انرژی داخلی یک سیستم ترمودینامیکی به دو صورت قابل تغییر است:

1. انجام دادن کار سیستم,
2. با استفاده از برهمکنش حرارتی

انتقال گرما به جسم با عملکرد ماکروسکوپی روی بدن ارتباطی ندارد. که در در این موردتغییر انرژی درونی به این دلیل است که تک تک مولکول‌های جسمی با دمای بالاتر بر روی برخی از مولکول‌های جسمی که دمای پایین‌تری دارد، کار می‌کنند. در این حالت برهمکنش حرارتی به دلیل هدایت حرارتی تحقق می یابد. انتقال انرژی نیز با استفاده از تابش امکان پذیر است. سیستم فرآیندهای میکروسکوپی (که مربوط به کل بدن نیست، بلکه به مولکول های منفرد مربوط می شود) انتقال حرارت نامیده می شود. مقدار انرژی که در نتیجه انتقال گرما از جسمی به جسم دیگر منتقل می شود با مقدار گرمایی که از جسمی به جسم دیگر منتقل می شود تعیین می شود.

تعریف

گرماانرژی است که توسط یک جسم در فرآیند تبادل حرارت با اجسام اطراف (محیط) دریافت می شود (یا تسلیم می شود). نماد گرما معمولا حرف Q است.

این یکی از کمیت های اساسی در ترمودینامیک است. گرما در عبارات ریاضی قانون اول و دوم ترمودینامیک گنجانده شده است. گرما به انرژی به شکل حرکت مولکولی گفته می شود.

گرما می تواند به سیستم (بدن) منتقل شود، یا می توان آن را از آن گرفت. اعتقاد بر این است که اگر گرما به سیستم منتقل شود، مثبت است.

فرمول محاسبه گرما هنگام تغییر دما

مقدار اولیه گرما را به صورت . توجه داشته باشیم که عنصر گرمایی که سیستم با یک تغییر کوچک در حالت خود دریافت می کند (می دهد) یک دیفرانسیل کامل نیست. دلیل این امر این است که گرما تابعی از فرآیند تغییر وضعیت سیستم است.

مقدار اولیه گرمایی که به سیستم داده می شود و دما از T به T+dT تغییر می کند برابر است با:

که در آن C ظرفیت گرمایی بدن است. اگر جسم مورد نظر همگن باشد، فرمول (1) برای مقدار گرما را می توان به صورت زیر نشان داد:

ظرفیت گرمایی ویژه بدن کجاست، m جرم بدن است، ظرفیت گرمایی مولی است، مولر است جرم ماده، تعداد مول های ماده است.

اگر بدن همگن باشد و ظرفیت گرمایی مستقل از دما در نظر گرفته شود، مقدار گرمایی () که بدن در هنگام افزایش دمای بدن به مقداری دریافت می کند را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:

که در آن t 2، t 1 دمای بدن قبل و بعد از گرم کردن. لطفاً توجه داشته باشید که هنگام یافتن تفاوت () در محاسبات، دما را می توان هم بر حسب درجه سانتیگراد و هم بر حسب کلوین جایگزین کرد.

فرمول مقدار گرما در طول انتقال فاز

انتقال از یک ماده به فاز دیگر با جذب یا آزاد شدن مقدار معینی گرما همراه است که به آن گرمای انتقال فاز می گویند.

بنابراین، برای انتقال یک عنصر ماده از حالت جامد به مایع، باید مقدار حرارت () برابر با:

جایی که گرمای ویژه همجوشی است، dm عنصر جرم بدن است. باید در نظر داشت که دمای بدن باید برابر با نقطه ذوب ماده مورد نظر باشد. در هنگام تبلور گرما برابر با (4) آزاد می شود.

مقدار حرارت (گرمای تبخیر) مورد نیاز برای تبدیل مایع به بخار را می توان به صورت زیر یافت:

جایی که r گرمای ویژه تبخیر است. هنگامی که بخار متراکم می شود، گرما آزاد می شود. گرمای تبخیر برابر با گرمای چگالش جرمهای مساوی ماده است.

واحدهای اندازه گیری مقدار گرما

واحد اصلی اندازه گیری مقدار گرما در سیستم SI است: [Q]=J

یک واحد گرما برون سیستمی که اغلب در آن یافت می شود محاسبات فنی. [Q]=کالری (کالری). 1 کالری = 4.1868 J.

نمونه هایی از حل مسئله

مثال

ورزش.چه حجم هایی از آب را باید مخلوط کرد تا 200 لیتر آب در دمای t = 40 درجه سانتیگراد بدست آید، اگر دمای یک جرم آب 10 = t 1 باشد، دمای جرم دوم آب t 2 = 60 درجه سانتیگراد است. ?

راه حل.اجازه دهید معادله تعادل حرارتی را به شکل زیر بنویسیم:

که در آن Q=cmt مقدار حرارتی است که پس از مخلوط کردن آب تهیه می شود. Q 1 = cm 1 t 1 - مقدار گرمای بخشی از آب با دمای t 1 و جرم m 1. Q 2 = cm 2 t 2 - مقدار گرمای قسمتی از آب با دمای t 2 و جرم m 2.

