انرژی داخلی سیستم ترمودینامیکی به دو روش قابل تغییر است:

1. انجام بیش از کار سیستم,
2. از طریق برهم کنش حرارتی.

انتقال گرما به بدن با انجام کارهای ماکروسکوپی بر روی بدن ارتباط ندارد. که در این مورد تغییر در انرژی داخلی ناشی از این واقعیت است که مولکولهای جداگانه بدن با دمای بالاتر بر روی برخی از مولکولهای بدن که دمای کمتری دارند کار می کنند. در این حالت ، اثر متقابل گرمایی به دلیل رسانایی گرمایی تحقق می یابد. انتقال انرژی از طریق تابش نیز امکان پذیر است. سیستم فرآیندهای میکروسکوپی (مربوط به کل بدن نیست ، بلکه به مولکولهای منفرد مربوط می شود) انتقال حرارت نامیده می شود. میزان انرژی منتقل شده از جسمی به جسم دیگر در نتیجه انتقال حرارت ، با توجه به میزان حرارت منتقل شده از جسمی به جسم دیگر تعیین می شود.

تعریف

گرما به انرژی گفته می شود که در فرآیند تبادل حرارت با اجسام اطراف (محیط) توسط بدن دریافت می شود (یا داده می شود). گرما معمولاً با حرف Q نشان داده می شود.

این یکی از مقادیر اساسی در ترمودینامیک است. گرما در عبارات ریاضی اصول اول و دوم ترمودینامیک گنجانده شده است. گفته می شود گرما انرژی در شکل حرکت مولکولی است.

گرما می تواند به سیستم (بدنه) 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 در هنگام تغییر دما

مقدار اولیه گرما به عنوان نشان داده می شود. توجه داشته باشید که عنصر حرارتی که سیستم با کمی تغییر در حالت خود دریافت می کند (منصرف می شود) یک دیفرانسیل کامل نیست. دلیل این امر این است که گرما تابعی از روند تغییر وضعیت سیستم است.

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

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

گرمای خاص بدن کجاست ، m جرم بدن است ، گرمای مولار است ، مولار است جرم ماده، آیا تعداد مولهای ماده است.

اگر بدن همگن باشد و ظرفیت گرمایی مستقل از دما در نظر گرفته شود ، مقدار گرما () که بدن با افزایش دمای بدن به میزان زیادی دریافت می کند می تواند به صورت زیر محاسبه شود:

جایی که t 2 ، t 1 درجه حرارت بدن قبل از گرم شدن و بعد از آن. لطفا توجه داشته باشید که هنگام یافتن اختلاف () در محاسبات دما را می توان در هر دو درجه سانتیگراد و کلوین جایگزین کرد.

فرمول مقدار گرما در حین انتقال فاز

انتقال از یک فاز ماده به مرحله دیگر با جذب یا آزاد شدن مقدار مشخصی از گرما همراه است که به آن گرمای انتقال فاز گفته می شود.

بنابراین ، برای انتقال عنصر ماده از حالت جامد به مایع ، باید مقدار گرما () برابر باشد:

گرمای خاص همجوشی کجاست ، dm عنصر توده بدن است. باید در نظر گرفته شود که بدن باید دمایی برابر با دمای ذوب ماده مورد بررسی داشته باشد. در طی تبلور ، گرما برابر با (4) آزاد می شود.

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

که در آن r گرمای ویژه تبخیر است. وقتی بخار متراکم می شود ، گرما آزاد می شود. گرمای تبخیر برابر است با گرمای میعان توده های مساوی ماده.

واحدهای اندازه گیری میزان گرما

واحد اساسی برای اندازه گیری مقدار گرما در سیستم SI: [Q] \u003d J است

یک واحد گرمایی غیر سیستمی است که غالباً در آن یافت می شود محاسبات فنی... [س] \u003d کالری (کالری). 1 کال \u003d 4.1868 ج

نمونه هایی از حل مسئله

مثال

وظیفه چه حجم آب باید مخلوط شود تا 200 لیتر آب در دمای t \u003d 40C بدست آید ، اگر دمای یک توده آب t 1 \u003d 10C باشد ، توده دوم آب t 2 \u003d 60C است؟

تصمیم گیری بگذارید معادله تعادل گرما را به صورت زیر بنویسیم:

جایی که Q \u003d cmt مقدار گرمای تهیه شده پس از مخلوط کردن آب است. Q 1 \u003d cm 1 t 1 - مقدار گرمای بخشی از آب با دمای t 1 و جرم m 1 ؛ Q 2 \u003d cm 2 t 2 - مقدار گرمای بخشی از آب با دمای t 2 و جرم m 2.

