Unutarnja energija termodinamičkog sustava može se promijeniti na dva načina:

1. dovršavanje rad sustava,
2. pomoću toplinske interakcije.

Prijenos topline na tijelo nije povezan s izvođenjem makroskopskog rada na tijelu. U u ovom slučaju Promjena unutarnje energije uzrokovana je činjenicom da pojedine molekule tijela s višom temperaturom vrše rad na nekim molekulama tijela s nižom temperaturom. U ovom slučaju, toplinska interakcija se ostvaruje zbog toplinske vodljivosti. Prijenos energije moguć je i pomoću zračenja. Sustav mikroskopskih procesa (koji se ne odnose na cijelo tijelo, već na pojedinačne molekule) naziva se prijenos topline. Količina energije koja se prenosi s jednog tijela na drugo kao rezultat prijenosa topline određena je količinom topline koja se prenosi s jednog tijela na drugo.

Definicija

Toplina je energija koju prima (ili predaje) tijelo u procesu izmjene topline s okolnim tijelima (okolinom). Simbol za toplinu obično je slovo Q.

Ovo je jedna od osnovnih veličina u termodinamici. Toplina je uključena u matematičke izraze prvog i drugog zakona termodinamike. Za toplinu se kaže da je energija u obliku molekularnog gibanja.

Toplina se može predati sustavu (tijelu) ili mu se može oduzeti. Vjeruje se da ako se toplina prenosi u sustav, onda je to pozitivno.

Formula za izračunavanje topline pri promjeni temperature

Elementarnu količinu topline označavamo kao . Napomenimo da element topline koji sustav prima (daje) uz malu promjenu svog stanja nije potpuni diferencijal. Razlog tome je što je toplina funkcija procesa promjene stanja sustava.

Elementarna količina topline koja se prenosi sustavu, a temperatura se mijenja od T do T+dT, jednaka je:

gdje je C toplinski kapacitet tijela. Ako je dotično tijelo homogeno, tada se formula (1) za količinu topline može prikazati kao:

gdje je specifični toplinski kapacitet tijela, m je masa tijela, je molarni toplinski kapacitet, je molarni masa tvari, je broj molova tvari.

Ako je tijelo homogeno, a toplinski kapacitet se smatra neovisnim o temperaturi, tada se količina topline () koju tijelo primi kada se njegova temperatura poveća za iznos može izračunati kao:

gdje je t 2, t 1 temperatura tijela prije i poslije zagrijavanja. Imajte na umu da se pri pronalaženju razlike () u izračunima, temperature mogu zamijeniti iu stupnjevima Celzijusa i u kelvinima.

Formula za količinu topline tijekom faznih prijelaza

Prijelaz iz jedne faze tvari u drugu prati apsorpcija ili oslobađanje određene količine topline, koja se naziva toplina faznog prijelaza.

Dakle, za prijenos elementa materije iz čvrstog stanja u tekućinu, treba mu dati količinu topline () jednaku:

gdje je specifična toplina taljenja, dm je element mase tijela. Treba uzeti u obzir da tijelo mora imati temperaturu jednaku talištu dotične tvari. Tijekom kristalizacije oslobađa se toplina jednaka (4).

Količina topline (toplina isparavanja) potrebna za pretvaranje tekućine u paru može se pronaći kao:

gdje je r specifična toplina isparavanja. Kada se para kondenzira, oslobađa se toplina. Toplina isparavanja jednaka je toplini kondenzacije jednakih masa tvari.

Mjerne jedinice za količinu topline

Osnovna mjerna jedinica za količinu topline u SI sustavu je: [Q]=J

Izvansistemska jedinica topline, koja se često nalazi u tehnički proračuni. [Q]=kal (kalorija). 1 cal=4,1868 J.

Primjeri rješavanja problema

Primjer

Vježbajte. Koje količine vode treba pomiješati da se dobije 200 litara vode temperature t = 40C, ako je temperatura jedne mase vode t 1 = 10 C, temperatura druge mase vode je t 2 = 60 C. ?

Riješenje. Napišimo jednadžbu toplinske bilance u obliku:

gdje je Q=cmt količina topline pripremljena nakon miješanja vode; Q 1 = cm 1 t 1 - količina topline dijela vode s temperaturom t 1 i masom m 1; Q 2 = cm 2 t 2 - količina topline dijela vode s temperaturom t 2 i masom m 2.

