi ar to saprot ļoti konkrētu terminu. Un ļoti svarīgi, īpaši dažās šīs sarežģītās, bet aizraujošās zinātnes sadaļās.

Termodinamika

Siltuma daudzumu nav vērts apsvērt atsevišķi no vienkāršākajiem procesiem, uz kuriem balstās enerģijas nezūdamības likums - nekas nebūs skaidrs. Tāpēc, lai sāktu, atgādināsim viņu lasītājiem.

Termodinamika jebkuru lietu vai objektu uzskata par ļoti liela skaita elementāru daļu - atomu, jonu, molekulu - kombināciju. Tās vienādojumi apraksta visas izmaiņas sistēmas kolektīvajā stāvoklī kopumā un kā veseluma daļu, mainoties makroparametriem. Pēdējie tiek saprasti kā temperatūra (apzīmēta kā T), spiediens (P), komponentu koncentrācija (parasti C).

Iekšējā enerģija

Iekšējā enerģija ir diezgan sarežģīts termins, kura nozīmē ir vērts saprast, pirms runāt par siltuma daudzumu. Tas apzīmē enerģiju, kas mainās, palielinoties vai samazinoties objekta makroparametru vērtībai, un nav atkarīga no atskaites sistēmas. Tā ir daļa no kopējās enerģijas. Tas sakrīt ar to apstākļos, kad pētāmās lietas masas centrs atrodas miera stāvoklī (tas ir, nav kinētiskās sastāvdaļas).

Ja cilvēks jūt, ka kāds priekšmets (teiksim, velosipēds) ir uzsilis vai atdzisis, tas liecina, ka visas molekulas un atomi, kas veido šo sistēmu, ir piedzīvojušas iekšējās enerģijas izmaiņas. Tomēr temperatūras nemainīgums nenozīmē šī indikatora saglabāšanu.

Darbs un siltums

Jebkuras termodinamiskās sistēmas iekšējo enerģiju var pārveidot divos veidos:

• veicot darbu pie tā;
• siltuma apmaiņas laikā ar vidi.

Šī procesa formula izskatās šādi:

dU = Q-A, kur U ir iekšējā enerģija, Q ir siltums, A ir darbs.

Lai lasītāju nemaldina izteiksmes vienkāršība. Permutācija parāda, ka Q = dU + A, bet entropijas (S) ieviešana formulu veido formā dQ = dSxT.

Tā kā šajā gadījumā vienādojums izpaužas diferenciāļa formā, pirmajai izteiksmei ir vajadzīgs tas pats. Tālāk, atkarībā no spēkiem, kas darbojas pētāmajā objektā, un parametra, kas tiek aprēķināts, tiek iegūta nepieciešamā attiecība.

Kā termodinamiskās sistēmas piemēru ņemiet metāla lodi. Ja jūs to nospiežat, izmetiet to, iemetiet dziļā akā, tas nozīmē, ka pie tā ir jāstrādā. Ārēji visas šīs nekaitīgās darbības bumbai nekādu kaitējumu nenodarīs, taču tās iekšējā enerģija mainīsies, kaut arī ļoti nedaudz.

Otrais veids ir siltuma apmaiņa. Tagad mēs nonākam pie šī raksta galvenā mērķa: apraksta par to, kāds ir siltuma daudzums. Šīs ir tādas termodinamiskās sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņas, kas rodas siltuma apmaiņas laikā (skatiet iepriekš minēto formulu). To mēra džoulos vai kalorijās. Acīmredzot, turot bumbu virs šķiltavu, saulē vai vienkārši siltā rokā, tā uzkarsīs. Un tad, mainot temperatūru, jūs varat atrast siltuma daudzumu, kas viņam tika paziņots vienlaikus.

Kāpēc gāze ir labākais iekšējās enerģijas izmaiņu piemērs un kāpēc šī iemesla dēļ skolēniem nepatīk fizika

Iepriekš mēs aprakstījām izmaiņas metāla lodītes termodinamiskajos parametros. Bez īpašām ierīcēm tās nav īpaši pamanāmas, un lasītājs var tikai pieminēt ar objektu notiekošajiem procesiem. Cita lieta, vai sistēma ir ar gāzi. Nospiediet uz tā - tas būs redzams, uzsildiet to - spiediens paaugstināsies, nolaidiet to zem zemes - un to var viegli salabot. Tāpēc mācību grāmatās tieši gāze visbiežāk tiek uztverta kā vizuāla termodinamiskā sistēma.