معادله (1.1) به این معنی است:

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

بنابراین ، ما یک سیستم معادلات دریافت می کنیم:

با حل آن ، به دست می آوریم:

همانطور که می دانید ، در طی فرایندهای مختلف مکانیکی ، در انرژی مکانیکی تغییر ایجاد می شود دبلیو مه معیاری برای تغییر در انرژی مکانیکی کار نیروهای وارد شده به سیستم است:

\\ (~ \\ Delta W_ (meh) \u003d A. \\)

با تبادل گرما ، تغییر در انرژی داخلی بدن اتفاق می افتد. اندازه گیری تغییر در انرژی داخلی در هنگام تبادل گرما ، مقدار گرما است.

مقدار گرما اندازه گیری تغییر انرژی داخلی است که بدن در فرآیند تبادل گرما دریافت می کند (یا منصرف می شود).

بنابراین ، هر دو کار و مقدار گرما مشخصه تغییر انرژی هستند ، اما با انرژی یکسان نیستند. آنها وضعیت سیستم را مشخص نمی کنند ، اما فرایند انتقال انرژی از یک نوع به نوع دیگر (از یک بدن به بدن دیگر) را هنگامی که حالت تغییر می کند تعیین می کنند و اساساً به ماهیت فرآیند بستگی دارد.

تفاوت اصلی بین کار و میزان گرما این است که کار مشخصه روند تغییر انرژی داخلی سیستم است که همراه با تبدیل انرژی از یک نوع به نوع دیگر (از مکانیکی به داخلی) است. مقدار گرما مشخص کننده فرآیند انتقال انرژی داخلی از یک بدن به بدن دیگر (از گرمتر به گرم کمتر) است ، که با تحولات انرژی همراه نیست.

تجربه نشان می دهد که مقدار گرمایی که برای گرم کردن بدن با جرم لازم است متر از دما تی 1 تا دما تی 2 ، با فرمول محاسبه می شود

\\ (~ Q \u003d cm (T_2 - T_1) \u003d cm \\ Delta T ، \\ qquad (1) \\)

جایی که ج - ظرفیت حرارتی خاص ماده ؛

\\ (~ c \u003d \\ frac (Q) (متر (T_2 - T_1)). \\)

واحد SI گرمای ویژه ژول بر کیلوگرم کلوین (J / (کیلوگرم کیلوگرم) است.

گرمای خاص ج از نظر عددی برابر با مقدار گرمائی است که باید به جسمی با وزن 1 کیلوگرم منتقل شود تا 1 K گرم شود.

ظرفیت گرمایی بدن ج T از نظر عددی برابر با مقدار گرمای مورد نیاز برای تغییر درجه حرارت بدن توسط 1 K است:

\\ (~ C_T \u003d \\ frac (Q) (T_2 - T_1) \u003d سانتی متر. \\)

واحد ظرفیت حرارتی بدن در SI ژول بر کلوین (J / K) است.

برای تبدیل مایعات به دمای ثابت به بخار ، لازم است مقداری گرما مصرف کنید

\\ (~ Q \u003d Lm ، \\ qquad (2) \\)

جایی که ل - گرمای خاص تبخیر. وقتی بخار متراکم می شود ، همان مقدار گرما آزاد می شود.

به منظور ذوب شدن جسمی متبلور با جرم متر در نقطه ذوب ، لازم است مقدار گرما به بدن منتقل شود

\\ (~ Q \u003d \\ lambda m ، \\ qquad (3) \\)

جایی که λ - گرمای خاص همجوشی وقتی بدن متبلور می شود ، همان مقدار گرما آزاد می شود.

مقدار گرمای آزاد شده در هنگام احتراق کامل جرم سوخت متر,

\\ (~ Q \u003d qm ، \\ qquad (4) \\)

جایی که س - گرمای احتراق خاص.

واحد SI گرمایهای خاص 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 م institutionsسسات ارائه دهنده دریافت اوراق. محیط ، آموزش / L. A. Aksenovich ، N. N. Rakina ، K. S. Farino ؛ اد K. S. Farino. - مینسک: Adukatsya i vyhavanne ، 2004. - ص. 154-155.

« فیزیک - پایه 10 "

در چه فرآیندهایی دگرگونی های ماده به وجود می آیند؟
چگونه می توانید حالت تجمع ماده را تغییر دهید؟

با انجام کار ، گرم کردن یا برعکس ، خنک کردن ، می توانید انرژی داخلی هر جسمی را تغییر دهید.
بنابراین ، هنگام جعل فلز ، کار انجام می شود و گرم می شود ، در همان زمان ، فلز را می توان روی شعله شعله ور گرم کرد.

همچنین ، اگر پیستون را تعمیر کنید (شکل 13.5) ، پس از گرم شدن گاز و تغییر کار حجم گاز تغییر نمی کند. اما دمای گاز و از این رو انرژی داخلی آن افزایش می یابد.

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

به فرآیند انتقال انرژی از یک بدن به بدن دیگر بدون انجام کار گفته می شود تبادل گرما.

اندازه گیری کمی تغییر در انرژی داخلی در هنگام تبادل گرما نامیده می شود مقدار گرما.