Iz jednadžbe (1.1) slijedi:

Kada se hladni (V 1) i vrući (V 2) dijelovi vode spajaju u jedan volumen (V), možemo pretpostaviti da:

Dakle, dobivamo sustav jednadžbi:

Nakon što ga riješimo dobivamo:

Kao što je poznato, tijekom različitih mehaničkih procesa dolazi do promjene mehaničke energije W meh. Mjera promjene mehaničke energije je rad sila primijenjenih na sustav:

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

Tijekom izmjene topline dolazi do promjene unutarnje energije tijela. Mjera promjene unutarnje energije tijekom prijenosa topline je količina topline.

Količina topline je mjera promjene unutarnje energije koju tijelo prima (ili predaje) tijekom procesa izmjene topline.

Dakle, i rad i količina topline karakteriziraju promjenu energije, ali nisu identični energiji. Oni ne karakteriziraju stanje samog sustava, već određuju proces prijelaza energije iz jedne vrste u drugu (iz jednog tijela u drugo) kada se stanje mijenja i značajno ovise o prirodi procesa.

Glavna razlika između rada i količine topline je u tome što rad karakterizira proces promjene unutarnje energije sustava, popraćen transformacijom energije iz jedne vrste u drugu (iz mehaničke u unutarnju). Količina topline karakterizira proces prijenosa unutarnje energije s jednog tijela na drugo (od više zagrijanog do manje zagrijanog), koji nije popraćen transformacijama energije.

Iskustvo pokazuje da je količina topline potrebna za zagrijavanje tjelesne mase m na temperaturu T 1 do temperature T 2, izračunato formulom

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

Gdje c- specifični toplinski kapacitet tvari;

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

SI jedinica specifičnog toplinskog kapaciteta je džul po kilogramu Kelvina (J/(kg K)).

Određena toplina c je brojčano jednaka količini topline koju je potrebno predati tijelu mase 1 kg da bi se ono zagrijalo za 1 K.

Toplinski kapacitet tijelo C T je brojčano jednaka količini topline potrebnoj za promjenu tjelesne temperature za 1 K:

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

SI jedinica toplinskog kapaciteta tijela je džul po Kelvinu (J/K).

Za pretvaranje tekućine u paru pri konstantnoj temperaturi potrebno je utrošiti određenu količinu topline

\(~Q = Lm, \qquad (2)\)

Gdje L- specifična toplina isparavanja. Kada se para kondenzira, oslobađa se ista količina topline.

Da bi se otopilo kristalno tijelo vaganje m na točki tališta tijelo treba priopćiti količinu topline

\(~Q = \lambda m, \qquad (3)\)

Gdje λ - specifična toplina taljenja. Prilikom kristalizacije tijela oslobađa se ista količina topline.

Količina topline koja se oslobađa tijekom potpunog izgaranja mase goriva m,

\(~Q = qm, \qquad (4)\)

Gdje q- specifična toplina izgaranja.

SI jedinica za specifične topline isparavanja, taljenja i izgaranja je džul po kilogramu (J/kg).

Književnost

Aksenovich L. A. Fizika u Srednja škola: Teorija. Zadaci. Testovi: Udžbenik. dodatak za ustanove općeg obrazovanja. okoliš, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; ur. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 154-155.

« Fizika - 10. razred"

U kojim se procesima odvijaju agregatne pretvorbe tvari?
Kako možete promijeniti agregatno stanje tvari?

Unutarnju energiju bilo kojeg tijela možete promijeniti radom, zagrijavanjem ili, obrnuto, hlađenjem.
Dakle, kod kovanja metala se radi i on se zagrijava, istovremeno se metal može zagrijavati preko gorućeg plamena.

Također, ako je klip fiksiran (slika 13.5), tada se volumen plina ne mijenja kada se zagrije i ne vrši se nikakav rad. Ali temperatura plina, a time i njegova unutarnja energija, raste.

Unutarnja energija se može povećavati i smanjivati, pa količina topline može biti pozitivna ili negativna.

Proces prijenosa energije s jednog tijela na drugo bez vršenja rada naziva se izmjena topline.

Kvantitativna mjera promjene unutarnje energije tijekom prijenosa topline naziva se količina topline.

Molekularna slika prijenosa topline.

