Količina topline: pojam, proračun, primjena

Fokus našeg članka je količina topline. Razmatramo koncept unutarnje energije, koji se mijenja promjenom te vrijednosti. Također ćemo pokazati neke primjere korištenja izračuna u ljudskoj aktivnosti.

vrućina

S bilo kojom riječju materinskog jezika svaka osoba ima svoje vlastite asocijacije. Određeni su osobnim iskustvom i iracionalnim osjećajima. Što obično predstavlja riječ "toplina"? Meka deka, radna baterija za centralno grijanje zimi, prva sunčeva svjetlost u proljeće, mačka. Ili izgled majke, utješna riječ prijatelja, pažnja prikazana u vremenu.

Fizičari znače ovim vrlo specifičnim izrazom. I vrlo važno, posebno u nekim dijelovima ove složene, ali fascinantne znanosti.

termodinamika

Razmotrite količinu topline u izolaciji od najjednostavnijih procesa koji se oslanjaju zakon o uštedi energije ne isplati se - ništa neće biti jasno. Stoga, za početak, podsjetimo njihove čitatelje.

Termodinamika smatra bilo koju stvar ili predmet kao spoj vrlo velikog broja elementarnih dijelova - atoma, iona, molekula. Njegove jednadžbe opisuju svaku promjenu u kolektivnom stanju sustava kao cjeline i kao dio cjeline kada se mijenjaju makroparametri. Pod potonjim se odnosi na temperaturu (označenu kao T), tlak (P), koncentraciju komponenata (obično C).

Unutarnja energija

Unutarnja energija - prilično kompliciran pojam, u smislu kojeg vrijedi razriješiti prije nego što se govori o količini topline. Označava energiju koja se mijenja s povećanjem ili smanjivanjem vrijednosti makroparametara objekta i ne ovisi o referentnom sustavu. To je dio ukupne energije. Podudara se kada središte mase predmet koji se istražuje je u mirovanju (to jest, nema kinetičke komponente).

Kada osoba osjeća da se određeni predmet (npr. Bicikl) zagrijava ili hladi, to znači da su sve molekule i atomi koji čine ovaj sustav doživjeli promjenu unutarnje energije. Međutim, nepromijenjena temperatura ne znači očuvanje ovog pokazatelja.

Rad i toplina

Unutarnja energija bilo koja termodinamički sustav može se pretvoriti na dva načina:

• radeći na tome;
• tijekom izmjene topline s okolinom.

Formula za ovaj proces je:

dU = QA, gdje je U unutarnja energija, Q je toplina, a A djelo.

Neka čitatelj ne bude zaveden jednostavnošću izražavanja. Permutacija pokazuje da Q = dU + A, ali uvođenje entropije (S) dovodi formulu u oblik dQ = dSxT.

Budući da u ovom slučaju jednadžba ima oblik diferencijala, prvi izraz također zahtijeva isto. Nadalje, ovisno o silama koje djeluju u predmetu koji se ispituje i parametru koji se izračunava, dobiva se traženi omjer.

Uzmite metalnu kuglu kao primjer termodinamičkog sustava. Ako ga pritisnete, bacite ga, bacite u duboki bunar, to znači raditi na njemu. Izvana, sve ove bezopasne akcije neće uzrokovati nikakvu štetu lopti, ali će se njezina unutarnja energija promijeniti, iako vrlo malo.

Druga metoda je izmjena topline. Sada dolazimo do glavnog cilja ovog članka: opisa količine topline. To je promjena unutarnje energije termodinamičkog sustava do koje dolazi tijekom prijenosa topline (vidi gornju formulu). Mjeri se u džulima ili kalorijama. Očito, ako balon držite iznad upaljača za cigarete, na suncu ili samo u toploj ruci, on će se zagrijati. A onda možete promijeniti temperaturu kako biste pronašli količinu topline, koju je u isto vrijeme prijavio.

Zašto je plin najbolji primjer mijenjanja unutarnje energije i zašto zbog toga studenti ne vole fiziku

Gore smo opisali promjene termodinamičkih parametara metalne kugle. Bez posebnih uređaja, oni nisu jako primjetni, a čitatelju je ostavljena vjera u riječ o procesima koji se odvijaju s objektom. Druga stvar, ako sustav - plin. Pritisni ga - vidjet će se, zagrijati - pritisak će se podići, spustiti ispod zemlje - i to se lako može popraviti. Stoga se u udžbenicima najčešće plin uzima kao vizualni termodinamički sustav.

