Termodinamiskās sistēmas iekšējo enerģiju var mainīt divos veidos:

1. dara pāri sistēmas darbs,
2. izmantojot termisko mijiedarbību.

Siltuma nodošana ķermenim nav saistīta ar ķermeņa makroskopiskā darba veikšanu. IN šajā gadījumā Iekšējās enerģijas izmaiņas izraisa fakts, ka atsevišķas ķermeņa molekulas ar augstāku temperatūru iedarbojas uz dažām ķermeņa molekulām, kurām ir zemāka temperatūra. Šajā gadījumā siltuma mijiedarbība tiek realizēta siltumvadītspējas dēļ. Enerģijas pārnešana iespējama arī, izmantojot starojumu. Mikroskopisko procesu sistēmu (kas attiecas nevis uz visu ķermeni, bet uz atsevišķām molekulām) sauc par siltuma pārnesi. Enerģijas daudzumu, kas siltuma pārneses rezultātā tiek pārnests no viena ķermeņa uz otru, nosaka siltuma daudzums, kas tiek pārnests no viena ķermeņa uz otru.

Definīcija

Siltums ir enerģija, ko ķermenis saņem (vai atsakās) siltuma apmaiņas procesā ar apkārtējiem ķermeņiem (vidi). Siltuma simbols parasti ir burts Q.

Šis ir viens no termodinamikas pamatlielumiem. Siltums ir iekļauts termodinamikas pirmā un otrā likuma matemātiskajās izteiksmēs. Tiek uzskatīts, ka siltums ir enerģija molekulu kustības veidā.

Siltumu var nodot sistēmai (ķermenim), vai to var ņemt no tās. Tiek uzskatīts, ka, ja siltums tiek nodots sistēmai, tad tas ir pozitīvs.

Formula siltuma aprēķināšanai, mainoties temperatūrai

Apzīmēsim elementāro siltuma daudzumu kā . Ņemsim vērā, ka siltuma elements, ko sistēma saņem (dod) ar nelielām tā stāvokļa izmaiņām, nav pilnīga atšķirība. Iemesls tam ir tas, ka siltums ir sistēmas stāvokļa maiņas procesa funkcija.

Elementārais siltuma daudzums, kas tiek nodots sistēmai un temperatūra mainās no T uz T+dT, ir vienāds ar:

kur C ir ķermeņa siltumietilpība. Ja attiecīgais ķermenis ir viendabīgs, siltuma daudzuma formulu (1) var attēlot šādi:

kur ir ķermeņa īpatnējā siltumietilpība, m ir ķermeņa masa, ir molārā siltumietilpība, ir molārā vielas masa, ir vielas molu skaits.

Ja ķermenis ir viendabīgs un siltumietilpība tiek uzskatīta par neatkarīgu no temperatūras, tad siltuma daudzumu (), ko ķermenis saņem, kad tā temperatūra paaugstinās par daudzumu, var aprēķināt šādi:

kur t 2, t 1 ķermeņa temperatūra pirms un pēc karsēšanas. Lūdzu, ņemiet vērā, ka, atrodot atšķirību () aprēķinos, temperatūras var aizstāt gan ar Celsija grādiem, gan kelvinos.

Formula siltuma daudzumam fāzu pāreju laikā

Vielas pāreju no vienas fāzes uz otru pavada noteikta siltuma daudzuma absorbcija vai izdalīšanās, ko sauc par fāzes pārejas siltumu.

Tātad, lai vielas elementu pārvietotu no cieta stāvokļa uz šķidrumu, tam jāpiešķir siltuma daudzums (), kas vienāds ar:

kur ir īpatnējais saplūšanas siltums, dm ir ķermeņa masas elements. Jāņem vērā, ka ķermeņa temperatūrai jābūt vienādai ar attiecīgās vielas kušanas temperatūru. Kristalizācijas laikā izdalās siltums, kas vienāds ar (4).

Siltuma daudzumu (iztvaikošanas siltumu), kas nepieciešams šķidruma pārvēršanai tvaikos, var atrast šādi:

kur r ir īpatnējais iztvaikošanas siltums. Kad tvaiks kondensējas, izdalās siltums. Iztvaikošanas siltums ir vienāds ar vienādu vielu masu kondensācijas siltumu.

Mērvienības siltuma daudzuma mērīšanai

Siltuma daudzuma pamatmērvienība SI sistēmā ir: [Q]=J

Ārpussistēmiska siltuma vienība, kas bieži sastopama tehniskie aprēķini. [Q] = kalorija (kalorija). 1 cal = 4,1868 J.

Problēmu risināšanas piemēri

Piemērs

Vingrinājums. Kādos tilpumos ūdens jāsajauc, lai iegūtu 200 litrus ūdens pie temperatūras t = 40C, ja vienas ūdens masas temperatūra ir t 1 = 10 C, otrās masas ūdens temperatūra ir t 2 = 60 C ?

Risinājums. Uzrakstīsim siltuma bilances vienādojumu šādā formā:

kur Q=cmt ir siltuma daudzums, kas sagatavots pēc ūdens sajaukšanas; Q 1 = cm 1 t 1 - ūdens daļas ar temperatūru t 1 un masu m 1 siltuma daudzums; Q 2 = cm 2 t 2 - ūdens daļas ar temperatūru t 2 un masu m 2 siltuma daudzums.