تصویر مولکولی انتقال گرما.

در هنگام تبادل حرارت در رابط بین اجسام ، فعل و انفعال ملکول های آرام حرکت بدن با مولکول های در حال حرکت سریع یک بدن گرم اتفاق می افتد. در نتیجه ، انرژیهای جنبشی مولکولها تسطیح شده و سرعت مولکولهای بدن سرد افزایش یافته و بدن گرم کاهش می یابد.

در هنگام تبادل گرما ، هیچ تغییری در انرژی از یک شکل به شکل دیگر وجود ندارد ؛ بخشی از انرژی داخلی بدن گرمتر به بدن گرمتر منتقل می شود.

مقدار گرما و ظرفیت گرما.

قبلاً می دانید که برای گرم کردن جسمی با جرم m از دمای t 1 تا دمای t 2 ، باید مقدار گرما را به آن منتقل کنید:

Q \u003d cm (t 2 - t 1) \u003d cm Δt. (13.5)

وقتی بدن خنک می شود ، دمای نهایی t 2 آن کمتر از دمای اولیه t 1 است و میزان گرمای داده شده توسط بدن منفی است.

ضریب c در فرمول (13.5) نامیده می شود گرمای خاص مواد

گرمای خاص مقداری است که از نظر عددی برابر با مقدار گرما است که ماده ای با جرم 1 کیلوگرم با تغییر درجه حرارت 1 درجه سانتیگراد ، یک ماده با جرم 1 کیلوگرم را دریافت یا از آن خارج می شود.

ظرفیت حرارتی خاص گازها به روند انتقال گرما بستگی دارد. اگر گاز با فشار ثابت گرم شود ، آنگاه منبسط می شود و کار می کند. برای گرم کردن گاز 1 درجه سانتیگراد در فشار ثابت ، نیاز به انتقال دارد مقدار زیاد گرما نسبت به گرم کردن آن در یک حجم ثابت ، هنگامی که گاز فقط گرم می شود.

مایعات و جامدات با گرم شدن کمی منبسط می شوند. ظرفیت های حرارتی خاص آنها در حجم ثابت و فشار ثابت تفاوت کمی دارند.

گرمای خاص تبخیر.

برای تبدیل مایعات به بخار در هنگام جوشیدن ، باید مقدار مشخصی گرما به آن منتقل شود. دمای مایع در هنگام جوشیدن تغییر نمی کند. تبدیل مایعات به بخار در دمای ثابت منجر به افزایش انرژی جنبشی مولکول ها نمی شود ، بلکه با افزایش انرژی بالقوه فعل و انفعالات آنها همراه است. از این گذشته ، فاصله متوسط \u200b\u200bبین مولکول های گاز بسیار بیشتر از مولکول های مایع است.

به مقدار عددی برابر با مقدار گرمای مورد نیاز برای تبدیل در دمای ثابت مایع به وزن 1 کیلوگرم به بخار گفته می شود. گرمای خاص بخار شدن.

فرآیند تبخیر یک مایع در هر درجه حرارت رخ می دهد ، در حالی که سریعترین مولکول ها مایع را ترک می کنند و در هنگام تبخیر سرد می شود. گرمای ویژه تبخیر با گرمای خاص تبخیر برابر 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 Н20 \u003d 2.256 10 6 J / kg در دمای 100 درجه سانتیگراد. برای سایر مایعات ، به عنوان مثال ، الکل ، اتر ، جیوه ، نفت سفید ، گرمای خاص تبخیر 10-10 برابر کمتر از آب است.

برای تبدیل مایع به جرم متر به بخار ، مقدار گرما مورد نیاز است:

Q p \u003d دور موتور (13.6)

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

Q به \u003d -rm. (13.7)

گرمای خاص همجوشی.

وقتی جسمی متبلور ذوب می شود ، تمام گرمای تامین شده برای آن باعث افزایش انرژی بالقوه برهم کنش مولکول ها می شود. انرژی جنبشی مولکول ها تغییر نمی کند ، زیرا ذوب در دمای ثابت اتفاق می افتد.

به مقداري كه از نظر عددي برابر با مقدار گرماي مورد نياز براي تبديل ماده بلوري به وزن 1 كيلوگرم در نقطه ذوب به مايع باشد ، گفته مي شود. گرمای خاص همجوشی و با حرف λ نشان داده می شود.

وقتی ماده ای به وزن 1 کیلوگرم متبلور می شود ، دقیقاً همان مقدار گرما آزاد می شود که هنگام ذوب جذب می شود.

گرمای ویژه ذوب یخ بسیار زیاد است: 3،34 10 5 J / kg.