Tijekom izmjene topline na granici između tijela dolazi do interakcije sporo gibajućih molekula hladnog tijela s brzo gibajućim molekulama vrućeg tijela. Zbog toga se kinetičke energije molekula izjednačuju te se brzine molekula hladnog tijela povećavaju, a vrućeg tijela smanjuju.

Tijekom izmjene topline energija se ne pretvara iz jednog oblika u drugi, već se dio unutarnje energije jače zagrijanog tijela prenosi na manje zagrijano tijelo.

Količina topline i toplinski kapacitet.

Već znate da je za zagrijavanje tijela mase m od temperature t 1 do temperature t 2 potrebno predati određenu količinu topline:

Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)

Kada se tijelo ohladi, njegova konačna temperatura t 2 ispada da je manja od početne temperature t 1 i količina topline koju tijelo preda je negativna.

Koeficijent c u formuli (13.5) naziva se specifični toplinski kapacitet tvari.

Određena toplina- to je veličina brojčano jednaka količini topline koju tvar mase 1 kg primi ili otpusti kada joj se temperatura promijeni za 1 K.

Specifični toplinski kapacitet plinova ovisi o procesu prijenosa topline. Ako zagrijavate plin pri konstantnom tlaku, on će se širiti i raditi. Da bi se plin zagrijao za 1 °C pri konstantnom tlaku, potrebno ga je dati velika količina topline nego za zagrijavanje pri konstantnom volumenu, kada će se plin samo zagrijavati.

Tekućine i krutine lagano se šire kada se zagrijavaju. Njihovi specifični toplinski kapaciteti pri konstantnom volumenu i konstantnom tlaku malo se razlikuju.

Specifična toplina isparavanja.

Da bi se tekućina pretvorila u paru tijekom procesa vrenja, mora joj se predati određena količina topline. Temperatura tekućine se ne mijenja kada vrije. Pretvorba tekućine u paru pri konstantnoj temperaturi ne dovodi do povećanja kinetičke energije molekula, ali je popraćena povećanjem potencijalne energije njihove interakcije. Uostalom, prosječna udaljenost između molekula plina puno je veća nego između molekula tekućine.

Količina brojčano jednaka količini topline potrebnoj da se tekućina mase 1 kg pretvori u paru pri konstantnoj temperaturi naziva se određena toplina isparavanje.

Proces isparavanja tekućine odvija se na bilo kojoj temperaturi, dok najbrže molekule napuštaju tekućinu, a ona se tijekom isparavanja hladi. Specifična toplina isparavanja jednaka je specifičnoj toplini isparavanja.

Ova vrijednost je označena slovom r i izražena u džulima po kilogramu (J/kg).

Specifična toplina isparavanja vode je vrlo visoka: r H20 = 2,256 10 6 J/kg pri temperaturi od 100 °C. Za druge tekućine, na primjer alkohol, eter, živu, kerozin, specifična toplina isparavanja je 3-10 puta manja od vode.

Za pretvaranje tekućine mase m u paru potrebna je količina topline jednaka:

Q p = rm. (13.6)

Kada se para kondenzira, oslobađa se ista količina topline:

Q k = -rm. (13.7)

Specifična toplina taljenja.

Kada se kristalno tijelo topi, sva toplina koja mu se dovodi odlazi na povećanje potencijalne energije međudjelovanja između molekula. Kinetička energija molekula se ne mijenja, budući da se taljenje događa pri konstantnoj temperaturi.

Vrijednost brojčano jednaka količini topline potrebnoj da se kristalna tvar mase 1 kg na točki tališta pretvori u tekućinu naziva se specifična toplina taljenja i označava se slovom λ.

Kada tvar mase 1 kg kristalizira, oslobađa se točno onoliko topline koliko se apsorbira tijekom taljenja.

Specifična toplina taljenja leda je prilično visoka: 3,34 10 5 J/kg.

“Da led nema visoku toplinu taljenja, tada bi se u proljeće cijela masa leda morala otopiti u nekoliko minuta ili sekundi, budući da se toplina kontinuirano prenosi na led iz zraka. Posljedice toga bile bi strašne; Uostalom, čak iu sadašnjoj situaciji, velike poplave i jaki tokovi vode nastaju kada se otope velike mase leda ili snijega.” R. Black, XVIII stoljeće.