از رابطه (1.1) چنین می شود:

هنگامی که قسمت های سرد (V 1) و گرم (V 2) آب را در یک حجم واحد (V) ترکیب می کنیم، می توانیم فرض کنیم:

بنابراین، ما یک سیستم معادلات بدست می آوریم:

پس از حل آن، دریافت می کنیم:

همانطور که مشخص است، در طی فرآیندهای مکانیکی مختلف، تغییر در انرژی مکانیکی رخ می دهد دبلیوماه معیار تغییر انرژی مکانیکی، نیروی اعمال شده به سیستم است:

\(~\Delta W_(meh) = A.\)

در طول تبادل گرما، تغییر در انرژی داخلی بدن رخ می دهد. معیار تغییر انرژی داخلی در حین انتقال حرارت، مقدار گرما است.

مقدار گرمااندازه گیری تغییر انرژی درونی است که بدن در طی فرآیند تبادل گرما دریافت می کند (یا تسلیم می شود).

بنابراین، هم کار و هم مقدار گرما تغییر در انرژی را مشخص می کنند، اما با انرژی یکسان نیستند. آنها وضعیت خود سیستم را مشخص نمی کنند، اما فرآیند انتقال انرژی از یک نوع به دیگری (از یک بدن به بدن دیگر) را زمانی که وضعیت تغییر می کند و به طور قابل توجهی به ماهیت فرآیند بستگی دارد، تعیین می کنند.

تفاوت اصلی بین کار و مقدار گرما در این است که کار فرآیند تغییر انرژی داخلی یک سیستم را مشخص می کند که با تبدیل انرژی از یک نوع به نوع دیگر (از مکانیکی به داخلی) همراه است. مقدار گرما فرآیند انتقال انرژی داخلی از یک جسم به جسم دیگر (از گرمای بیشتر به گرمای کمتر) را مشخص می کند که با تبدیل انرژی همراه نیست.

تجربه نشان می دهد که مقدار حرارت مورد نیاز برای گرم کردن یک توده بدن است مترروی دما تی 1 به دما تی 2، با فرمول محاسبه می شود

\(~Q = سانتی متر (T_2 - T_1) = سانتی متر \Delta T, \qquad (1)\)

جایی که ج- ظرفیت گرمایی ویژه ماده؛

\(~c = \frac(Q)(m (T_2 - T_1)).\)

واحد SI ظرفیت گرمایی ویژه ژول بر کیلوگرم کلوین (J/(kg K)) است.

گرمای خاص جاز نظر عددی برابر با مقدار گرمایی است که باید به جسمی با وزن 1 کیلوگرم داده شود تا آن را 1 کیلو گرم کند.

ظرفیت گرماییبدن سی T از نظر عددی برابر با مقدار گرمای مورد نیاز برای تغییر دمای بدن به میزان 1 K است:

\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = cm.\)

واحد SI ظرفیت گرمایی یک جسم ژول بر کلوین (J/K) است.

برای تبدیل مایع به بخار در دمای ثابت، باید مقداری گرما صرف شود

\(~Q = Lm، \qquad (2)\)

جایی که L- گرمای ویژه تبخیر. هنگامی که بخار متراکم می شود، همان مقدار گرما آزاد می شود.

به منظور ذوب یک بدن کریستالی وزن متردر نقطه ذوب، بدن نیاز به انتقال مقدار گرما دارد

\(~Q = \lambda m، \qquad (3)\)

جایی که λ - گرمای ویژه همجوشی هنگامی که یک بدن متبلور می شود، همان مقدار گرما آزاد می شود.

مقدار گرمای آزاد شده در طی احتراق کامل توده ای از سوخت متر,

\(~Q = qm، \qquad (4)\)

جایی که q- گرمای ویژه احتراق

واحد SI گرمای ویژه تبخیر، ذوب و احتراق ژول بر کیلوگرم (J/kg) است.

ادبیات

Aksenovich L. A. فیزیک در دبیرستان: تئوری. وظایف. تست ها: کتاب درسی. کمک هزینه برای مؤسسات ارائه دهنده آموزش عمومی. محیط زیست، آموزش / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; اد. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 154-155.

« فیزیک - پایه دهم"

دگرگونی های کل ماده در چه فرآیندهایی رخ می دهد؟
چگونه می توان حالت تجمع یک ماده را تغییر داد؟

شما می توانید انرژی درونی هر بدن را با انجام کار، گرم کردن یا برعکس سرد کردن آن تغییر دهید.
بنابراین، هنگام آهنگری یک فلز، کار انجام می شود و گرم می شود، در همان زمان می توان فلز را روی شعله سوزان گرم کرد.

همچنین، اگر پیستون ثابت باشد (شکل 13.5)، پس از گرم شدن حجم گاز تغییر نمی کند و هیچ کاری انجام نمی شود. اما دمای گاز و در نتیجه انرژی داخلی آن افزایش می یابد.

انرژی داخلی می تواند کم و زیاد شود، بنابراین مقدار گرما می تواند مثبت یا منفی باشد.

فرآیند انتقال انرژی از جسمی به جسم دیگر بدون انجام کار نامیده می شود تبادل حرارت.