"اگر یخ گرمای ذوب زیادی نداشته باشد ، در فصل بهار کل توده یخ باید در عرض چند دقیقه یا ثانیه ذوب شود ، زیرا گرما به طور مداوم از هوا به یخ منتقل می شود. عواقب این امر بسیار ناگوار خواهد بود. به هر حال ، حتی در شرایط موجود ، سیل های بزرگ و جریان شدید آب هنگام ذوب شدن توده های بزرگ یخ یا برف اتفاق می افتد. " R. Black ، قرن هجدهم

برای ذوب یک جسم متبلور به جرم متر ، مقدار گرما مورد نیاز است:

Q pl \u003d λm. (13.8)

مقدار گرمای آزاد شده در هنگام تبلور بدن برابر است با:

Q cr \u003d -λm (13.9)

معادله تعادل گرما.

بگذارید مبادله گرما را در یک سیستم متشکل از چندین جسم با درجه حرارت اولیه متفاوت در نظر بگیریم ، به عنوان مثال ، تبادل حرارت بین آب درون یک ظرف و یک گلوله آهن داغ غوطه ور در آب. طبق قانون صرفه جویی در انرژی ، مقدار گرمای داده شده توسط یک جسم از نظر عددی برابر با مقدار گرمای دریافتی توسط جسم دیگر است.

مقدار داده شده از گرما منفی در نظر گرفته می شود ، مقدار گرما دریافت شده مثبت است. بنابراین ، مقدار کل گرما Q1 + Q2 \u003d 0.

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

Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... \u003d 0. (13.10)

معادله (13.10) نامیده می شود معادله تعادل گرما.

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

ظرفیت گرمایی مقدار گرمای جذب شده توسط بدن است که با 1 درجه گرم می شود.

ظرفیت گرمای بدن با یک بزرگ نشان داده می شود حرف لاتین از جانب.

چه چیزی ظرفیت گرمایی بدن را تعیین می کند؟ اول از همه ، از جرم آن. واضح است که برای گرم کردن ، به عنوان مثال ، 1 کیلوگرم آب بیش از گرم کردن 200 گرم به گرما نیاز دارد.

و از نوع ماده؟ بیایید یک آزمایش کنیم. دو ظرف یکسان برداشته و با ریختن 400 گرم آب در یکی از آنها و 400 گرم روغن گیاهی در دیگری ، شروع به گرم کردن آنها با استفاده از مشعل های یکسان می کنیم. با مشاهده قرائت دماسنج ها ، خواهیم دید که روغن به سرعت گرم می شود. برای گرم کردن آب و روغن در یک درجه حرارت ، آب باید مدت بیشتری گرم شود. اما هرچه آب را بیشتر گرم کنیم ، گرمای بیشتری از مشعل دریافت می کند.

بنابراین ، برای گرم کردن همان جرم مواد مختلف تا زمانی که دمای یکسان لازم باشد مقدار متفاوت گرما. مقدار گرمای لازم برای گرم كردن بدن و در نتیجه ظرفیت حرارتی آن به نوع ماده سازنده این بدن بستگی دارد.

به عنوان مثال ، برای افزایش درجه حرارت آب با جرم 1 کیلوگرم در 1 درجه سانتیگراد ، مقدار گرمایی برابر با 4200 J و برای گرمایش 1 درجه سانتیگراد از همان جرم مورد نیاز است روغن آفتابگردان مقدار گرما مورد نیاز است برابر با 1700 J.

کمیت فیزیکی را نشان می دهد که برای گرم کردن 1 کیلوگرم ماده توسط 1 درجه سانتی گراد چه مقدار گرما لازم است گرمای خاص از این ماده

هر ماده گرمای خاص خود را دارد که با حرف c لاتین مشخص می شود و بر حسب ژول بر کیلوگرم درجه (J / (kg · ° C) اندازه گیری می شود.

گرمای خاص یک ماده در انواع مختلف است دولت های کل (جامد ، مایع و گازی) متفاوت است. به عنوان مثال ، ظرفیت حرارتی ویژه آب 4200 J / (kg · ºС) و ظرفیت حرارتی ویژه یخ 2100 J / (kg · ° C) است. آلومینیوم در حالت جامد دارای گرمای خاصی برابر با 920 J / (کیلوگرم - درجه سانتیگراد) است و در حالت مایع - 1080 J / (کیلوگرم - درجه سانتیگراد).

توجه داشته باشید که آب دارای گرمای ویژه بسیار بالایی است. بنابراین ، آب دریاها و اقیانوس ها که در تابستان گرم می شود ، مقدار زیادی گرما را از هوا جذب می کند. با تشکر از این ، در آن مکان هایی که در نزدیکی توده های بزرگ آب قرار دارند ، تابستان به اندازه مکان های دور از آب گرم نیست.

محاسبه مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن بدن یا ساطع شده توسط آن در هنگام خنک سازی.

از مطالب بالا مشخص است که میزان گرمای لازم برای گرم کردن بدن به نوع ماده ای که بدن از آن تشکیل شده است (یعنی ظرفیت حرارتی خاص آن) و به جرم بدن بستگی دارد. همچنین مشخص است که میزان گرما به این بستگی دارد که چند درجه درجه حرارت بدن را افزایش دهیم.