Za taljenje kristalnog tijela mase m potrebna je količina topline jednaka:

Qpl = λm. (13.8)

Količina topline koja se oslobađa tijekom kristalizacije tijela jednaka je:

Q cr = -λm (13.9)

Jednadžba toplinske ravnoteže.

Razmotrimo izmjenu topline unutar sustava koji se sastoji od nekoliko tijela koja u početku imaju različite temperature, na primjer, izmjenu topline između vode u posudi i vruće željezne kugle spuštene u vodu. Prema zakonu održanja energije, količina topline koju preda jedno tijelo brojčano je jednaka količini topline koju primi drugo.

Količina predane topline smatra se negativnom, količina primljene topline smatra se pozitivnom. Dakle, ukupna količina topline Q1 + Q2 = 0.

Ako dolazi do izmjene topline između više tijela u izoliranom sustavu, tada

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

Jednadžba (13.10) naziva se jednadžba bilance topline.

Ovdje su Q 1 Q 2, Q 3 količine topline koju su tijela primila ili predala. Te se količine topline izražavaju formulom (13.5) ili formulama (13.6)-(13.9), ako se tijekom procesa izmjene topline događaju različite fazne transformacije tvari (taljenje, kristalizacija, isparavanje, kondenzacija).

Toplinski kapacitet- ovo je količina topline koju apsorbira tijelo kada se zagrije za 1 stupanj.

Toplinski kapacitet tijela označen je kapitalom latinično pismo S.

O čemu ovisi toplinski kapacitet tijela? Prije svega, od svoje mase. Jasno je da će zagrijavanje, na primjer, 1 kilograma vode zahtijevati više topline nego zagrijavanje 200 grama.

Što je s vrstom tvari? Napravimo eksperiment. Uzmimo dvije identične posude i, ulijemo vodu težine 400 g u jednu od njih, a biljno ulje težine 400 g u drugu, počet ćemo ih zagrijavati pomoću identičnih plamenika. Promatrajući očitanja termometra, vidjet ćemo da se ulje brzo zagrijava. Da bi se voda i ulje zagrijali na istu temperaturu, vodu je potrebno duže zagrijavati. Ali što dulje zagrijavamo vodu, to više topline dobiva od plamenika.

Dakle, za zagrijavanje iste mase različite tvari na istu potrebnu temperaturu različite količine toplina. Količina topline potrebna za zagrijavanje tijela, a time i njegov toplinski kapacitet ovise o vrsti tvari od koje se tijelo sastoji.

Tako je npr. za povećanje temperature vode mase 1 kg za 1°C potrebna količina topline jednaka 4200 J, a za zagrijavanje iste mase za 1°C suncokretovo ulje potrebna količina topline je 1700 J.

Fizička veličina koja pokazuje koliko je topline potrebno za zagrijavanje 1 kg tvari za 1 ºS zove se specifični toplinski kapacitet ove tvari.

Svaka tvar ima svoj specifični toplinski kapacitet koji se označava latiničnim slovom c i mjeri u džulima po kilogramu stupnja (J/(kg °C)).

Specifični toplinski kapacitet iste tvari u različitim agregatna stanja(kruto, tekuće i plinovito) je različito. Na primjer, specifični toplinski kapacitet vode je 4200 J/(kg °C), a specifični toplinski kapacitet leda je 2100 J/(kg °C); aluminij u čvrstom stanju ima specifični toplinski kapacitet od 920 J/(kg - °C), a u tekućem stanju - 1080 J/(kg - °C).

Imajte na umu da voda ima vrlo visok specifični toplinski kapacitet. Stoga voda u morima i oceanima, zagrijavajući se ljeti, apsorbira veliku količinu topline iz zraka. Zahvaljujući tome, na onim mjestima koja se nalaze u blizini velikih vodenih tijela, ljeto nije tako vruće kao na mjestima daleko od vode.

Proračun količine topline potrebne za zagrijavanje tijela ili koju ono oslobađa tijekom hlađenja.

Iz navedenog je jasno da količina topline potrebna za zagrijavanje tijela ovisi o vrsti tvari od koje se tijelo sastoji (odnosno o njegovom specifičnom toplinskom kapacitetu) i o masi tijela. Također je jasno da količina topline ovisi o tome za koliko stupnjeva ćemo povećati tjelesnu temperaturu.