اندازه گیری کمی تغییر انرژی داخلی در حین انتقال حرارت نامیده می شود مقدار گرما.

تصویر مولکولی انتقال حرارت

در طول تبادل حرارت در مرز بین اجسام، برهمکنش مولکول‌های آهسته یک جسم سرد با مولکول‌های سریع متحرک یک جسم گرم رخ می‌دهد. در نتیجه انرژی جنبشی مولکول ها برابر می شود و سرعت مولکول های یک جسم سرد افزایش می یابد و سرعت یک جسم گرم کاهش می یابد.

در طول تبادل گرما، انرژی از یک شکل به شکل دیگر تبدیل نمی شود.

مقدار گرما و ظرفیت حرارتی.

قبلاً می دانید که برای گرم کردن جسمی با جرم m از دمای t 1 به دمای t 2، لازم است مقداری گرما به آن منتقل شود:

Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)

هنگامی که یک جسم سرد می شود، دمای نهایی آن t 2 کمتر از دمای اولیه t 1 است و مقدار گرمای منتشر شده توسط بدن منفی است.

ضریب c در فرمول (13.5) نامیده می شود ظرفیت گرمایی ویژهمواد

گرمای خاص- این مقداری است که از نظر عددی برابر با مقدار گرمایی است که یک ماده با وزن 1 کیلوگرم با تغییر دمای 1 کلوین دریافت می کند یا آزاد می کند.

ظرفیت گرمایی ویژه گازها به فرآیندی بستگی دارد که در آن انتقال حرارت رخ می دهد. اگر گازی را با فشار ثابت گرم کنید، منبسط شده و کار می کند. برای گرم کردن یک گاز در دمای 1 درجه سانتیگراد در فشار ثابت، باید به آن داده شود مقدار زیادگرما نسبت به گرم کردن آن در یک حجم ثابت، زمانی که گاز فقط گرم می شود.

مایعات و جامدات با گرم شدن کمی منبسط می شوند. ظرفیت گرمایی ویژه آنها در حجم ثابت و فشار ثابت کمی متفاوت است.

گرمای ویژه تبخیر

برای تبدیل مایع به بخار در طی فرآیند جوشیدن، باید مقدار معینی گرما به آن منتقل شود. دمای مایع هنگام جوشیدن تغییر نمی کند. تبدیل مایع به بخار در دمای ثابت منجر به افزایش انرژی جنبشی مولکول ها نمی شود، بلکه با افزایش انرژی پتانسیل برهمکنش آنها همراه است. به هر حال، میانگین فاصله بین مولکول های گاز بسیار بیشتر از بین مولکول های مایع است.

مقداری که از نظر عددی برابر با مقدار گرمای مورد نیاز برای تبدیل مایعی با وزن 1 کیلوگرم به بخار در دمای ثابت نامیده می شود. گرمای ویژهتبخیر شدن.

فرآیند تبخیر مایع در هر دمایی اتفاق می افتد، در حالی که سریع ترین مولکول ها مایع را ترک می کنند و در طول تبخیر سرد می شود. گرمای مخصوص تبخیر برابر با گرمای مخصوص تبخیر است.

این مقدار با حرف r نشان داده می شود و بر حسب ژول بر کیلوگرم (J/kg) بیان می شود.

گرمای ویژه تبخیر آب بسیار زیاد است: r H20 = 2.256 10 6 J/kg در دمای 100 درجه سانتیگراد. برای مایعات دیگر، به عنوان مثال الکل، اتر، جیوه، نفت سفید، گرمای ویژه تبخیر 3-10 برابر کمتر از آب است.

برای تبدیل مایعی با جرم m به بخار، مقدار حرارتی برابر با:

Q p = rm. (13.6)

هنگامی که بخار متراکم می شود، همان مقدار گرما آزاد می شود:

Q k = -rm. (13.7)

گرمای ویژه همجوشی

هنگامی که یک جسم کریستالی ذوب می شود، تمام گرمای عرضه شده به آن برای افزایش انرژی پتانسیل تعامل بین مولکول ها می رود. انرژی جنبشی مولکول ها تغییر نمی کند، زیرا ذوب در دمای ثابت رخ می دهد.

مقدار عددی برابر با مقدار حرارت مورد نیاز برای تبدیل یک ماده کریستالی با وزن 1 کیلوگرم در نقطه ذوب به مایع نامیده می شود. گرمای ویژه همجوشیو با حرف λ نشان داده می شوند.

هنگامی که ماده ای به وزن 1 کیلوگرم متبلور می شود، دقیقاً همان مقدار گرمایی آزاد می شود که در هنگام ذوب جذب می شود.

گرمای ویژه ذوب یخ بسیار زیاد است: 3.34 10 5 J/kg.

"اگر یخ گرمای همجوشی بالایی نداشت، در بهار کل توده یخ باید در چند دقیقه یا چند ثانیه ذوب شود، زیرا گرما به طور مداوم از هوا به یخ منتقل می شود. عواقب این امر وحشتناک خواهد بود. به هر حال، حتی در شرایط فعلی، سیل‌های بزرگ و جریان‌های شدید آب هنگام ذوب توده‌های بزرگ یخ یا برف به وجود می‌آیند.» R. Black، قرن هجدهم.