بنابراین ، برای تعیین مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن بدن یا ساطع شده توسط آن در هنگام خنک سازی ، گرمای ویژه بدن باید در جرم آن و با اختلاف بین دمای نهایی و اولیه آن ضرب شود:

س= سانتی متر (t 2 -t 1),

جایی که س - مقدار گرما ، ج - گرمای خاص ، متر - جرم بدن، t 1 - دمای اولیه ، t 2 - دمای نهایی

وقتی بدن گرم می شود t 2> t 1 و بنابراین س >0 ... هنگام خنک کردن بدن t 2 و< t 1 و بنابراین س< 0 .

اگر ظرفیت گرمایی کل بدن مشخص باشد از جانب, س با فرمول تعیین می شود: Q \u003d C (t 2 - t 1)

22) ذوب: تعیین ، محاسبه مقدار گرما برای ذوب یا جامد شدن ، گرمای خاص همجوشی ، نمودار وابستگی t 0 (Q).

ترمودینامیک

بخش فیزیک مولکولی، که انتقال انرژی ، قوانین حاکم بر تبدیل برخی از انواع انرژی به انواع دیگر را مطالعه می کند. برخلاف تئوری جنبشی مولکولی ، ترمودینامیک توجه نمی کند ساختار داخلی مواد و ریز پارامترها.

سیستم ترمودینامیکی

این مجموعه ای از اجسام است که انرژی (به صورت کار یا گرما) را با یکدیگر یا با یکدیگر مبادله می کنند محیط... به عنوان مثال ، آب کتری خنک می شود ، گرمای آب با کتری و کتری با محیط تبادل می شود. سیلندر با گاز زیر پیستون: پیستون کار می کند ، در نتیجه آن گاز انرژی دریافت می کند و پارامترهای کلان آن تغییر می کند.

مقدار گرما

آی تی انرژیدر فرآیند تبادل گرما توسط سیستم دریافت یا داده می شود. با نماد Q تعیین می شود ، مانند هر انرژی در ژول اندازه گیری می شود.

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

گرمایش و سرمایش

مشخصه این فرایند تغییر دمای سیستم است. مقدار گرما توسط فرمول تعیین می شود

گرمای خاص ماده با با مقدار گرمای مورد نیاز برای گرم کردن اندازه گیری می شود واحدهای توده ای این ماده توسط 1K است. گرم کردن 1 کیلوگرم لیوان یا 1 کیلوگرم آب به مقادیر مختلف انرژی نیاز دارد. گرمای خاص یک مقدار شناخته شده و قبلاً محاسبه شده برای همه مواد است ؛ مقدار را در جداول فیزیکی مشاهده کنید

ظرفیت حرارتی ماده С مقدار گرمی است که برای گرم کردن بدن بدون در نظر گرفتن جرم آن توسط 1K لازم است.

ذوب شدن و تبلور

ذوب - انتقال ماده از حالت جامد تبدیل به مایع انتقال معکوس تبلور نامیده می شود.

انرژی صرف شده برای تخریب شبکه بلوری یک ماده توسط فرمول تعیین می شود

گرمای خاص همجوشی یک مقدار شناخته شده برای هر ماده است ، مقدار آن را در جداول فیزیکی مشاهده کنید.

تبخیر (تبخیر یا جوش) و چگالش

بخار شدن عبارت است از انتقال ماده از حالت مایع (جامد) به حالت گازی. روند معکوس تراکم نامیده می شود.

گرمای ویژه تبخیر مقدار مشخصی برای هر ماده است که می توان آن را در جداول فیزیکی یافت.

احتراق

مقدار گرمائی که هنگام احتراق ماده آزاد می شود

مقدار گرمایی خاص یک مقدار شناخته شده برای هر ماده است ، مقدار آن را در جداول فیزیکی مشاهده کنید.

برای یک سیستم بسته و جدا شده از اجسام اجسام ، معادله تعادل گرما انجام شده است. جمع جبری مقدار گرمای داده شده و دریافت شده توسط تمام اجزای شرکت کننده در تبادل گرما برابر با صفر است:

Q 1 + Q 2 + ... + Q n \u003d 0

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

هر از گاهی ، هر مولکولی می تواند به یک مکان خالی مجاور منتقل شود. چنین پرشهایی در مایعات بطور مکرر اتفاق می افتد. بنابراین ، مولکول ها مانند بلورها به مراکز خاصی متصل نیستند و می توانند در کل حجم مایع حرکت کنند. این سیالیت مایعات را توضیح می دهد. به دلیل فعل و انفعال قوی بین مولکول های فاصله نزدیک ، آنها می توانند گروه های محلی (ناپایدار) را که حاوی چندین مولکول هستند تشکیل دهند. این پدیده نامیده می شود سفارش کوتاه (شکل 3.5.1)

ضریب β نامیده می شود ضریب دمای انبساط 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 q ≈ 9 10 - 6 K - یک .