No, nažalost, u modernom obrazovanju nije posvećeno mnogo pozornosti stvarnim eksperimentima. Znanstvenik koji piše metodički priručnik savršeno razumije što je u pitanju. Čini se da će, na primjeru molekula plina, svi termodinamički parametri biti ispravno prikazani. Ali učenici koji upravo otkrivaju ovaj svijet dosadno je slušati idealnu tikvicu s teoretskim klipom. Da su u školi postojali pravi istraživački laboratoriji, a radno vrijeme je bilo dodijeljeno, sve bi bilo drugačije. Do sada, nažalost, eksperimenti su samo na papiru. I, najvjerojatnije, to je ono što uzrokuje ljude da ovaj dio fizike smatraju nešto teoretskim, daleko od života i nepotrebnim.

Primjer promjene termodinamičkih parametara

Stoga smo odlučili navesti već spomenuti bicikl kao primjer. Čovjek stavlja pritisak na pedale - čini rad na njima. Osim što govori cijeli mehanizam okretnog momenta (zahvaljujući kojem se bicikl kreće u prostoru), unutarnja energija materijala od kojih se poluge mijenjaju. Biciklist klikne na ručke kako bi se okrenuo - i opet radi.

Povećava se unutarnja energija vanjske prevlake (plastika ili metal). Osoba odlazi na proplanak pod vedrim suncem - bicikl se zagrijava, a količina topline se mijenja. Zaustavlja se u sjeni starog hrasta, a sustav se hladi, gubi kalorije ili džulove. Povećava brzinu - razmjena energije raste. Međutim, izračunavanje količine topline u svim tim slučajevima pokazat će vrlo malu, neprimjetnu vrijednost. Stoga se čini da u stvarnom životu nema manifestacija termodinamičke fizike.

Primjena izračuna za promjenu količine topline

Vjerojatno će čitatelj reći da je sve ovo vrlo informativno, ali zašto smo se u školi tako mučili ovim formulama. A sada ćemo dati primjere u kojim područjima ljudske aktivnosti su oni izravno potrebni i kako se to odnosi na svakoga u njegovom svakodnevnom životu.

Prvo pogledajte oko sebe i brojite: koliko vas metalnih objekata okružuje? Sigurno više od deset. Ali prije nego što postanete isječak, automobil, prsten ili bljesak, bilo koji metal se topi. Svako postrojenje, koje se prerađuje, na primjer, željezna ruda, moraju razumjeti koliko goriva je potrebno za optimizaciju troškova. A računajući na to, potrebno je znati toplinski kapacitet sirovina koje sadrže metal i količinu topline koju treba informirati kako bi svi tehnološki procesi nastali. Budući da se energija koju ispušta jedinica goriva izračunava u džulima ili kalorijama, formule su potrebne izravno.

Ili drugi primjer: u većini supermarketa postoji odjel sa smrznutim proizvodima - riba, meso, voće. Kada se sirovine od mesa životinja ili morskih plodova pretvore u poluproizvod, one trebaju znati koliko će postrojenja za hlađenje i zamrzavanje električne energije koristiti po toni ili jedinici gotovog proizvoda. Da biste to učinili, izračunajte koliko topline gubi kilogram jagoda ili lignje kada se ohladi za jedan stupanj Celzija. Ali na kraju će pokazati koliko električne energije zamrzivač troši na određenu snagu.

Avioni, parobrodi, vlakovi

Iznad smo prikazali primjere relativno fiksnih, statičkih objekata, koji su prijavljeni ili iz kojih, naprotiv, uzimaju određenu količinu topline. Za objekte u procesu kretanja u uvjetima konstantno mijenjajuće temperature, izračunavanje količine topline je važno iz drugog razloga.

Postoji nešto kao "zamor od metala". Ona također uključuje maksimalno dopuštena opterećenja pri određenoj brzini promjene temperature. Zamislite avion koji polijeće iz vlažnih tropa do smrznutih gornjih slojeva atmosfere. Inženjeri moraju puno raditi tako da se ne raspadaju zbog pukotina u metalu, koje se pojavljuju kada temperatura padne. Traže sastav od legure koji može izdržati stvarna opterećenja i imati veliku marginu sigurnosti. A kako se ne bi gledalo slijepo, nadajući se da će slučajno naići na željeni sastav, potrebno je napraviti mnogo kalkulacija, uključujući i promjene količine topline.