برای ذوب یک جسم کریستالی به جرم m، مقدار حرارتی برابر با:

Qpl = λm. (13.8)

مقدار حرارت آزاد شده در هنگام تبلور یک جسم برابر است با:

Q cr = -λm (13.9)

معادله تعادل حرارتی

اجازه دهید تبادل گرما را در یک سیستم متشکل از چندین جسم که در ابتدا دماهای متفاوتی دارند، در نظر بگیریم، به عنوان مثال، تبادل حرارت بین آب در یک ظرف و یک توپ آهن داغ که در آب فرو رفته است. بر اساس قانون بقای انرژی، مقدار حرارتی که یک جسم می دهد از نظر عددی برابر با مقدار گرمای دریافتی بدن دیگر است.

مقدار گرمای داده شده منفی و مقدار گرمای دریافتی مثبت در نظر گرفته می شود. بنابراین، مقدار کل گرما Q1 + Q2 = 0.

اگر تبادل حرارت بین چند جسم در یک سیستم جدا شده رخ دهد، پس

Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)

معادله (13.10) نامیده می شود معادله تعادل حرارتی.

در اینجا Q 1 Q 2 ، Q 3 مقادیر گرمای دریافتی یا منتشر شده توسط اجسام هستند. این مقادیر گرما با فرمول (13.5) یا فرمول (13.6) - (13.9) بیان می شود، اگر تبدیل فازهای مختلف ماده (ذوب، تبلور، تبخیر، تراکم) در طول فرآیند تبادل گرما رخ دهد.

ظرفیت گرمایی- این مقدار گرمایی است که وقتی 1 درجه گرم می شود توسط بدن جذب می شود.

ظرفیت گرمایی یک جسم با بزرگ نشان داده می شود حرف لاتین با.

ظرفیت گرمایی بدن به چه چیزی بستگی دارد؟ اول از همه، از جرم آن. واضح است که گرم کردن مثلاً 1 کیلوگرم آب نسبت به گرم کردن 200 گرم نیاز به حرارت بیشتری دارد.

در مورد نوع ماده چطور؟ بیایید یک آزمایش انجام دهیم. بیایید دو کشتی یکسان را برداریم و آب به وزن 400 گرم را در یکی از آنها بریزیم و در دیگری - روغن سبزیجاتبا وزن 400 گرم، اجازه دهید آنها را با استفاده از مشعل های یکسان گرم کنیم. با مشاهده قرائت دماسنج خواهیم دید که روغن به سرعت گرم می شود. برای گرم کردن آب و روغن به یک دما، آب باید مدت بیشتری گرم شود. اما هر چه بیشتر آب را گرم کنیم، گرمای بیشتری از مشعل دریافت می کند.

بنابراین، برای گرم کردن همان جرم مواد مختلفبه همان دمای مورد نیاز مقادیر مختلفگرما. مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک جسم و بنابراین ظرفیت گرمایی آن به نوع ماده ای که بدن از آن تشکیل شده است بستگی دارد.

به عنوان مثال برای افزایش دمای آب به وزن 1 کیلوگرم به میزان 1 درجه سانتیگراد، حرارتی معادل 4200 ژول لازم است و همان جرم را 1 درجه سانتیگراد گرم کنید. روغن آفتابگردانمقدار حرارت مورد نیاز 1700 ژول است.

کمیت فیزیکینشان دادن مقدار حرارت مورد نیاز برای گرم کردن 1 کیلوگرم ماده در 1 ºС نامیده می شود ظرفیت گرمایی ویژه از این ماده

هر ماده ظرفیت گرمایی خاص خود را دارد که با حرف لاتین c نشان داده می شود و با ژول بر کیلوگرم درجه (J/(kg °C) اندازه گیری می شود.

ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده در متفاوت است حالت های تجمع(جامد، مایع و گاز) متفاوت است. به عنوان مثال، ظرفیت گرمایی ویژه آب 4200 ژول / (کیلوگرم درجه سانتیگراد) و ظرفیت گرمایی ویژه یخ 2100 ژول / (کیلوگرم درجه سانتیگراد) است. آلومینیوم در حالت جامد دارای ظرفیت گرمایی ویژه 920 ژول / (کیلوگرم - درجه سانتیگراد) و در حالت مایع - 1080 ژول / (کیلوگرم - درجه سانتیگراد) است.

توجه داشته باشید که آب ظرفیت گرمایی ویژه بسیار بالایی دارد. بنابراین آب دریاها و اقیانوس ها وقتی در تابستان گرم می شود مقدار زیادی گرما را از هوا جذب می کند. به همین دلیل، در مکان هایی که در نزدیکی آب های بزرگ قرار دارند، تابستان به اندازه مکان های دور از آب گرم نیست.

محاسبه مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک جسم یا آزاد شده از آن در هنگام خنک شدن.

با توجه به مطالب فوق روشن است که مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک جسم به نوع ماده ای که بدن از آن تشکیل شده است (یعنی ظرفیت گرمایی ویژه آن) و به جرم بدن بستگی دارد. همچنین مشخص است که میزان گرما بستگی به این دارد که قرار است دمای بدن را چند درجه افزایش دهیم.