انبساط حرارتی آب یک ناهنجاری جالب و مهم برای زندگی روی زمین دارد. در دمای زیر 4 درجه سانتیگراد ، 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 شناور بر روی سطح بدن انجماد آب باقی می ماند. دمای آب انجماد زیر یخ 0 درجه سانتیگراد است. در لایه های متراکم تر آب در پایین مخزن ، دما حدود 4 درجه سانتی گراد است. با تشکر از این ، زندگی می تواند در آب مخازن انجماد وجود داشته باشد.

اکثر ویژگی جالب مایعات وجود است سطح آزاد ... مایع ، برخلاف گازها ، کل حجم ظرفی را که در آن ریخته شده پر نمی کند. بین مایع و گاز (یا بخار) ، یک رابط شکل می گیرد ، که در واقع است شرایط خاص باید در نظر داشت که به دلیل تراکم پذیری بسیار کم ، وجود یک لایه سطحی با چگالتر بسته شده منجر به تغییر محسوسی در حجم مایع نمی شود. اگر مولکول از سطح به داخل مایع حرکت کند ، نیروهای برهم کنش بین مولکولی کار مثبتی انجام می دهند. برعکس ، برای بیرون کشیدن تعداد مشخصی از مولکول ها از عمق مایع به سطح (به عنوان مثال ، برای افزایش سطح مایع) ، نیروهای خارجی باید کار مثبت Δ انجام دهند آ ext ، متناسب با تغییر در Δ س مساحت سطح:

از مکانیک معلوم شده است که حالتهای تعادل سیستم مطابقت دارد حداقل مقدار انرژی بالقوه آن از این رو نتیجه می شود که سطح آزاد مایع تمایل به کاهش سطح آن دارد. به همین دلیل ، یک قطره مایع بصورت کروی شکل می گیرد. سیال به گونه ای رفتار می کند که گویی نیروها بر سطح خود مماس عمل می کنند و باعث کاهش (کشیدن) این سطح می شوند. به این نیروها گفته می شود نیروهای کششی سطحی .

وجود نیروهای کشش سطحی سطح مایع را شبیه یک فیلم کشیده الاستیک می کند ، با این تفاوت که نیروهای الاستیک موجود در فیلم به سطح آن (یعنی نحوه تغییر شکل فیلم) و کشش سطح بستگی دارد. نیروها وابسته نیست از سطح مایع.

بعضی از مایعات ، مانند آب صابون ، تمایل به تشکیل لایه های نازک دارند. حباب های صابون شناخته شده دارای شکل کروی منظم هستند - این نیز تأثیر نیروهای کشش سطحی را نشان می دهد. اگر یک قاب سیم به داخل یک محلول صابونی پایین بیاید ، که یکی از اضلاع آن متحرک است ، کل آن توسط یک فیلم مایع کشیده می شود (شکل 3.5.3).

نیروهای کشش سطحی تمایل دارند سطح فیلم را کوچک کنند. برای ایجاد تعادل در سمت متحرک قاب ، باید یک نیروی خارجی به آن وارد شود. اگر نیرو تیر را با Δ حرکت دهد ایکس، سپس کار Δ آ ext \u003d F ext Δ ایکس = Δ E ص = σΔ س، جایی که Δ س = 2لΔ ایکس - افزایش سطح هر دو طرف فیلم صابون. از آنجا که ماژول های نیروها و یکسان هستند ، می توانید بنویسید:

بنابراین ، ضریب کشش سطح σ را می توان به این صورت تعریف کرد مدول نیروی کشش سطحی که در واحد طول خط محدود کننده سطح عمل می کند.

با توجه به عملکرد نیروهای کششی سطحی در قطرات مایع و داخل حباب های صابون ، فشار اضافی Δ پ... اگر به طور ذهنی یک شعاع کروی را برش دهید R به دو نیمه ، سپس هر یک از آنها باید تحت تعادل باشند تحت عمل نیروهای کششی سطح اعمال شده به مرز برش با طول 2π R و نیروهای تحت فشار بیش از حد در منطقه π R 2 بخش (شکل 3.5.4). شرط تعادل به صورت زیر نوشته شده است

اگر این نیروها بیشتر از نیروهای برهم کنش بین مولکول های خود مایع باشند ، پس مایع خیس سطح یک جامد. در این حالت ، مایع زیر برخی از آنها به سطح جامد نزدیک می شود زاویه حاد θ ، مشخصه یک جفت مایع داده شده - جامد است. زاویه θ نامیده می شود زاویه لبه ... اگر نیروهای برهم کنش بین مولکول های یک مایع بیش از نیروهای برهم کنش آنها با مولکول های یک ماده جامد باشد ، پس زاویه تماس θ به نظر می رسد مبهم است (شکل 3.5.5). در این مورد ، آنها می گویند که مایع خیس نمی شود سطح یک جامد. چه زمانی خیس شدن کاملθ \u003d 0 ، برای بدون خیس شدن کاملθ \u003d 180 درجه