No (1.1) vienādojuma izriet:

Apvienojot aukstās (V 1) un karstās (V 2) ūdens daļas vienā tilpumā (V), mēs varam pieņemt, ka:

Tātad, mēs iegūstam vienādojumu sistēmu:

Atrisinot to, mēs iegūstam:

Kā zināms, dažādu mehānisku procesu laikā notiek mehāniskās enerģijas izmaiņas W meh. Mehāniskās enerģijas izmaiņu mērs ir sistēmai pielikto spēku darbs:

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

Siltuma apmaiņas laikā notiek izmaiņas ķermeņa iekšējā enerģijā. Iekšējās enerģijas izmaiņu mērs siltuma pārneses laikā ir siltuma daudzums.

Siltuma daudzums ir iekšējās enerģijas izmaiņu mērs, ko ķermenis saņem (vai atsakās) siltuma apmaiņas procesa laikā.

Tādējādi gan darbs, gan siltuma daudzums raksturo enerģijas izmaiņas, bet nav identiski enerģijai. Tie neraksturo pašas sistēmas stāvokli, bet nosaka enerģijas pārejas procesu no viena veida uz otru (no viena ķermeņa uz otru), kad stāvoklis mainās un būtiski atkarīgs no procesa rakstura.

Galvenā atšķirība starp darbu un siltuma daudzumu ir tāda, ka darbs raksturo sistēmas iekšējās enerģijas maiņas procesu, ko pavada enerģijas pārveide no viena veida uz citu (no mehāniskās uz iekšējo). Siltuma daudzums raksturo iekšējās enerģijas pārnešanas procesu no viena ķermeņa uz otru (no vairāk uzsildīta uz mazāk apsildāmu), ko nepavada enerģijas pārvērtības.

Pieredze rāda, ka siltuma daudzums, kas nepieciešams ķermeņa masas uzsildīšanai m uz temperatūru T 1 līdz temperatūrai T 2, aprēķināts pēc formulas

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

Kur c- vielas īpatnējā siltumietilpība;

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

Īpašās siltumietilpības SI mērvienība ir džouls uz kilogramu Kelvina (J/(kg K)).

Īpašs karstums c ir skaitliski vienāds ar siltuma daudzumu, kas jānodod ķermenim, kas sver 1 kg, lai to uzsildītu par 1 K.

Siltuma jaudaķermeni C T ir skaitliski vienāds ar siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai mainītu ķermeņa temperatūru par 1 K:

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

Ķermeņa siltumietilpības SI vienība ir džouls uz kelvinu (J/K).

Lai pārvērstu šķidrumu tvaikā nemainīgā temperatūrā, ir nepieciešams iztērēt siltuma daudzumu

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

Kur L- īpatnējais iztvaikošanas siltums. Kad tvaiks kondensējas, izdalās tāds pats siltuma daudzums.

Lai izkausētu kristālisku ķermeņa svēršanu m kušanas punktā ķermenim jāpaziņo siltuma daudzums

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

Kur λ - īpatnējais saplūšanas siltums. Kad ķermenis kristalizējas, izdalās tāds pats siltuma daudzums.

Siltuma daudzums, kas izdalās pilnīgas degvielas masas sadegšanas laikā m,

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

Kur q- īpatnējais sadegšanas siltums.

Īpašā iztvaikošanas, kušanas un sadegšanas siltuma SI mērvienība ir džouls uz kilogramu (J/kg).

Literatūra

Aksenovičs L. A. Fizika in vidusskola: Teorija. Uzdevumi. Pārbaudījumi: Mācību grāmata. pabalsts vispārējās izglītības iestādēm. vide, izglītība / L. A. Aksenoviča, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 154-155.

« Fizika - 10. klase"

Kādos procesos notiek matērijas kopējās pārvērtības?
Kā jūs varat mainīt vielas agregācijas stāvokli?

Jūs varat mainīt jebkura ķermeņa iekšējo enerģiju, veicot darbu, sildot vai, gluži pretēji, atdzesējot.
Tātad, metālu kaļot, tiek veikts darbs un tas uzsilst, tajā pašā laikā metālu var karsēt virs degošas liesmas.

Tāpat, ja virzulis ir fiksēts (13.5. att.), tad sildot gāzes tilpums nemainās un netiek veikts darbs. Bet gāzes temperatūra un līdz ar to arī tās iekšējā enerģija palielinās.

Iekšējā enerģija var palielināties un samazināties, tāpēc siltuma daudzums var būt pozitīvs vai negatīvs.

Tiek saukts enerģijas pārnešanas process no viena ķermeņa uz otru, neveicot darbu siltuma apmaiņa.

Tiek saukts iekšējās enerģijas izmaiņu kvantitatīvs mērījums siltuma pārneses laikā siltuma daudzums.

Siltuma pārneses molekulārais attēls.