بنابراین، برای تعیین مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن یک جسم یا آزاد شده توسط آن در هنگام خنک شدن، باید ظرفیت گرمایی ویژه بدن را در جرم آن و در اختلاف بین دمای نهایی و اولیه آن ضرب کنید:

س= سانتی متر (t 2 -t 1),

جایی که س- مقدار گرما، ج- ظرفیت گرمایی ویژه، متر- جرم بدن، t 1- دمای اولیه t 2- دمای نهایی

وقتی بدن گرم می شود t 2> t 1و بنابراین س >0 . وقتی بدن سرد می شود t 2i< t 1و بنابراین س< 0 .

اگر ظرفیت گرمایی کل بدن مشخص باشد با, سبا فرمول تعیین می شود: Q = C (t 2 - t 1).

22) ذوب: تعریف، محاسبه مقدار حرارت ذوب یا انجماد، گرمای ویژه همجوشی، نمودار t 0 (Q).

ترمودینامیک

فصل فیزیک مولکولی، که انتقال انرژی، الگوهای تبدیل برخی از انواع انرژی به انواع دیگر را مطالعه می کند. برخلاف نظریه جنبشی مولکولی، ترمودینامیک در نظر گرفته نمی شود ساختار داخلیمواد و ریزپارامترها

سیستم ترمودینامیکی

مجموعه ای از اجسام است که انرژی (به صورت کار یا گرما) را با یکدیگر یا با یکدیگر مبادله می کنند محیط. مثلاً آب کتری خنک می شود و حرارت بین آب و کتری و حرارت کتری با محیط تبادل می شود. سیلندر با گاز زیر پیستون: پیستون کار را انجام می دهد که در نتیجه گاز انرژی دریافت می کند و درشت پارامترهای آن تغییر می کند.

مقدار گرما

این انرژی، که سیستم در طی فرآیند تبادل حرارت دریافت یا آزاد می کند. با نماد Q نشان داده می شود، مانند هر انرژی دیگر، با ژول اندازه گیری می شود.

در نتیجه فرآیندهای مختلف تبادل حرارت، انرژی منتقل شده به روش خود تعیین می شود.

گرمایش و سرمایش

این فرآیند با تغییر دمای سیستم مشخص می شود. مقدار گرما با فرمول تعیین می شود

ظرفیت گرمایی ویژه یک ماده بابا مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن اندازه گیری می شود واحدهای جرماز این ماده 1K. گرم کردن یک کیلوگرم لیوان یا یک کیلوگرم آب به مقادیر متفاوتی انرژی نیاز دارد. ظرفیت گرمایی ویژه یک کمیت شناخته شده است که از قبل برای همه مواد محاسبه شده است.

ظرفیت حرارتی ماده C- این مقدار گرمایی است که برای گرم کردن یک جسم بدون در نظر گرفتن جرم آن 1K لازم است.

ذوب و تبلور

ذوب انتقال یک ماده از حالت جامدبه مایع تبدیل شود. انتقال معکوس کریستالیزاسیون نامیده می شود.

انرژی که برای تخریب شبکه کریستالی یک ماده صرف می شود با فرمول تعیین می شود.

گرمای ویژه همجوشی یک مقدار شناخته شده برای هر ماده است.

تبخیر (تبخیر یا جوش) و تراکم

تبخیر عبارت است از انتقال یک ماده از حالت مایع (جامد) به حالت گازی. روند معکوستراکم نامیده می شود.

گرمای ویژه تبخیر یک مقدار شناخته شده برای هر ماده است.

احتراق

مقدار گرمایی که هنگام سوختن یک ماده آزاد می شود

گرمای ویژه احتراق یک مقدار شناخته شده برای هر ماده است.

برای یک سیستم بسته و جدا شده از اجسام، معادله تعادل حرارتی برآورده می شود. جمع جبریمقدار حرارت داده شده و دریافت شده توسط تمام اجسام شرکت کننده در تبادل حرارت صفر است:

Q 1 + Q 2 +... + Q n = 0

23) ساختار مایعات. لایه سطحی. نیروی کشش سطحی: نمونه هایی از تجلی، محاسبه، ضریب کشش سطحی.

هر از گاهی، هر مولکولی ممکن است به یک مکان خالی نزدیک حرکت کند. چنین جهش هایی در مایعات اغلب اتفاق می افتد. بنابراین، مولکول ها مانند کریستال ها به مراکز خاصی متصل نیستند و می توانند در کل حجم مایع حرکت کنند. این سیال بودن مایعات را توضیح می دهد. به دلیل برهمکنش قوی بین مولکول های نزدیک، آنها می توانند گروه های مرتب شده محلی (ناپایدار) حاوی چندین مولکول را تشکیل دهند. این پدیده نامیده می شود سفارش بستن(شکل 3.5.1).