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

در شکل 3.5.6 یک لوله مویرگی را با شعاع مشخص نشان می دهد ربا انتهای پایینی آن به مایع خیس کننده چگالی ρ کاهش می یابد. انتهای فوقانی مویرگ باز است. افزایش مایعات در مویرگ تا جایی ادامه می یابد که نیروی جاذبه وارد بر ستون مایع در مویرگ از نظر اندازه برابر با نتیجه شود F n نیروهای کششی سطحی که در امتداد مرز تماس مایع با سطح مویرگ عمل می کنند: F t \u003d F n ، کجا F t \u003d میلی گرم = ρ ساعتπ ر 2 g, F n \u003d σ2π ر cos θ

این دلالت می کنه که:

با θ \u003d 180 درجه خیس شدن کامل ، cos θ \u003d –1 و بنابراین ، ساعت < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

آب تقریباً سطح تمیز شیشه را خیس می کند. برعکس ، جیوه سطح شیشه را کاملا خیس نمی کند. بنابراین ، سطح جیوه در مویرگهای شیشه ای به زیر سطح رگ کاهش می یابد.

24) تبخیر: تعریف ، انواع (تبخیر ، جوش) ، محاسبه مقدار گرما برای تبخیر و چگالش ، گرمای ویژه تبخیر.

تبخیر و تراکم. توضیح پدیده تبخیر براساس مفهوم ساختار مولکولی ماده. گرمای خاص تبخیر. واحدهای او.

پدیده تبدیل مایع به بخار نامیده می شود بخار شدن

تبخیر روند تبخیر از یک سطح باز اتفاق می افتد.

مولکول های مایع با حرکت می کنند سرعت های مختلف... اگر هر مولکولی نزدیک سطح مایع باشد ، می تواند بر جذب مولکول های همسایه غلبه کرده و از مایع خارج شود. مولکولهای فرار شده بخار تشکیل می دهند. مولکول های مایع باقیمانده در اثر برخورد سرعت خود را تغییر می دهند. در این حالت ، بعضی از مولکول ها سرعت کافی را برای پرواز از مایع به دست می آورند. این روند ادامه دارد ، بنابراین مایعات به آرامی تبخیر می شوند.

* میزان تبخیر به نوع مایع بستگی دارد. آن مایعاتی که در آنها مولکول ها با نیروی کمتری جذب می شوند سریعتر تبخیر می شوند.

* تبخیر می تواند در هر دما انجام شود. اما با دمای بالا تبخیر سریعتر است .

* میزان تبخیر به سطح آن بستگی دارد.

* با باد (جریان هوا) ، تبخیر سریعتر انجام می شود.

در طول تبخیر ، انرژی داخلی کاهش می یابد ، زیرا در طول تبخیر ، مولکولهای سریع مایعات را ترک می کنند ، بنابراین ، سرعت متوسط \u200b\u200bمولکولهای باقیمانده کاهش می یابد. این بدان معناست که اگر هیچ ورودی انرژی از خارج وجود نداشته باشد ، در این صورت دمای مایع کاهش می یابد.

پدیده تبدیل بخار به مایع نامیده می شود میعان با آزاد سازی انرژی همراه است.

چگالش بخار عامل ایجاد ابر است. بخار آب که از سطح زمین بالا می رود ، ابرهایی را در لایه های بالای هوا ایجاد می کند که از کوچکترین قطرات آب تشکیل شده است.

گرمای خاص تبخیر - جسمی مقداری که نشان می دهد برای تبدیل یک مایع 1 کیلوگرمی به بخار بدون تغییر دما ، چه مقدار گرما لازم است.

Ud گرمای تبخیر با حرف L مشخص می شود و در J / kg اندازه گیری می شود

Ud گرمای تبخیر آب: L \u003d 2.3 × 10 6 J / kg ، الکل L \u003d 0.9 × 10 6

مقدار گرمای لازم برای تبدیل مایع به بخار: Q \u003d Lm

نه تنها با انجام کار ، بلکه همچنین با گرم کردن گاز می توان انرژی داخلی گاز را در سیلندر تغییر داد (شکل 43). اگر پیستون ثابت باشد ، در این صورت حجم گاز تغییر نمی کند ، اما دما و در نتیجه ، انرژی داخلی افزایش می یابد.
فرآیند انتقال انرژی از یک بدن به بدن دیگر بدون انجام کار انتقال حرارت یا انتقال حرارت نامیده می شود.

به انرژی منتقل شده در اثر تبادل گرما به بدن ، مقدار گرما گفته می شود. مقدار گرما را انرژي بدن در فرآيند تبادل گرما نيز مي گويند.