Siltuma apmaiņas laikā uz robežas starp ķermeņiem notiek auksta ķermeņa lēni kustīgu molekulu mijiedarbība ar karsta ķermeņa ātri kustīgām molekulām. Tā rezultātā molekulu kinētiskās enerģijas tiek izlīdzinātas un auksta ķermeņa molekulu ātrums palielinās, bet karstā ķermeņa molekulu ātrums samazinās.

Siltuma apmaiņas laikā enerģija netiek pārveidota no vienas formas citā;

Siltuma daudzums un siltuma jauda.

Jūs jau zināt, ka, lai uzsildītu ķermeni ar masu m no temperatūras t 1 līdz temperatūrai t 2, ir nepieciešams nodot tam noteiktu siltuma daudzumu:

Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)

Ķermenim atdziestot, tā galīgā temperatūra t 2 izrādās zemāka par sākotnējo temperatūru t 1 un ķermeņa izdalītā siltuma daudzums ir negatīvs.

Tiek izsaukts koeficients c formulā (13.5). īpatnējā siltuma jauda vielas.

Īpašs karstums- tas ir skaitliski vienāds ar siltuma daudzumu, ko saņem vai izdala viela, kas sver 1 kg, ja tās temperatūra mainās par 1 K.

Gāzu īpatnējā siltumietilpība ir atkarīga no procesa, kurā notiek siltuma pārnese. Ja karsējat gāzi pastāvīgā spiedienā, tā paplašināsies un darbosies. Lai uzsildītu gāzi par 1 °C nemainīgā spiedienā, tā ir jānorāda liels daudzums siltumu nekā tā sildīšanai nemainīgā tilpumā, kad gāze tikai uzkarsēs.

Šķidrumi un cietās vielas karsējot nedaudz izplešas. To īpatnējās siltuma jaudas nemainīgā tilpumā un nemainīgā spiedienā nedaudz atšķiras.

Īpatnējais iztvaikošanas siltums.

Lai šķidrums viršanas procesā pārvērstos tvaikā, tam jānodod noteikts siltuma daudzums. Šķidruma temperatūra vārot nemainās. Šķidruma pārvēršana tvaikos nemainīgā temperatūrā neizraisa molekulu kinētiskās enerģijas palielināšanos, bet gan to pavada to mijiedarbības potenciālās enerģijas palielināšanās. Galu galā vidējais attālums starp gāzes molekulām ir daudz lielāks nekā starp šķidruma molekulām.

Tiek saukts daudzums, kas skaitliski vienāds ar siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai 1 kg smags šķidrums nemainīgā temperatūrā pārvērstu tvaikā. īpašs karstums iztvaikošana.

Šķidruma iztvaikošanas process notiek jebkurā temperatūrā, savukārt ātrākās molekulas atstāj šķidrumu, un iztvaikošanas laikā tas atdziest. Īpatnējais iztvaikošanas siltums ir vienāds ar īpatnējo iztvaikošanas siltumu.

Šo vērtību apzīmē ar burtu r un izsaka džoulos uz kilogramu (J/kg).

Ūdens īpatnējais iztvaikošanas siltums ir ļoti augsts: r H20 = 2,256 10 6 J/kg 100 °C temperatūrā. Citiem šķidrumiem, piemēram, spirtam, ēterim, dzīvsudrabam, petrolejai, īpatnējais iztvaikošanas siltums ir 3-10 reizes mazāks nekā ūdens.

Lai šķidrumu ar masu m pārvērstu tvaikos, ir nepieciešams siltuma daudzums, kas vienāds ar:

Q p = rm. (13.6)

Kad tvaiks kondensējas, izdalās tāds pats siltuma daudzums:

Q k = -rm. (13.7)

Īpatnējais saplūšanas siltums.

Kad kristālisks ķermenis kūst, viss tam piegādātais siltums tiek novirzīts, lai palielinātu molekulu mijiedarbības potenciālo enerģiju. Molekulu kinētiskā enerģija nemainās, jo kušana notiek nemainīgā temperatūrā.

Tiek saukta vērtība, kas skaitliski vienāda ar siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai kristālisku vielu, kas kušanas punktā sver 1 kg, pārvērstu šķidrumā. īpatnējais saplūšanas siltums un apzīmēts ar burtu λ.

Kad viela, kas sver 1 kg, kristalizējas, izdalās tieši tāds pats siltuma daudzums, kāds tiek absorbēts kušanas laikā.

Ledus kušanas īpatnējais siltums ir diezgan augsts: 3,34 10 5 J/kg.

“Ja ledus nebūtu ar augstu saplūšanas siltumu, tad pavasarī visai ledus masai būtu jāizkūst dažu minūšu vai sekunžu laikā, jo no gaisa uz ledu tiek nepārtraukti nodots siltums. Tam būtu briesmīgas sekas; galu galā pat pašreizējā situācijā, kūstot lielām ledus vai sniega masām, rodas lieli plūdi un spēcīgas ūdens plūsmas. R. Bleks, XVIII gs.

Lai izkausētu kristālisku ķermeni ar masu m, ir nepieciešams siltuma daudzums, kas vienāds ar:

Qpl = λm. (13.8)

Siltuma daudzums, kas izdalās ķermeņa kristalizācijas laikā, ir vienāds ar:

Q cr = -λm (13,9)

Siltuma bilances vienādojums.