Dakle, da biste odredili količinu topline koja je potrebna za zagrijavanje tijela ili koju ono oslobađa tijekom hlađenja, trebate pomnožiti specifični toplinski kapacitet tijela s njegovom masom i razlikom između njegove konačne i početne temperature:

Q= cm (t 2 -t 1),

Gdje Q- količina topline, c- specifični toplinski kapacitet, m- tjelesna masa, t 1- početna temperatura, t 2- konačna temperatura.

Kad se tijelo zagrije t 2> t 1 i stoga Q >0 . Kad se tijelo ohladi t 2i< t 1 i stoga Q< 0 .

Ako je poznat toplinski kapacitet cijelog tijela S, Q određuje se formulom: Q = C (t 2 - t 1).

22) Taljenje: definicija, proračun količine topline za taljenje ili skrućivanje, specifična toplina taljenja, graf t 0 (Q).

Termodinamika

Poglavlje molekularna fizika, koji proučava prijenos energije, obrasce transformacije jednih vrsta energije u druge. Za razliku od molekularne kinetičke teorije, termodinamika ne uzima u obzir unutarnja struktura tvari i mikroparametri.

Termodinamički sustav

To je skup tijela koja izmjenjuju energiju (u obliku rada ili topline) međusobno ili sa okoliš. Na primjer, voda u kuhalu za vodu se hladi, te dolazi do izmjene topline između vode i kuhala i topline kuhala za vodu s okolinom. Cilindar s plinom ispod klipa: klip obavlja rad, uslijed čega plin dobiva energiju i mijenjaju se njegovi makroparametri.

Količina topline

Ovaj energije, koje sustav prima ili otpušta tijekom procesa izmjene topline. Označena simbolom Q, mjeri se, kao i svaka energija, u džulima.

Kao rezultat različitih procesa izmjene topline, energija koja se prenosi određena je na svoj način.

Grijanje i hlađenje

Ovaj proces karakterizira promjena temperature sustava. Količina topline određena je formulom

Specifični toplinski kapacitet tvari sa mjereno količinom topline potrebnom za zagrijavanje jedinice mase ove tvari za 1K. Zagrijavanje 1 kg stakla ili 1 kg vode zahtijeva različite količine energije. Specifični toplinski kapacitet je poznata veličina, već izračunata za sve tvari; pogledajte vrijednost u fizičkim tablicama.

Toplinski kapacitet tvari C- ovo je količina topline koja je potrebna za zagrijavanje tijela bez uzimanja u obzir njegove mase za 1K.

Taljenje i kristalizacija

Taljenje je prijelaz tvari iz kruto stanje u tekućinu. Obrnuti prijelaz naziva se kristalizacija.

Energija koja se troši na uništavanje kristalne rešetke tvari određena je formulom

Specifična toplina taljenja je poznata vrijednost za svaku tvar; pogledajte vrijednost u fizičkim tablicama.

Isparavanje (isparavanje ili vrenje) i kondenzacija

Isparavanje je prijelaz tvari iz tekućeg (krutog) stanja u plinovito stanje. Obrnuti proces naziva se kondenzacija.

Specifična toplina isparavanja je poznata vrijednost za svaku tvar; pogledajte vrijednost u fizičkim tablicama.

Izgaranje

Količina topline koja se oslobađa kada tvar gori

Specifična toplina izgaranja je poznata vrijednost za svaku tvar; pogledajte vrijednost u fizičkim tablicama.

Za zatvoreni i adijabatski izolirani sustav tijela jednadžba toplinske ravnoteže je zadovoljena. Algebarski zbroj količine topline koje daju i primaju sva tijela koja sudjeluju u izmjeni topline jednake su nuli:

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

23) Struktura tekućina. Površinski sloj. Sila površinske napetosti: primjeri manifestacije, proračun, koeficijent površinske napetosti.

S vremena na vrijeme, bilo koja se molekula može preseliti na obližnje slobodno mjesto. Takvi skokovi u tekućinama događaju se prilično često; dakle, molekule nisu vezane za određene centre, kao u kristalima, i mogu se kretati po cijelom volumenu tekućine. Ovo objašnjava fluidnost tekućina. Zbog jake interakcije između blisko smještenih molekula, one mogu formirati lokalne (nestabilne) uređene skupine koje sadrže nekoliko molekula. Ova pojava se zove zatvori red(Slika 3.5.1).