ضریب β نامیده می شود ضریب دمایانبساط حجمی . این ضریب برای مایعات ده ها برابر بیشتر از جامدات است. برای آب، به عنوان مثال، در دمای 20 درجه سانتیگراد β در ≈ 2 10 - 4 K - 1، برای فولاد β st ≈ 3.6 10 - 5 K - 1، برای شیشه کوارتز β kv ≈ 9 10 - 6 K - 1 .

انبساط حرارتی آب یک ناهنجاری جالب و مهم برای حیات روی زمین دارد. در دمای کمتر از 4 درجه سانتی گراد، آب با کاهش دما منبسط می شود (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

هنگامی که آب یخ می زند، منبسط می شود، بنابراین یخ روی سطح آب یخ زده شناور می ماند. دمای آب یخ زده زیر یخ صفر درجه سانتی گراد است. در لایه‌های متراکم‌تر آب در کف مخزن، دما حدود 4 درجه سانتی‌گراد است. به لطف این، زندگی می تواند در آب مخازن انجماد وجود داشته باشد.

اکثر ویژگی جالبمایعات وجود دارد سطح آزاد . مایع بر خلاف گازها کل حجم ظرفی را که در آن ریخته می شود پر نمی کند. یک رابط بین مایع و گاز (یا بخار) تشکیل می شود که در آن قرار دارد شرایط خاصدر مقایسه با بقیه جرم مایع.. باید در نظر داشت که به دلیل تراکم پذیری بسیار کم، وجود لایه سطحی با متراکم تر تغییر محسوسی در حجم مایع ایجاد نمی کند. اگر یک مولکول از سطح به مایع حرکت کند، نیروهای برهمکنش بین مولکولی کار مثبتی انجام می دهند. برعکس، برای کشیدن تعداد معینی مولکول از عمق مایع به سطح (یعنی افزایش سطح مایع)، نیروهای خارجی باید کار مثبت Δ را انجام دهند. آخارجی، متناسب با تغییر Δ اسمساحت سطح:

از مکانیک مشخص است که حالت های تعادلی سیستم مطابقت دارد حداقل مقدارانرژی بالقوه آن نتیجه این است که سطح آزاد مایع تمایل به کاهش مساحت خود دارد. به همین دلیل یک قطره آزاد مایع شکل کروی به خود می گیرد. مایع به گونه ای رفتار می کند که گویی نیروهایی که به طور مماس بر سطح آن عمل می کنند، این سطح را منقبض می کنند (کشش). این نیروها نامیده می شوند نیروهای کشش سطحی .

وجود نیروهای کشش سطحی باعث می شود که سطح یک مایع شبیه به یک فیلم کشسان الاستیک به نظر برسد، با این تفاوت که نیروهای الاستیک در لایه به سطح آن (یعنی نحوه تغییر شکل فیلم) و کشش سطحی بستگی دارد. نیروها وابسته نیستدر سطح مایع.

برخی مایعات مانند آب صابون توانایی تشکیل لایه های نازک را دارند. حباب های صابون شناخته شده شکل کروی منظمی دارند - این نیز تأثیر نیروهای کشش سطحی را نشان می دهد. اگر یک قاب سیمی را که یکی از اضلاع آن متحرک است، در محلول صابون پایین بیاورید، کل قاب با یک فیلم مایع پوشیده می شود (شکل 3.5.3).

نیروهای کشش سطحی تمایل به کاهش سطح فیلم دارند. برای متعادل کردن قسمت متحرک قاب، اگر میله متقاطع تحت تأثیر Δ حرکت کند، باید یک نیروی خارجی به آن وارد شود ایکس، سپس کار Δ انجام می شود آ vn = اف vn Δ ایکس = Δ E p = σΔ اس، جایی که Δ اس = 2LΔ ایکس- افزایش سطح هر دو طرف فیلم صابون. از آنجایی که مدول نیروها یکسان است، می توانیم بنویسیم:

بنابراین، ضریب کشش سطحی σ را می توان به صورت تعریف کرد مدول نیروی کشش سطحی که در واحد طول خطی که سطح را محدود می‌کند.

در اثر اعمال نیروهای کشش سطحی در قطرات مایع و داخل حباب های صابون، فشار اضافی Δ ایجاد می شود. پ. اگر از نظر ذهنی یک قطره کروی از شعاع را برش دهید آربه دو نیمه تبدیل شوند، سپس هر یک از آنها باید تحت تأثیر نیروهای کشش سطحی اعمال شده به مرز برش به طول 2π در تعادل باشند. آرو نیروهای فشار اضافی وارد بر ناحیه π آر 2 بخش (شکل 3.5.4). شرط تعادل به صورت نوشته می شود

اگر این نیروها بیشتر از نیروهای برهمکنش بین مولکول های خود مایع باشد، پس مایع خیس می کندسطح یک جامد در این حالت، مایع در مقداری به سطح جسم جامد نزدیک می شود زاویه حادθ، مشخصه یک جفت مایع-جامد معین. زاویه θ نامیده می شود زاویه تماس . اگر نیروهای برهمکنش بین مولکولهای مایع از نیروهای برهمکنش آنها با مولکولهای جامد بیشتر شود، آنگاه زاویه تماس θ مبهم است (شکل 3.5.5). در این مورد می گویند که مایع خیس نمی شودسطح یک جامد در خیس شدن کاملθ = 0، در بدون خیس شدن کاملθ = 180 درجه.