Apskatīsim siltuma apmaiņu sistēmā, kas sastāv no vairākiem ķermeņiem, kuriem sākotnēji ir atšķirīga temperatūra, piemēram, siltuma apmaiņu starp ūdeni traukā un karstu dzelzs lodi, kas nolaista ūdenī. Saskaņā ar enerģijas nezūdamības likumu siltuma daudzums, ko izdala viens ķermenis, ir skaitliski vienāds ar siltuma daudzumu, ko saņem cits ķermenis.

Dotais siltuma daudzums tiek uzskatīts par negatīvu, saņemtais siltuma daudzums tiek uzskatīts par pozitīvu. Tāpēc kopējais siltuma daudzums Q1 + Q2 = 0.

Ja siltuma apmaiņa notiek starp vairākiem ķermeņiem izolētā sistēmā, tad

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

Tiek izsaukts vienādojums (13.10). siltuma bilances vienādojums.

Šeit Q 1 Q 2, Q 3 ir siltuma daudzums, ko saņem vai izdala ķermeņi. Šos siltuma daudzumus izsaka ar formulu (13.5) vai formulām (13.6)-(13.9), ja siltuma apmaiņas procesā notiek dažādas vielas fāzu pārvērtības (kušana, kristalizācija, iztvaikošana, kondensācija).

Siltuma jauda- tas ir siltuma daudzums, ko organisms uzsūc, sildot par 1 grādu.

Ķermeņa siltumietilpību norāda kapitāls Latīņu burts AR.

No kā ir atkarīga ķermeņa siltumietilpība? Pirmkārt, no tās masas. Skaidrs, ka, lai uzsildītu, piemēram, 1 kilogramu ūdens, būs nepieciešams vairāk siltuma nekā 200 gramu uzsildīšanai.

Kā ar vielas veidu? Veiksim eksperimentu. Ņemsim divus identiskus traukus un vienā no tiem ielejam ūdeni, kas sver 400 g, bet otrā - dārzeņu eļļa kas sver 400 g, sāksim tos sildīt, izmantojot identiskus degļus. Vērojot termometra rādījumus, redzēsim, ka eļļa ātri uzsilst. Lai uzsildītu ūdeni un eļļu līdz vienādai temperatūrai, ūdens jāsilda ilgāk. Bet jo ilgāk mēs sildām ūdeni, jo vairāk siltuma tas saņem no degļa.

Tādējādi, lai uzsildītu to pašu masu dažādas vielas līdz vajadzīgajai temperatūrai dažādi daudzumi siltumu. Siltuma daudzums, kas nepieciešams ķermeņa sildīšanai un līdz ar to arī tā siltumietilpība, ir atkarīgs no vielas veida, no kuras ķermenis sastāv.

Tā, piemēram, lai paaugstinātu 1 kg smaga ūdens temperatūru par 1°C, ir nepieciešams siltuma daudzums, kas vienāds ar 4200 J, un to pašu masu uzsildīt par 1°C. saulespuķu eļļa nepieciešamais siltuma daudzums ir 1700 J.

Fiziskais daudzums tiek parādīts, cik daudz siltuma nepieciešams, lai uzsildītu 1 kg vielas par 1 ºС īpatnējā siltuma jauda no šīs vielas.

Katrai vielai ir sava īpatnējā siltumietilpība, ko apzīmē ar latīņu burtu c un mēra džoulos uz kilogramu grādu (J/(kg °C)).

Vienas un tās pašas vielas īpatnējā siltumietilpība dažādās agregācijas stāvokļi(cieta, šķidra un gāzveida) atšķiras. Piemēram, ūdens īpatnējā siltumietilpība ir 4200 J/(kg °C), bet ledus īpatnējā siltumietilpība ir 2100 J/(kg °C); alumīnija cietā stāvoklī īpatnējā siltumietilpība ir 920 J/(kg - °C), bet šķidrā stāvoklī - 1080 J/(kg - °C).

Ņemiet vērā, ka ūdenim ir ļoti augsta īpatnējā siltuma jauda. Tāpēc ūdens jūrās un okeānos, vasarā uzkarstot, absorbē lielu daudzumu siltuma no gaisa. Pateicoties tam, vietās, kas atrodas pie lielām ūdenstilpēm, vasara nav tik karsta kā vietās, kas atrodas tālu no ūdens.

Siltuma daudzuma aprēķins, kas nepieciešams ķermeņa uzsildīšanai vai tas izdalās dzesēšanas laikā.

No iepriekš minētā ir skaidrs, ka ķermeņa uzsildīšanai nepieciešamais siltuma daudzums ir atkarīgs no vielas veida, no kuras ķermenis sastāv (t.i., tās īpatnējās siltumietilpības) un no ķermeņa masas. Ir arī skaidrs, ka siltuma daudzums ir atkarīgs no tā, par cik grādiem mēs gatavojamies paaugstināt ķermeņa temperatūru.