Bet diemžēl mūsdienu izglītībā reālai pieredzei netiek pievērsta liela uzmanība. Zinātnieks, kurš raksta metodisko ceļvedi, lieliski saprot, kas ir uz spēles. Viņam šķiet, ka ar gāzes molekulu piemēru tiks pareizi parādīti visi termodinamiskie parametri. Bet studentam, kurš tikai atklāj šo pasauli, ir garlaicīgi klausīties par ideālu kolbu ar teorētisko virzuli. Ja skolā būtu īstas zinātniskās laboratorijas un atvēlētu stundas darbam tajās, viss būtu savādāk. Pagaidām diemžēl eksperimenti ir tikai uz papīra. Un, visticamāk, tas ir iemesls, kāpēc cilvēki uzskata, ka šī fizikas nozare ir kaut kas tīri teorētisks, tālu no dzīves un nevajadzīgs.

Tāpēc nolēmām kā piemēru minēt jau iepriekš minēto velosipēdu. Cilvēks spiež pedāļus - viņš strādā uz tiem. Papildus griezes momenta piešķiršanai visam mehānismam (pateicoties velosipēda kustībai telpā), mainās arī to materiālu iekšējā enerģija, no kuriem tiek izgatavotas sviras. Velosipēdists nospiež rokturus, lai pagrieztos, un atkal veic darbu.

Palielinās ārējā pārklājuma (plastmasas vai metāla) iekšējā enerģija. Cilvēks izbrauc izcirtumā zem spožas saules - velosipēds uzsilst, mainās tā siltuma daudzums. Apstājas, lai atpūstos veca ozola ēnā, un sistēma atdziest, zaudējot kalorijas vai džoulus. Palielina ātrumu - palielinās enerģijas apmaiņa. Taču siltuma daudzuma aprēķins visos šajos gadījumos parādīs ļoti mazu, nemanāmu vērtību. Tāpēc šķiet, ka reālajā dzīvē termodinamiskās fizikas izpausmes nav.

Aprēķinu pielietošana siltuma daudzuma izmaiņām

Droši vien lasītājs teiks, ka tas viss ir ļoti informatīvi, bet kāpēc mēs tik ļoti mokāmies skolā ar šīm formulām. Un tagad mēs sniegsim piemērus, kurās cilvēka darbības jomās tie ir tieši nepieciešami un kā tas attiecas uz ikvienu viņa ikdienas dzīvē.

Vispirms paskatieties sev apkārt un saskaitiet: cik daudz metāla priekšmetu jūs ieskauj? Droši vien vairāk nekā desmit. Bet, pirms tas kļūst par saspraudi, vagonu, gredzenu vai zibatmiņu, jebkurš metāls tiek izkausēts. Katrai rūpnīcai, kas apstrādā, teiksim, dzelzsrūdu, ir jāsaprot, cik daudz degvielas ir nepieciešams, lai optimizētu izmaksas. Un, to aprēķinot, ir jāzina metālu saturošās izejvielas siltumietilpība un siltuma daudzums, kas tai ir jāatskaitās, lai notiktu visi tehnoloģiskie procesi. Tā kā vienas degvielas vienības izdalītā enerģija tiek aprēķināta džoulos vai kalorijās, formulas ir vajadzīgas tieši.

Vai cits piemērs: lielākajā daļā lielveikalu ir nodaļa ar saldētām precēm - zivīm, gaļu, augļiem. Ja izejvielas no dzīvnieku gaļas vai jūras veltēm tiek pārveidotas par pusfabrikātu, jums jāzina, cik elektrības ledusskapji un saldētavas patērēs uz tonnu vai gatavā produkta vienību. Lai to izdarītu, aprēķiniet, cik daudz siltuma zaudē kilograms zemeņu vai kalmāru, atdzesējot par vienu grādu pēc Celsija. Un galu galā tas parādīs, cik daudz elektrības tērēs noteiktas jaudas saldētava.

Lidmašīnas, tvaikoņi, vilcieni

Iepriekš mēs parādījām salīdzinoši nekustīgu, statisku objektu piemērus, par kuriem tiek ziņots vai no kuriem, gluži pretēji, tiek noņemts noteikts siltuma daudzums. Objektiem, kas pārvietojas darbības procesā pastāvīgi mainīgas temperatūras apstākļos, siltuma daudzuma aprēķini ir svarīgi cita iemesla dēļ.

Ir tāda lieta kā "metāla nogurums". Tas ietver arī maksimālās pieļaujamās slodzes pie noteikta temperatūras izmaiņu ātruma. Iedomājieties lidmašīnu, kas paceļas no mitriem tropiem uz sasalušām atmosfēras augšdaļām. Inženieriem ir smagi jāstrādā, lai tas nesabruktu metāla plaisu dēļ, kas parādās, temperatūrai pazeminoties. Viņi meklē sakausējuma sastāvu, kas spēj izturēt reālas slodzes un kam ir liela drošības rezerve. Un, lai nemeklētu akli, cerot nejauši uzklupt vēlamajam sastāvam, ir jāveic daudz aprēķinu, tostarp tie, kas saistīti ar siltuma daudzuma izmaiņām.