تصویر مولکولی انتقال گرما. در هنگام تبادل حرارت در مرز بین اجسام ، فعل و انفعال مولکولهای بدن به آرامی در حال حرکت با مولکولهای با سرعت بیشتری از یک بدن گرم اتفاق می افتد. در نتیجه ، انرژیهای جنبشی مولکولها تسطیح شده و سرعت مولکولهای بدن سرد افزایش یافته و بدن گرم کاهش می یابد.

در هنگام تبادل گرما ، هیچ تغییری در انرژی از شکل به شکل دیگر وجود ندارد: بخشی از انرژی داخلی بدن گرم به بدن سرد منتقل می شود.

مقدار گرما و ظرفیت گرما. از دوره فیزیک کلاس VII مشخص شده است که برای گرم کردن بدن جرم متر از دمای t 1 تا دمای t 2 ، لازم است که آن را از مقدار گرما مطلع کنیم

Q \u003d cm (t 2 - t 1) \u003d cmΔt. (4.5)

وقتی بدن خنک می شود ، دمای ابدی t 2 آن از t 1 اولیه کمتر است و مقدار گرمای داده شده توسط بدن منفی است.
ضریب c در فرمول (4.5) نامیده می شود گرمای خاص... گرمای ویژه ، مقدار گرمی است که 1 کیلوگرم ماده با تغییر درجه حرارت 1 درجه سانتیگراد ، دریافت یا از آن خارج می شود.

گرمای خاص بر حسب ژول تقسیم بر کیلوگرم برابر کلوین بیان می شود. اجسام مختلف برای افزایش دما به میزان 1 K به مقدار انرژی نابرابر نیاز دارند بنابراین ظرفیت گرمایی ویژه آب 4190 J / (کیلوگرم K) و مس 380 J / (کیلوگرم K) است.

ظرفیت حرارتی خاص نه تنها به خصوصیات ماده ، بلکه به فرایند انجام انتقال گرما نیز بستگی دارد. اگر گاز با فشار ثابت گرم شود ، آنگاه منبسط می شود و کار می کند. برای گرم کردن گاز 1 درجه سانتیگراد در یک فشار ثابت ، نیاز به انتقال گرمای بیشتری نسبت به گرم کردن آن در یک حجم ثابت است.

اجسام مایع و جامد در صورت گرم شدن کمی منبسط می شوند و ظرفیت گرمایی خاص آنها در حجم ثابت و فشار ثابت تفاوت کمی دارد.

گرمای خاص تبخیر. برای تبدیل مایعات به بخار ، باید مقدار مشخصی از گرما به آن منتقل شود. دمای مایع در طی این تغییر شکل تغییر نمی کند. تبدیل مایعات 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 هنگام انتقال ماده از مایع به حالت گازی نیاز به کار در برابر نیروهای فشار خارجی دارد.

مقدار گرمای مورد نیاز برای تبدیل 1 کیلوگرم مایع به بخار در دمای معین را گرمای ویژه تبخیر می نامند. این مقدار با حرف r مشخص می شود و به صورت ژول بر کیلوگرم بیان می شود.

گرمای ویژه تبخیر آب بسیار زیاد است: 2.256 · 10 6 J / kg در دمای 100 درجه سانتیگراد. مایعات دیگر (الکل ، اتر ، جیوه ، نفت سفید و غیره) دارای حرارت خاص تبخیر 3-10 برابر کمتر هستند.

برای تبدیل مایع به جرم متر به بخار ، مقدار گرما مورد نیاز است:

وقتی بخار متراکم می شود ، همان مقدار گرما آزاد می شود

Q k \u003d –rm. (4.7)

گرمای خاص همجوشی. وقتی جسمی متبلور ذوب می شود ، تمام گرمای تأمین شده برای آن ، انرژی بالقوه مولکول ها را افزایش می دهد. انرژی جنبشی مولکول ها تغییر نمی کند ، زیرا ذوب در دمای ثابت اتفاق می افتد.

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

در طی تبلور 1 کیلوگرم ماده ، دقیقاً همان مقدار گرما آزاد می شود. گرمای ویژه ذوب یخ بسیار زیاد است: 3/4 · 10 5 J / kg.

برای ذوب یک جسم متبلور به جرم متر ، مقدار گرما مورد نیاز است:

Q pl \u003d λm. (4.8)

مقدار گرمای آزاد شده در هنگام تبلور بدن برابر است با:

Q cr \u003d - λm. (4.9)

1. به چه مقدار گرما گفته می شود؟ 2. ظرفیت حرارتی ویژه مواد به چه چیزی بستگی دارد؟ 3- به چه گرمای خاص تبخیر گفته می شود؟ 4- به چه گرمای خاصی از همجوشی گفته می شود؟ 5- در چه مواردی میزان گرمای منتقل شده منفی است؟