Tātad, lai noteiktu siltuma daudzumu, kas nepieciešams ķermeņa sildīšanai vai tas izdalās dzesēšanas laikā, jums jāreizina ķermeņa īpatnējā siltumietilpība ar tā masu un starpību starp tā galīgo un sākotnējo temperatūru:

J= cm (t 2 - t 1),

Kur J- siltuma daudzums, c- īpatnējā siltuma jauda, m- ķermeņa masa, t 1- sākotnējā temperatūra, t 2- gala temperatūra.

Kad ķermenis uzsilst t 2> t 1 un tāpēc J >0 . Kad ķermenis atdziest t 2i< t 1 un tāpēc J< 0 .

Ja ir zināma visa ķermeņa siltumietilpība AR, J nosaka pēc formulas: Q = C (t 2 - t 1).

22) Kušana: kušanas vai sacietēšanas siltuma daudzuma definīcija, aprēķins, īpatnējais kausēšanas siltums, t 0 (Q) grafiks.

Termodinamika

nodaļa molekulārā fizika, kas pēta enerģijas pārnesi, dažu enerģijas veidu transformācijas modeļus citos. Atšķirībā no molekulārās kinētiskās teorijas, termodinamika neņem vērā iekšējā struktūra vielas un mikroparametri.

Termodinamiskā sistēma

Tas ir ķermeņu kopums, kas apmainās ar enerģiju (darba vai siltuma veidā) savā starpā vai ar vidi. Piemēram, ūdens tējkannā atdziest, un siltuma apmaiņa notiek starp ūdeni un tējkannu un tējkannas siltumu ar vidi. Balons ar gāzi zem virzuļa: virzulis veic darbu, kā rezultātā gāze saņem enerģiju un mainās tās makroparametri.

Siltuma daudzums

Šis enerģiju, ko sistēma saņem vai atbrīvo siltuma apmaiņas procesa laikā. Apzīmēts ar simbolu Q, to, tāpat kā jebkuru enerģiju, mēra džoulos.

Dažādu siltuma apmaiņas procesu rezultātā enerģija, kas tiek pārnesta, tiek noteikta savā veidā.

Apkure un dzesēšana

Šo procesu raksturo sistēmas temperatūras izmaiņas. Siltuma daudzumu nosaka pēc formulas

Vielas īpatnējā siltumietilpība ar mēra pēc siltuma daudzuma, kas nepieciešams sasilšanai masas vienībasšīs vielas par 1 tūkst. 1 kg glāzes vai 1 kg ūdens uzsildīšanai nepieciešams dažādi enerģijas daudzumi. Īpatnējā siltumietilpība ir zināms lielums, kas jau aprēķināts visām vielām, vērtību skatīt fiziskajās tabulās.

Vielas C siltumietilpība- tas ir siltuma daudzums, kas nepieciešams ķermeņa uzsildīšanai, neņemot vērā tā masu par 1K.

Kušana un kristalizācija

Kušana ir vielas pāreja no cietā stāvoklīšķidrumā. Apgriezto pāreju sauc par kristalizāciju.

Enerģiju, kas tiek tērēta vielas kristāliskā režģa iznīcināšanai, nosaka pēc formulas

Īpatnējais saplūšanas siltums ir zināma vērtība katrai vielai, skatīt vērtību fiziskajās tabulās.

Iztvaicēšana (iztvaicēšana vai vārīšana) un kondensācija

Iztvaikošana ir vielas pāreja no šķidra (cieta) stāvokļa uz gāzveida stāvokli. Apgrieztais process sauc par kondensāciju.

Īpatnējais iztvaikošanas siltums ir zināma vērtība katrai vielai, skatīt vērtību fiziskajās tabulās.

Degšana

Siltuma daudzums, kas izdalās, vielai sadedzinot

Īpatnējais sadegšanas siltums ir zināma vērtība katrai vielai, skatīt vērtību fiziskajās tabulās.

Slēgtai un adiabātiski izolētai ķermeņu sistēmai siltuma bilances vienādojums ir izpildīts. Algebriskā summa siltuma daudzums, ko dod un saņem visas siltummaiņā iesaistītās struktūras, ir nulle:

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

23) Šķidrumu struktūra. Virsmas slānis. Virsmas spraiguma spēks: izpausmes piemēri, aprēķins, virsmas spraiguma koeficients.

Laiku pa laikam jebkura molekula var pārvietoties uz tuvējo brīvo vietu. Šādi lēcieni šķidrumos notiek diezgan bieži; tāpēc molekulas nav piesaistītas konkrētiem centriem, kā kristālos, un var pārvietoties pa visu šķidruma tilpumu. Tas izskaidro šķidrumu plūstamību. Pateicoties spēcīgai mijiedarbībai starp cieši izvietotām molekulām, tās var veidot lokālas (nestabilas) sakārtotas grupas, kas satur vairākas molekulas. Šo fenomenu sauc aizvērt pasūtījumu(3.5.1. att.).

Koeficientu β sauc temperatūras koeficients tilpuma izplešanās . Šis koeficients šķidrumiem ir desmitiem reižu lielāks nekā cietām vielām. Ūdenim, piemēram, 20 °C temperatūrā β in ≈ 2 10 – 4 K – 1, tēraudam β st ≈ 3,6 10 – 5 K – 1, kvarca stiklam β kv ≈ 9 10 – 6 K - 1 .