Koeficijent β naziva se temperaturni koeficijent volumetrijska ekspanzija . Ovaj koeficijent za tekućine je desetke puta veći nego za čvrste tvari. Za vodu npr. pri temperaturi od 20 °C β in ≈ 2 10 – 4 K – 1, za čelik β st ≈ 3,6 10 – 5 K – 1, za kvarcno staklo β kv ≈ 9 10 – 6 K - 1 .

Toplinsko širenje vode ima zanimljivu i važnu anomaliju za život na Zemlji. Na temperaturama ispod 4 °C voda se širi kako se temperatura snižava (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Kada se voda smrzne, ona se širi, tako da led ostaje plutati na površini vode koja se smrzava. Temperatura smrzavanja vode ispod leda je 0 °C. U gušćim slojevima vode na dnu akumulacije temperatura je oko 4 °C. Zahvaljujući tome, život može postojati u vodi ledenih rezervoara.

Najviše zanimljiva značajka tekućina je prisutnost slobodna površina . Tekućina, za razliku od plinova, ne ispunjava cijeli volumen posude u koju je ulivena. Između tekućine i plina (ili pare) formira se sučelje koje se nalazi u posebni uvjeti u usporedbi s ostalom tekućom masom.. Treba imati na umu da zbog izrazito niske stlačivosti prisutnost gušće zbijenog površinskog sloja ne dovodi do zamjetne promjene volumena tekućine. Ako se molekula pomiče s površine u tekućinu, sile međumolekularnog međudjelovanja izvršit će pozitivan rad. Naprotiv, da bi povukli određeni broj molekula iz dubine tekućine na površinu (tj. povećali površinu tekućine), vanjske sile moraju izvršiti pozitivan rad Δ A vanjski, proporcionalan promjeni Δ S površina:

Iz mehanike je poznato da ravnotežna stanja sustava odgovaraju minimalna vrijednost njegovu potencijalnu energiju. Slijedi da slobodna površina tekućine nastoji smanjiti svoju površinu. Iz tog razloga slobodna kap tekućine poprima sferni oblik. Tekućina se ponaša kao da sile koje djeluju tangencijalno na njezinu površinu skupljaju (vuku) tu površinu. Te se sile nazivaju sile površinske napetosti .

Prisutnost sila površinske napetosti čini da površina tekućine izgleda poput elastičnog rastegnutog filma, s jedinom razlikom što elastične sile u filmu ovise o njegovoj površini (tj. o tome kako je film deformiran), a površinska napetost snage ne ovise na površini tekućine.

Neke tekućine, poput sapunice, imaju sposobnost stvaranja tankih filmova. Dobro poznati mjehurići od sapunice imaju pravilan sferni oblik - to također pokazuje učinak sila površinske napetosti. Ako se žičani okvir, čija je jedna strana pomična, spusti u otopinu sapuna, tada će cijeli okvir biti prekriven filmom tekućine (slika 3.5.3).

Sile površinske napetosti nastoje smanjiti površinu filma. Da bi se pomična strana okvira uravnotežila, na nju mora djelovati vanjska sila. Ako se pod utjecajem sile prečka pomakne za Δ x, tada će se izvršiti rad Δ A vn = F vn Δ x = Δ E str = σΔ S, gdje je Δ S = 2LΔ x– povećanje površine obje strane sapunskog filma. Kako su moduli sila i isti, možemo napisati:

Dakle, koeficijent površinske napetosti σ može se definirati kao modul sile površinske napetosti koja djeluje po jedinici duljine linije koja ograničava površinu.

Zbog djelovanja sila površinske napetosti u kapljicama tekućine i unutar mjehurića sapunice nastaje prekomjerni tlak Δ str. Ako mentalno izrežete kuglastu kap polumjera R na dvije polovice, tada svaka od njih mora biti u ravnoteži pod djelovanjem sila površinske napetosti primijenjenih na granicu reza duljine 2π R a sile suvišnog tlaka koje djeluju na površinu π R 2 odjeljka (sl. 3.5.4). Uvjet ravnoteže piše se kao

Ako su te sile veće od sila međudjelovanja između molekula same tekućine, tada tekućina mokri površina čvrstog tijela. U tom slučaju tekućina se na neko vrijeme približava površini čvrstog tijela oštar kutθ, karakteristika danog para tekućina-kruto. Kut θ naziva se kontaktni kut . Ako sile interakcije između molekula tekućine premašuju sile njihove interakcije s molekulama krutih tvari, tada se kontaktni kut θ ispostavlja tupim (slika 3.5.5). U ovom slučaju kažu da je tekućina ne mokri površina čvrstog tijela. Na potpuno vlaženjeθ = 0, pri potpuno nekvašenjeθ = 180°.

