Количина топлоте: концепт, прорачун, примена

Фокус нашег чланка је количина топлоте. Разматрамо концепт унутрашње енергије, који се трансформише променом ове вредности. Такође ћемо показати неке примере употребе калкулација у људској активности.

Топлина

Са било којом ријечју матерњег језика, свака особа има своје асоцијације. Они су одређени личним искуством и ирационалним осећањима. Шта најчешће представља реч „топлина“? Мека ћебе, радна батерија централног гријања зими, прва сунчева свјетлост у прољеће, мачка. Или изглед мајке, утјешна реч пријатеља, пажња приказана у времену.

Физичари мисле на овај сасвим специфичан термин. И веома важно, посебно у неким деловима ове сложене, али фасцинантне науке.

Термодинамика

Размотрите количину топлоте у изолацији од најједноставнијих процеса који се ослањају закон о очувању енергије не исплати се - ништа неће бити јасно. Дакле, за почетак, подсјетимо њихове читатеље.

Термодинамика сматра било коју ствар или објекат као једињење веома великог броја елементарних делова - атома, јона, молекула. Његове једначине описују сваку промену у колективном стању система у целини и као део целине када се промене макропараметри. Под потоњим се односи на температуру (означену као Т), притисак (П), концентрацију компонената (обично Ц).

Унутрашња енергија

Унутрашња енергија - прилично компликован појам, у смислу чијег вредновања треба издвојити пре него што се говори о количини топлоте. Он означава енергију која се мења са повећањем или смањењем вредности макропараметара објекта и не зависи од референтног система. То је део укупне енергије. Подудара се када центар масе предмет који се испитује је у мировању (то јест, нема кинетичке компоненте).

Када особа осећа да се одређени предмет (рецимо, бицикл) загреје или охлади, то указује да су сви молекули и атоми који чине овај систем доживели промену у унутрашњој енергији. Међутим, непромењена температура не значи очување овог индикатора.

Рад и топлина

Унутрашња енергија било термодинамички систем може се конвертовати на два начина:

• радећи на томе;
• током размене топлоте са околином.

Формула за овај процес је:

дУ = КА, где је У унутрашња енергија, К је топлота, а А рад.

Нека читалац не буде заведен једноставношћу изражавања. Пермутација показује да је К = дУ + А, али увођење ентропије (С) доводи формулу у форму дК = дСкТ.

Пошто у овом случају једначина има облик диференцијалне, први израз такође захтева исто. Даље, у зависности од сила које делују у предмету који се испитује, и параметра који се израчунава, добија се тражени однос.

Узмите металну куглу као пример термодинамичког система. Ако притиснете на њега, баците га, баците га у дубоки бунар, то значи радити на њему. Извана, све ове безопасне акције неће проузроковати никакву штету лопти, али ће се њена унутрашња енергија променити, иако врло мало.

Други метод је размена топлоте. Сада долазимо до главног циља овог чланка: описа количине топлоте. То је промена унутрашње енергије термодинамичког система која се јавља током преноса топлоте (види горњу формулу). Мјери се у џулима или калоријама. Очигледно, ако балон држите изнад упаљача за цигарете, на сунцу, или само у топлој руци, он ће се загрејати. И онда можете променити температуру да нађете количину топлоте, коју је истовремено пријавио.

Зашто је гас најбољи пример промене унутрашње енергије и зашто због тога студенти не воле физику

Горе смо описали промјене термодинамичких параметара металне кугле. Без посебних уређаја, они нису веома приметни, а читаоцу је остављено да верује речима о процесима који се одвијају са објектом. Још једна ствар, ако је систем - гас. Притискајте га - видећете, загревање - притисак ће расти, спуштати га испод земље - и то се лако може поправити. Стога се у уџбеницима најчешће плин узима као визуелни термодинамички систем.

Али, нажалост, у савременом образовању се не посвећује много пажње стварним експериментима. Научник који пише методички приручник савршено разуме шта је у питању. Чини се да ће, на примеру молекула гаса, сви термодинамички параметри бити правилно приказани. Али ученик који управо открива овај свијет је досадио слушати идеалну тиквицу с теоретским клипом. Да су у школи постојале праве истраживачке лабораторије и да су радни сати били распоређени, све би било другачије. До сада, нажалост, експерименти су само на папиру. И, највјероватније, то је оно што изазива људе да овај дио физике схвате као нешто чисто теоријско, далеко од живота и непотребно.

Пример промене термодинамичких параметара

Због тога смо одлучили да као пример наведемо већ поменути бицикл. Човјек ставља притисак на педале - ради на њима. Поред тога што говори читав механизам обртног момента (захваљујући којем се бицикл креће у простору), унутрашња енергија материјала из којих се врши промена полуга. Бициклист кликне на ручке да се окрене - и поново ради.

Повећава се унутрашња енергија спољашње облоге (пластика или метал). Особа одлази на пропланак под јарким сунцем - бицикл се загријава, количина топлоте се мијења. Зауставља се у хладу старог храста, а систем се хлади, губи калорије или џулове. Повећава брзину - размена енергије расте. Међутим, израчунавање количине топлоте у свим овим случајевима ће показати веома малу, неупадљиву вредност. Дакле, чини се да у стварном животу нема манифестација термодинамичке физике.

Примена прорачуна за промену количине топлоте

Вероватно, читалац ће рећи да је све ово врло информативно, али зашто смо тако мучени у школи овим формулама. А сада ћемо вам дати примере у којим областима људске активности они су потребни директно и како се то односи на свакога у његовом свакодневном животу.

Прво, погледајте око себе и бројите: колико вас металних објеката окружује? Сигурно више од десет. Али пре него што постане клип, кола, прстен или блиц, сваки метал се топи. Свака биљка, која се прерађује, на примјер, жељезна руда, мора разумети колико горива је потребно за оптимизацију трошкова. А рачунајући на то, потребно је знати топлински капацитет сировина које садрже метал и количину топлине коју треба информисати како би се сви технолошки процеси појавили. Пошто се енергија коју испушта јединица горива израчунава у џулима или калоријама, формуле су потребне директно.

Или други пример: у већини супермаркета постоји одељење са замрзнутим производима - рибом, месом, воћем. Када се сировине од меса животиња или морских плодова претворе у полупроизвод, оне би требале знати колико ће потрошити електрични хладњаци и замрзивачи по тони или јединици готовог производа. Да бисте то урадили, израчунајте колико топлоте губи килограм јагода или лигње када се охлади за један степен Целзијуса. Али на крају ће показати колико електричне енергије замрзивач троши на одређену снагу.

Авиони, пароброди, возови

Изнад смо приказали примјере релативно фиксних, статичких објеката, који су пријављени или из којих, напротив, узимају одређену количину топлине. За објекте у процесу кретања у условима константне промене температуре, израчунавање количине топлоте је важно из другог разлога.

Постоји нешто попут "замора метала". То укључује и максимално допуштена оптерећења при одређеној брзини промјене температуре. Замислите авион који се креће од влажних тропа до смрзнутих горњих слојева атмосфере. Инжењери морају пуно радити тако да се не распадају због пукотина у металу, које се појављују када температура падне. Они траже композицију легуре која може да издржи стварна оптерећења и има велику маргину сигурности. А да не би гледали слепо, надајући се да ће случајно наићи на жељену композицију, потребно је направити много прорачуна, укључујући и промјене у количини топлине.