Ūdens termiskajai izplešanāsi ir interesanta un svarīga anomālija dzīvībai uz Zemes. Temperatūrā zem 4 °C ūdens izplešas, temperatūrai pazeminoties (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Kad ūdens sasalst, tas izplešas, tāpēc ledus paliek peldošs uz sasalušas ūdenstilpes virsmas. Ūdens sasalšanas temperatūra zem ledus ir 0 °C. Blīvākos ūdens slāņos rezervuāra apakšā temperatūra ir aptuveni 4 °C. Pateicoties tam, sasalšanas ūdenskrātuvju ūdenī var pastāvēt dzīvība.

Lielākā daļa interesanta iezīmešķidrumi ir klātbūtne brīva virsma . Šķidrums, atšķirībā no gāzēm, neaizpilda visu tvertnes tilpumu, kurā tas tiek ielejams. Starp šķidrumu un gāzi (vai tvaiku) veidojas saskarne, kas atrodas iekšā īpaši nosacījumi salīdzinot ar pārējo šķidro masu.. Jāpatur prātā, ka ārkārtīgi zemās saspiežamības dēļ blīvāk sablīvēta virsmas slāņa klātbūtne neizraisa nekādas jūtamas šķidruma tilpuma izmaiņas. Ja molekula pārvietojas no virsmas šķidrumā, starpmolekulārās mijiedarbības spēki veiks pozitīvu darbu. Gluži pretēji, lai izvilktu noteiktu skaitu molekulu no šķidruma dziļumiem uz virsmu (t.i., palielinātu šķidruma virsmas laukumu), ārējiem spēkiem ir jāveic pozitīvs darbs Δ Aārēja, proporcionāla izmaiņām Δ S virsmas laukums:

No mehānikas ir zināms, ka sistēmas līdzsvara stāvokļi atbilst minimālā vērtība savu potenciālo enerģiju. No tā izriet, ka šķidruma brīvajai virsmai ir tendence samazināt savu laukumu. Šī iemesla dēļ brīvs šķidruma piliens iegūst sfērisku formu. Šķidrums uzvedas tā, it kā spēki, kas iedarbojas tangenciāli uz tā virsmu, sarauj (velk) šo virsmu. Šos spēkus sauc virsmas spraiguma spēki .

Virsmas spraiguma spēku klātbūtne liek šķidruma virsmai izskatīties kā elastīgai izstieptai plēvei, ar vienīgo atšķirību, ka elastīgie spēki plēvē ir atkarīgi no tās virsmas laukuma (t.i., no tā, kā plēve tiek deformēta) un virsmas spraiguma. spēkus nav atkarīgi uz šķidruma virsmas.

Dažiem šķidrumiem, piemēram, ziepjūdenim, ir iespēja veidot plānas kārtiņas. Plaši pazīstamajiem ziepju burbuļiem ir regulāra sfēriska forma – tas arī parāda virsmas spraiguma spēku ietekmi. Ja stiepļu rāmi, kura viena no malām ir kustīga, nolaiž ziepju šķīdumā, tad viss rāmis tiks pārklāts ar šķidruma plēvi (3.5.3. att.).

Virsmas spraiguma spēki mēdz samazināt plēves virsmu. Lai līdzsvarotu rāmja kustīgo pusi, tai jāpieliek ārējs spēks, ja spēka ietekmē šķērsstienis kustas par Δ x, tad tiks veikts darbs Δ A vn = F vn Δ x = Δ E lpp = σΔ S, kur Δ S = 2LΔ x– ziepju plēves abu pušu virsmas laukuma pieaugums. Tā kā spēku un moduļi ir vienādi, mēs varam rakstīt:

Tādējādi virsmas spraiguma koeficientu σ var definēt kā virsmas spraiguma spēka modulis, kas iedarbojas uz virsmu ierobežojošās līnijas garuma vienību.

Virsmas spraiguma spēku iedarbības dēļ šķidruma pilienos un ziepju burbuļu iekšpusē rodas pārspiediens Δ lpp. Ja jūs garīgi nogriežat sfērisku rādiusa pilienu R divās daļās, tad katrai no tām jābūt līdzsvarā virsmas spraiguma spēku iedarbībā, kas pielikti griezuma robežai 2π garumā R un pārspiediena spēki, kas iedarbojas uz laukumu π R 2 sekcijas (3.5.4. att.). Līdzsvara nosacījums ir uzrakstīts kā

Ja šie spēki ir lielāki par mijiedarbības spēkiem starp paša šķidruma molekulām, tad šķidruma slapji cietas vielas virsma. Šajā gadījumā šķidrums dažkārt tuvojas cietā ķermeņa virsmai akūts leņķisθ, kas raksturīgs konkrētam šķidruma un cietas vielas pārim. Leņķi θ sauc saskares leņķis . Ja mijiedarbības spēki starp šķidrām molekulām pārsniedz to mijiedarbības spēkus ar cietām molekulām, tad saskares leņķis θ izrādās neass (3.5.5. att.). Šajā gadījumā viņi saka, ka šķidrums nesaslapina cietas vielas virsma. Plkst pilnīga mitrināšanaθ = 0, at pilnīga nesamitrināšanāsθ = 180°.