Kapilarni fenomeni zove se porast ili pad tekućine u cijevima malog promjera - kapilare. Močeće tekućine se dižu kroz kapilare, nemočeće se spuštaju.

Na sl. 3.5.6 prikazuje kapilarnu cijev određenog radijusa r, spušten na donjem kraju u tekućinu za vlaženje gustoće ρ. Gornji kraj kapilare je otvoren. Dizanje tekućine u kapilari nastavlja se sve dok sila gravitacije koja djeluje na stupac tekućine u kapilari ne postane jednaka veličini rezultanti F n sile površinske napetosti koje djeluju duž granice kontakta tekućine s površinom kapilare: F t = F n, gdje F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.

Iz čega slijedi:

S potpunim nekvašenjem θ = 180°, cos θ = –1 i, prema tome, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Voda gotovo potpuno nakvasi čistu staklenu površinu. Naprotiv, živa ne smoči potpuno staklenu površinu. Zbog toga razina žive u staklenoj kapilari pada ispod razine u posudi.

24) Isparavanje: definicija, vrste (isparavanje, vrenje), proračun količine topline za isparavanje i kondenzaciju, specifična toplina isparavanja.

Isparavanje i kondenzacija. Objašnjenje fenomena isparavanja na temelju ideja o molekularnoj strukturi tvari. Specifična toplina isparavanja. Njegove jedinice.

Pojava pretvaranja tekućine u paru naziva se isparavanje.

Isparavanje - proces isparavanja koji se javlja s otvorene površine.

Molekule tekućine se kreću s različitim brzinama. Ako bilo koja molekula završi na površini tekućine, može nadvladati privlačnost susjednih molekula i izletjeti iz tekućine. Izbačene molekule tvore paru. Preostale molekule tekućine mijenjaju brzinu pri sudaru. Istovremeno, neke molekule postižu brzinu dovoljnu da izlete iz tekućine. Ovaj proces se nastavlja tako da tekućine polako isparavaju.

*Brzina isparavanja ovisi o vrsti tekućine. Brže isparavaju one tekućine čije se molekule privlače manjom silom.

*Do isparavanja može doći na bilo kojoj temperaturi. Ali kada visoke temperature isparavanje se odvija brže .

*Brzina isparavanja ovisi o njegovoj površini.

*Kod vjetra (strujanja zraka), isparavanje se događa brže.

Tijekom isparavanja unutarnja energija opada jer Tijekom isparavanja, tekućina napušta brze molekule, stoga se prosječna brzina preostalih molekula smanjuje. To znači da ako nema dotoka energije izvana, tada se temperatura tekućine smanjuje.

Pojava prelaska pare u tekućinu naziva se kondenzacija. Prati ga oslobađanje energije.

Kondenzacija pare objašnjava nastanak oblaka. Vodena para koja se diže iznad tla stvara oblake u gornjim hladnim slojevima zraka, koji se sastoje od sitnih kapljica vode.

Specifična toplina isparavanja – fizički vrijednost koja pokazuje koliko je topline potrebno da se tekućina težine 1 kg pretvori u paru bez promjene temperature.

Ud. toplina isparavanja označava se slovom L i mjeri u J/kg

Ud. toplina isparavanja vode: L=2,3×10 6 J/kg, alkohola L=0,9×10 6

Količina topline potrebna za pretvaranje tekućine u paru: Q = Lm

Unutarnju energiju plina u cilindru možete mijenjati ne samo radom, već i zagrijavanjem plina (slika 43). Ako popravite klip, volumen plina se neće promijeniti, ali će se povećati temperatura, a time i unutarnja energija.
Proces prijenosa energije s jednog tijela na drugo bez vršenja rada naziva se izmjena topline ili prijenos topline.

Energija koja se prenosi na tijelo kao rezultat izmjene topline naziva se količina topline. Količina topline naziva se i energija koju tijelo predaje tijekom izmjene topline.