پدیده های مویرگیبالا آمدن یا سقوط مایع در لوله های با قطر کوچک نامیده می شود - مویرگ ها. مایعات مرطوب کننده از طریق مویرگ ها بالا می روند، مایعات غیر مرطوب پایین می آیند.

در شکل 3.5.6 یک لوله مویرگی با شعاع مشخص را نشان می دهد r، در انتهای پایین به یک مایع مرطوب کننده با چگالی ρ پایین می آید. انتهای بالایی مویرگ باز است. بالا آمدن مایع در مویرگ تا زمانی ادامه می‌یابد که نیروی گرانش وارد بر ستون مایع در مویرگ از نظر بزرگی برابر با حاصل شود. اف n نیروهای کشش سطحی که در امتداد مرز تماس مایع با سطح مویرگ عمل می کنند: اف t = اف n، کجا اف t = میلی گرم = ρ ساعتπ r 2 g, اف n = σ2π r cos θ.

این دلالت می کنه که:

با θ = 180 درجه کاملا غیر مرطوب، cos θ = -1 و بنابراین، ساعت < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

آب تقریباً به طور کامل سطح شیشه تمیز را خیس می کند. برعکس، جیوه به طور کامل سطح شیشه را خیس نمی کند. بنابراین، سطح جیوه در مویرگ شیشه ای به زیر سطح ظرف می رسد.

24) تبخیر: تعریف، انواع (تبخیر، جوش)، محاسبه مقدار حرارت برای تبخیر و تراکم، گرمای مخصوص تبخیر.

تبخیر و تراکم. توضیح پدیده تبخیر بر اساس ایده هایی در مورد ساختار مولکولی ماده. گرمای ویژه تبخیر واحدهای آن

پدیده تبدیل مایع به بخار نامیده می شود تبخیر شدن

تبخیر - فرآیند تبخیر که از یک سطح باز رخ می دهد.

مولکول های مایع حرکت می کنند در سرعت های مختلف. اگر هر مولکولی به سطح یک مایع ختم شود، می تواند بر جاذبه مولکول های همسایه غلبه کند و از مایع به بیرون پرواز کند. مولکول های خارج شده بخار تشکیل می دهند. مولکول های باقی مانده از مایع در اثر برخورد سرعت تغییر می کنند. در همان زمان، برخی از مولکول ها سرعت کافی برای پرواز از مایع را به دست می آورند. این فرآیند ادامه می یابد تا مایعات به آرامی تبخیر شوند.

*سرعت تبخیر بستگی به نوع مایع دارد. آن دسته از مایعاتی که مولکول های آنها با نیروی کمتری جذب می شوند، سریعتر تبخیر می شوند.

*تبخیر می تواند در هر دمایی رخ دهد. اما کی دمای بالاتبخیر سریعتر اتفاق می افتد .

*سرعت تبخیر بستگی به سطح آن دارد.

*با باد (جریان هوا) تبخیر سریعتر اتفاق می افتد.

در طول تبخیر، انرژی داخلی کاهش می یابد، زیرا در طول تبخیر، مایع مولکول های سریعی را ترک می کند، بنابراین، سرعت متوسط ​​مولکول های باقی مانده کاهش می یابد. این بدان معنی است که اگر هجوم انرژی از خارج وجود نداشته باشد، دمای مایع کاهش می یابد.

پدیده تبدیل بخار به مایع نامیده می شود متراکم شدن با آزاد شدن انرژی همراه است.

تراکم بخار تشکیل ابرها را توضیح می دهد. بخار آب که از سطح زمین بلند می شود، ابرهایی را در لایه های سرد بالایی هوا تشکیل می دهد که از قطرات ریز آب تشکیل شده است.

گرمای ویژه تبخیر - فیزیکی مقداری که نشان می دهد برای تبدیل مایعی با وزن 1 کیلوگرم به بخار بدون تغییر دما چه مقدار گرما لازم است.

Ud. گرمای تبخیر با حرف L نشان داده می شود و با J/kg اندازه گیری می شود

Ud. گرمای تبخیر آب: L=2.3×106 J/kg، الکل L=0.9×106

مقدار حرارت مورد نیاز برای تبدیل مایع به بخار: Q = Lm

شما می توانید انرژی داخلی گاز در سیلندر را نه تنها با انجام کار، بلکه با گرم کردن گاز نیز تغییر دهید (شکل 43). اگر پیستون را ثابت کنید، حجم گاز تغییر نمی کند، اما دما و در نتیجه انرژی داخلی افزایش می یابد.
فرآیند انتقال انرژی از جسمی به جسم دیگر بدون انجام کار را تبادل حرارت یا انتقال حرارت می گویند.

انرژی منتقل شده به بدن در اثر تبادل حرارت، مقدار گرما نامیده می شود.به مقدار گرما، انرژی ای نیز گفته می شود که بدن در هنگام تبادل حرارت از خود خارج می کند.