Kapilārās parādības ko sauc par šķidruma pieaugumu vai kritumu maza diametra caurulēs - kapilāri. Mitrinošie šķidrumi paceļas pa kapilāriem, nemitrinošie šķidrumi nolaižas.

Attēlā 3.5.6 parāda noteikta rādiusa kapilāro cauruli r, apakšējā galā nolaista mitrinošā šķidrumā ar blīvumu ρ. Kapilāra augšējais gals ir atvērts. Šķidruma celšanās kapilārā turpinās, līdz gravitācijas spēks, kas iedarbojas uz šķidruma kolonnu kapilārā, kļūst vienāds ar rezultēto. F n virsmas spraiguma spēki, kas darbojas gar šķidruma saskares robežu ar kapilāra virsmu: F t = F n, kur F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.

Tas nozīmē:

Ar pilnīgu nesamitrināšanu θ = 180°, cos θ = –1 un tāpēc h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Ūdens gandrīz pilnībā saslapina tīro stikla virsmu. Gluži pretēji, dzīvsudrabs pilnībā nesamitrina stikla virsmu. Tāpēc dzīvsudraba līmenis stikla kapilārā nokrītas zem līmeņa traukā.

24) Iztvaikošana: definīcija, veidi (iztvaikošana, viršana), iztvaikošanas un kondensācijas siltuma daudzuma aprēķins, īpatnējais iztvaikošanas siltums.

Iztvaikošana un kondensācija. Iztvaikošanas fenomena skaidrojums, balstoties uz priekšstatiem par vielas molekulāro struktūru. Īpatnējais iztvaikošanas siltums. Tās vienības.

Tiek saukta parādība, kurā šķidrums pārvēršas tvaikos iztvaikošana.

Iztvaikošana - iztvaikošanas process, kas notiek no atvērtas virsmas.

Šķidruma molekulas pārvietojas līdzi dažādos ātrumos. Ja kāda molekula nonāk uz šķidruma virsmas, tā var pārvarēt blakus esošo molekulu pievilcību un izlidot no šķidruma. Izmestās molekulas veido tvaiku. Atlikušās šķidruma molekulas sadursmes laikā maina ātrumu. Tajā pašā laikā dažas molekulas iegūst ātrumu, kas ir pietiekams, lai izlidotu no šķidruma. Šis process turpinās, tāpēc šķidrumi lēnām iztvaiko.

*Iztvaikošanas ātrums ir atkarīgs no šķidruma veida. Tie šķidrumi, kuru molekulas tiek piesaistītas ar mazāku spēku, iztvaiko ātrāk.

*Iztvaikošana var notikt jebkurā temperatūrā. Bet, kad augstas temperatūras iztvaikošana notiek ātrāk .

*Iztvaikošanas ātrums ir atkarīgs no tā virsmas laukuma.

*Ar vēju (gaisa plūsmu) iztvaikošana notiek ātrāk.

Iztvaikošanas laikā iekšējā enerģija samazinās, jo Iztvaikošanas laikā šķidrums atstāj ātras molekulas, tāpēc atlikušo molekulu vidējais ātrums samazinās. Tas nozīmē, ka, ja nav enerģijas pieplūduma no ārpuses, tad šķidruma temperatūra samazinās.

Tiek saukts fenomens, kad tvaiki pārvēršas šķidrumā kondensāts. To pavada enerģijas atbrīvošanās.

Tvaika kondensācija izskaidro mākoņu veidošanos. Ūdens tvaiki, kas paceļas virs zemes, veido mākoņus augšējos aukstajos gaisa slāņos, kas sastāv no sīkām ūdens lāsēm.

Īpatnējais iztvaikošanas siltums - fiziska vērtība, kas parāda, cik daudz siltuma nepieciešams, lai šķidrumu, kas sver 1 kg, pārvērstu tvaikā, nemainot temperatūru.

Ud. iztvaikošanas siltums apzīmē ar burtu L un mēra J/kg

Ud. ūdens iztvaikošanas siltums: L=2,3×10 6 J/kg, spirts L=0,9×10 6

Siltuma daudzums, kas nepieciešams šķidruma pārvēršanai tvaikos: Q = Lm

Balonā esošās gāzes iekšējo enerģiju var mainīt ne tikai veicot darbu, bet arī sildot gāzi (43. att.). Ja jūs nofiksēsit virzuli, gāzes tilpums nemainīsies, bet palielināsies temperatūra un līdz ar to arī iekšējā enerģija.
Enerģijas pārnešanas procesu no viena ķermeņa uz otru, neveicot darbu, sauc par siltuma apmaiņu vai siltuma pārnesi.

Siltuma apmaiņas rezultātā ķermenim nodoto enerģiju sauc par siltuma daudzumu. Siltuma daudzumu sauc arī par enerģiju, ko ķermenis izdala siltuma apmaiņas laikā.