Molekularna slika prijenosa topline. Tijekom izmjene topline na granici između tijela dolazi do međudjelovanja sporo gibajućih molekula hladnog tijela s brže gibajućim molekulama vrućeg tijela. Zbog toga se kinetičke energije molekula izjednačuju te se brzine molekula hladnog tijela povećavaju, a vrućeg tijela smanjuju.

Tijekom izmjene topline energija se ne pretvara iz jednog oblika u drugi: dio unutarnje energije vrućeg tijela prenosi se na hladno tijelo.

Količina topline i toplinski kapacitet. Iz kolegija fizike VII razreda poznato je da da bi se tijelo mase m zagrijalo od temperature t 1 do temperature t 2 potrebno mu je priopćiti količinu topline.

Q = cm(t 2 – t 1) = cmΔt. (4.5)

Kada se tijelo hladi, njegova vječna temperatura t 2 manja je od početne temperature t 1 i količina topline koju tijelo preda je negativna.
Koeficijent c u formuli (4.5) naziva se specifični toplinski kapacitet. Specifični toplinski kapacitet je količina topline koju 1 kg tvari primi ili otpusti kada se njezina temperatura promijeni za 1 K.

Specifični toplinski kapacitet izražava se u džulima podijeljen s kilogramom pomnoženim s kelvinom. Različitim tijelima potrebna je različita količina energije za povećanje temperature za 1 K. Tako je specifični toplinski kapacitet vode 4190 J/(kg K), a bakra 380 J/(kg K).

Specifični toplinski kapacitet ne ovisi samo o svojstvima tvari, već io procesu prijenosa topline. Ako zagrijavate plin pri konstantnom tlaku, on će se širiti i raditi. Da bi se plin zagrijao za 1°C pri konstantnom tlaku, potrebno mu je predati više topline nego da bi se zagrijao pri konstantnom volumenu.

Tekuća i čvrsta tijela lagano se šire zagrijavanjem, a njihovi specifični toplinski kapaciteti pri stalnom volumenu i stalnom tlaku malo se razlikuju.

Specifična toplina isparavanja. Da bi se tekućina pretvorila u paru, mora joj se predati određena količina topline. Temperatura tekućine se ne mijenja tijekom ove transformacije. Pretvorba tekućine u paru pri konstantnoj temperaturi ne dovodi do povećanja kinetičke energije molekula, ali je popraćena povećanjem njihove potencijalne energije. Uostalom, prosječna udaljenost između molekula plina mnogo je puta veća nego između molekula tekućine. Osim toga, povećanje volumena tijekom prijelaza tvari iz tekućeg u plinovito stanje zahtijeva rad protiv vanjskih sila pritiska.

Količina topline potrebna da se 1 kg tekućine pretvori u paru pri konstantnoj temperaturi naziva se specifična toplina isparavanja. Ta se količina označava slovom r i izražava u džulima po kilogramu.

Specifična toplina isparavanja vode je vrlo visoka: 2,256 · 10 6 J/kg pri temperaturi od 100°C. Za ostale tekućine (alkohol, eter, živa, kerozin itd.) specifična toplina isparavanja je 3-10 puta manja.

Da bi se tekućina mase m pretvorila u paru, potrebna je količina topline jednaka:

Kada se para kondenzira, oslobađa se ista količina topline

Q k = –rm. (4.7)

Specifična toplina taljenja. Kada se kristalno tijelo topi, sva toplina koja mu se dovodi odlazi na povećanje potencijalne energije molekula. Kinetička energija molekula se ne mijenja, budući da se taljenje događa pri konstantnoj temperaturi.

Količina topline λ (lambda) potrebna da se 1 kg kristalne tvari na talištu pretvori u tekućinu na istoj temperaturi naziva se specifična toplina taljenja.

Kada 1 kg tvari kristalizira, oslobađa se točno toliko topline. Specifična toplina taljenja leda je prilično visoka: 3,4 · 10 5 J/kg.

Za taljenje kristalnog tijela mase m potrebna je količina topline jednaka:

Qpl = λm. (4.8)

Količina topline koja se oslobađa tijekom kristalizacije tijela jednaka je:

Q cr = – λm. (4.9)

1. Kako se naziva količina topline? 2. O čemu ovisi specifični toplinski kapacitet tvari? 3. Što se naziva specifičnom toplinom isparavanja? 4. Kako se naziva specifična toplina taljenja? 5. U kojim slučajevima je količina predane topline negativna?