تصویر مولکولی انتقال حرارتدر طول تبادل حرارت در مرز بین اجسام، برهمکنش مولکول‌های آهسته یک جسم سرد با مولکول‌های متحرک سریع‌تر یک جسم گرم رخ می‌دهد. در نتیجه انرژی جنبشی مولکول ها برابر می شود و سرعت مولکول های یک جسم سرد افزایش می یابد و سرعت یک جسم گرم کاهش می یابد.

در طول تبادل گرما، انرژی از شکلی به شکل دیگر تبدیل نمی شود: بخشی از انرژی درونی بدن گرم به جسم سرد منتقل می شود.

مقدار گرما و ظرفیت حرارتی.از درس فیزیک کلاس VII مشخص شده است که برای گرم کردن جسمی با جرم m از دمای t 1 تا دمای t 2 لازم است آن را از مقدار گرما مطلع کنیم.

Q = cm(t 2 – t 1) = cmΔt. (4.5)

هنگامی که یک جسم سرد می شود، دمای ابدی آن t 2 کمتر از دمای اولیه t 1 است و مقدار گرمای منتشر شده توسط بدن منفی است.
ضریب c در فرمول (4.5) نامیده می شود ظرفیت گرمایی ویژه. ظرفیت گرمایی ویژه مقدار گرمایی است که 1 کیلوگرم از یک ماده با تغییر دمای آن 1 کلوین دریافت یا آزاد می کند.

ظرفیت گرمایی ویژه بر حسب ژول تقسیم بر کیلوگرم ضرب در کلوین بیان می شود.اجسام مختلف برای افزایش دمای 1 K به مقادیر متفاوتی انرژی نیاز دارند. بنابراین ظرفیت گرمایی ویژه آب 4190 J/(kg K) و مس 380 J/(kg K) است.

ظرفیت گرمایی ویژه نه تنها به خواص ماده، بلکه به فرآیندی که در آن انتقال حرارت رخ می دهد نیز بستگی دارد. اگر گازی را با فشار ثابت گرم کنید، منبسط شده و کار می کند. برای گرم کردن یک گاز با فشار ثابت 1 درجه سانتیگراد، حرارت بیشتری نسبت به حرارت دادن با حجم ثابت به آن نیاز است.

اجسام مایع و جامد هنگام گرم شدن کمی منبسط می شوند و ظرفیت گرمایی ویژه آنها در حجم ثابت و فشار ثابت کمی متفاوت است.

گرمای ویژه تبخیربرای تبدیل مایع به بخار، باید مقدار معینی گرما به آن منتقل شود. دمای مایع در طول این تبدیل تغییر نمی کند. تبدیل مایع به بخار در دمای ثابت منجر به افزایش انرژی جنبشی مولکول ها نمی شود، بلکه با افزایش انرژی پتانسیل آنها همراه است. از این گذشته، میانگین فاصله بین مولکول های گاز چندین برابر بیشتر از بین مولکول های مایع است. علاوه بر این، افزایش حجم در هنگام انتقال یک ماده از حالت مایع به گاز، مستلزم انجام کار در برابر نیروهای فشار خارجی است.

مقدار حرارت مورد نیاز برای تبدیل 1 کیلوگرم مایع به بخار در دمای ثابت، گرمای ویژه تبخیر نامیده می شود. این مقدار با حرف r نشان داده می شود و بر حسب ژول بر کیلوگرم بیان می شود.

گرمای ویژه تبخیر آب بسیار زیاد است: 2.256 · 10 6 J/kg در دمای 100 درجه سانتی گراد. برای سایر مایعات (الکل، اتر، جیوه، نفت سفید و غیره) گرمای ویژه تبخیر 3-10 برابر کمتر است.

برای تبدیل مایعی با جرم m به بخار، مقدار حرارتی برابر با:

هنگامی که بخار متراکم می شود، همان مقدار گرما آزاد می شود

Q k = –rm. (4.7)

گرمای ویژه همجوشیهنگامی که یک جسم کریستالی ذوب می شود، تمام گرمای عرضه شده به آن برای افزایش انرژی پتانسیل مولکول ها می رود. انرژی جنبشی مولکول ها تغییر نمی کند، زیرا ذوب در دمای ثابت رخ می دهد.

مقدار گرمای λ (لامبدا) مورد نیاز برای تبدیل 1 کیلوگرم ماده کریستالی در نقطه ذوب به مایع در همان دما را گرمای ویژه همجوشی می گویند.

وقتی 1 کیلوگرم از یک ماده متبلور می شود، دقیقاً همان مقدار گرما آزاد می شود. گرمای ویژه ذوب یخ بسیار زیاد است: 3.4 · 10 5 J/kg.

برای ذوب یک جسم کریستالی به جرم m، مقدار حرارتی برابر با:

Qpl = λm. (4.8)

مقدار حرارت آزاد شده در هنگام تبلور یک جسم برابر است با:

Q cr = – λm. (4.9)

1- مقدار گرما را چه می گویند؟ 2. ظرفیت گرمایی ویژه مواد به چه چیزی بستگی دارد؟ 3. گرمای ویژه تبخیر چیست؟ 4. گرمای مخصوص همجوشی چیست؟ 5. مقدار حرارت منتقل شده در چه مواردی منفی است؟