Siltuma pārneses molekulārais attēls. Siltuma apmaiņas laikā uz robežas starp ķermeņiem notiek auksta ķermeņa lēni kustīgu molekulu mijiedarbība ar karsta ķermeņa ātrāk kustīgām molekulām. Tā rezultātā molekulu kinētiskās enerģijas tiek izlīdzinātas un auksta ķermeņa molekulu ātrums palielinās, bet karstā ķermeņa molekulu ātrums samazinās.

Siltuma apmaiņas laikā enerģija nepārvēršas no vienas formas citā: daļa no karstā ķermeņa iekšējās enerģijas tiek nodota aukstajam ķermenim.

Siltuma daudzums un siltuma jauda. No VII klases fizikas kursa ir zināms, ka ķermeņa m masas uzsildīšanai no temperatūras t 1 līdz temperatūrai t 2 nepieciešams informēt to par siltuma daudzumu

Q = cm(t 2 – t 1) = cmΔt. (4.5)

Ķermenim atdziestot, tā mūžīgā temperatūra t 2 ir mazāka par sākotnējo temperatūru t 1 un ķermeņa izdalītā siltuma daudzums ir negatīvs.
Tiek izsaukts koeficients c formulā (4.5). īpatnējā siltuma jauda. Īpatnējā siltumietilpība ir siltuma daudzums, ko saņem vai izdala 1 kg vielas, kad tās temperatūra mainās par 1 K.

Īpatnējo siltumietilpību izsaka džoulos, dalot ar kilogramu, reizinot ar kelviniem. Dažādiem ķermeņiem nepieciešams atšķirīgs enerģijas daudzums, lai paaugstinātu temperatūru par 1 K. Tādējādi ūdens īpatnējā siltumietilpība ir 4190 J/(kg K), bet vara – 380 J/(kg K).

Īpatnējā siltumietilpība ir atkarīga ne tikai no vielas īpašībām, bet arī no procesa, kurā notiek siltuma pārnese. Ja karsējat gāzi pastāvīgā spiedienā, tā paplašināsies un darbosies. Lai uzsildītu gāzi par 1°C nemainīgā spiedienā, tai būs jānodod vairāk siltuma, nekā sildīt konstantā tilpumā.

Šķidrie un cietie ķermeņi karsējot nedaudz izplešas, un to īpatnējās siltumietilpības pie nemainīga tilpuma un nemainīga spiediena atšķiras maz.

Īpatnējais iztvaikošanas siltums. Lai šķidrumu pārvērstu tvaikā, tam ir jānodod noteikts siltuma daudzums. Šīs transformācijas laikā šķidruma temperatūra nemainās. Šķidruma pārvēršana tvaikos nemainīgā temperatūrā neizraisa molekulu kinētiskās enerģijas palielināšanos, bet gan to pavada to potenciālās enerģijas palielināšanās. Galu galā vidējais attālums starp gāzes molekulām ir daudzkārt lielāks nekā starp šķidruma molekulām. Turklāt tilpuma palielināšanās vielas pārejas laikā no šķidruma uz gāzveida stāvokli prasa strādāt pret ārējiem spiediena spēkiem.

Siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai 1 kg šķidruma pārvērstu tvaikos nemainīgā temperatūrā, sauc par īpatnējo iztvaikošanas siltumu. Šo daudzumu apzīmē ar burtu r un izsaka džoulos uz kilogramu.

Ūdens īpatnējais iztvaikošanas siltums ir ļoti augsts: 2,256 · 10 6 J/kg 100°C temperatūrā. Citiem šķidrumiem (spirtam, ēterim, dzīvsudrabam, petrolejai u.c.) īpatnējais iztvaikošanas siltums ir 3-10 reizes mazāks.

Lai šķidrumu ar masu m pārvērstu tvaikos, ir nepieciešams siltuma daudzums, kas vienāds ar:

Kad tvaiks kondensējas, izdalās tāds pats siltuma daudzums

Q k = –rm. (4.7)

Īpatnējais saplūšanas siltums. Kad kristālisks ķermenis kūst, viss tam piegādātais siltums tiek novirzīts, lai palielinātu molekulu potenciālo enerģiju. Molekulu kinētiskā enerģija nemainās, jo kušana notiek nemainīgā temperatūrā.

Siltuma daudzumu λ (lambda), kas nepieciešams, lai 1 kg kristāliskas vielas kušanas temperatūrā tādā pašā temperatūrā pārvērstu šķidrumā, sauc par īpatnējo saplūšanas siltumu.

Kad kristalizējas 1 kg vielas, izdalās tieši tāds pats siltuma daudzums. Ledus kušanas īpatnējais siltums ir diezgan augsts: 3,4 · 10 5 J/kg.

Lai izkausētu kristālisku ķermeni ar masu m, ir nepieciešams siltuma daudzums, kas vienāds ar:

Qpl = λm. (4.8)

Siltuma daudzums, kas izdalās ķermeņa kristalizācijas laikā, ir vienāds ar:

Q cr = – λm. (4.9)

1. Kā sauc siltuma daudzumu? 2. No kā ir atkarīga vielu īpatnējā siltumietilpība? 3. Ko sauc par īpatnējo iztvaikošanas siltumu? 4. Kā sauc īpatnējo saplūšanas siltumu? 5. Kādos gadījumos nodotā ​​siltuma daudzums ir negatīvs?