Както знаете, по време на различни механични процеси има промяна в механичната енергия Умех. Мярката за промяна на механичната енергия е работата на силите, приложени към системата:
\(~\Делта W_(meh) = A.\)
По време на пренос на топлина настъпва промяна във вътрешната енергия на тялото. Мярката за промяна на вътрешната енергия по време на пренос на топлина е количеството топлина.
Количество топлинае мярка за промяната във вътрешната енергия, която тялото получава (или отдава) в процеса на пренос на топлина.
По този начин както работата, така и количеството топлина характеризират промяната в енергията, но не са идентични с енергията. Те не характеризират състоянието на самата система, но определят процеса на преход на енергия от една форма в друга (от едно тяло в друго), когато състоянието се променя и по същество зависят от естеството на процеса.
Основната разлика между работата и количеството топлина е, че работата характеризира процеса на промяна на вътрешната енергия на системата, придружен от трансформация на енергия от един вид в друг (от механична към вътрешна). Количеството топлина характеризира процеса на прехвърляне на вътрешна енергия от едно тяло към друго (от по-нагрято към по-малко нагрято), което не е придружено от енергийни трансформации.
Опитът показва, че количеството топлина, необходимо за нагряване на тяло с маса мтемпература T 1 до температура T 2 се изчислява по формулата
\(~Q = cm (T_2 - T_1) = cm \Delta T, \qquad (1)\)
където ° С- специфичен топлинен капацитет на веществото;
\(~c = \frac(Q)(m (T_2 - T_1)).\)
Единицата SI за специфична топлина е джаул на килограм-Келвин (J/(kg K)).
Специфична топлина ° Се числено равно на количеството топлина, което трябва да се предаде на тяло с маса 1 kg, за да се нагрее с 1 K.
Топлинен капацитеттяло ° С T е числено равно на количеството топлина, необходимо за промяна на телесната температура с 1 K:
\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = cm.\)
Единицата SI за топлинен капацитет на тялото е джаул на келвин (J/K).
За да се превърне течността в пара при постоянна температура, необходимото количество топлина е
\(~Q = Lm, \qquad (2)\)
където Л- специфична топлина на изпарение. Когато парата кондензира, се отделя същото количество топлина.
За да се стопи кристално тяло с маса мпри точката на топене е необходимо тялото да отчете количеството топлина
\(~Q = \ламбда m, \qquad (3)\)
където λ - специфична топлина на топене. При кристализацията на едно тяло се отделя същото количество топлина.
Количеството топлина, отделена по време на пълно изгарянетегло на горивото м,
\(~Q = qm, \qquad (4)\)
където р- специфична топлина на изгаряне.
Единицата SI за специфични топлина на изпаряване, топене и изгаряне е джаул на килограм (J/kg).
Литература
Аксенович Л. А. Физика в гимназията: теория. Задачи. Тестове: Proc. надбавка за институции, осигуряващи общ. среда, образование / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Изд. К. С. Фарино. - Мн.: Адукация и възпитание, 2004. - С. 154-155.
Фокусът на нашата статия е количеството топлина. Ще разгледаме концепцията за вътрешна енергия, която се трансформира, когато тази стойност се промени. Ще покажем и някои примери за приложението на изчисленията в човешката дейност.
Топлина
С всяка дума на родния език всеки човек има свои собствени асоциации. Те са определени личен опити ирационални чувства. Какво обикновено се представя с думата "топлина"? Меко одеяло, работеща батерия за централно отопление през зимата, първата слънчева светлина през пролетта, котка. Или поглед на майка, утешителна дума от приятел, навременно внимание.
Физиците разбират под това много специфичен термин. И много важно, особено в някои раздели на тази сложна, но увлекателна наука.
Термодинамика
Не си струва да се разглежда количеството топлина изолирано от най-простите процеси, на които се основава законът за запазване на енергията - нищо няма да бъде ясно. Затова, за начало, напомняме на нашите читатели.
Термодинамиката разглежда всяко нещо или обект като комбинация от много голям брой елементарни части - атоми, йони, молекули. Неговите уравнения описват всяка промяна в колективното състояние на системата като цяло и като част от цялото при промяна на макро параметри. Последните се разбират като температура (означена като Т), налягане (Р), концентрация на компонентите (обикновено С).
Вътрешна енергия
Вътрешната енергия е доста сложен термин, чието значение трябва да се разбере, преди да се говори за количеството топлина. Означава енергията, която се променя с увеличаване или намаляване на стойността на макропараметрите на обекта и не зависи от отправната система. Тя е част от общата енергия. Той съвпада с него при условия, когато центърът на масата на изследваното нещо е в покой (т.е. няма кинетичен компонент).
Когато човек почувства, че някакъв обект (да речем велосипед) се е затоплил или охладил, това показва, че всички молекули и атоми, които изграждат тази система, са претърпели промяна във вътрешната енергия. Но постоянството на температурата не означава запазване на този показател.
Работа и топлина
Вътрешната енергия на всяка термодинамична система може да се трансформира по два начина:
- като работите върху него;
- по време на топлообмен с околен свят.
Формулата за този процес изглежда така:
dU=Q-A, където U - вътрешна енергия, Q - топлина, A - работа.
Нека читателят не се заблуждава от простотата на израза. Пермутацията показва, че Q=dU+A, но въвеждането на ентропия (S) довежда формулата до формата dQ=dSxT.
Тъй като в този случай уравнението приема формата на диференциално уравнение, първият израз изисква същото. Освен това, в зависимост от силите, действащи в изследвания обект и параметъра, който се изчислява, се извежда необходимото съотношение.
Нека вземем метална топка като пример за термодинамична система. Ако го окажете натиск, изхвърлите го, пуснете го в дълбок кладенец, това означава да работите върху него. Външно всички тези безвредни действия няма да причинят никаква вреда на топката, но нейната вътрешна енергия ще се промени, макар и много леко.
Вторият начин е пренос на топлина. Сега стигаме до основна целна тази статия: описание на това какво е количеството топлина. Това е такава промяна във вътрешната енергия на термодинамична система, която възниква по време на пренос на топлина (вижте формулата по-горе). Измерва се в джаули или калории. Очевидно, ако топката се държи над запалка, на слънце или просто вътре топла ръкатогава ще се нагрее. И след това, като промените температурата, можете да намерите количеството топлина, което му е било съобщено по същото време.
Защо газът е най-добрият пример за промяна на вътрешната енергия и защо учениците не харесват физиката заради него
По-горе описахме промените в термодинамичните параметри на метална топка. Те са без специални устройстване са много забележими и на читателя остава да вземе дума за процесите, протичащи с обекта. Друго нещо е, ако системата е газ. Натиснете го - ще се види, загрейте го - налягането ще се повиши, спуснете го под земята - и това лесно може да се поправи. Следователно в учебниците най-често газът се приема като визуална термодинамична система.
Но, уви, в съвременно образованиене се обръща много внимание на реалните експерименти. Учен, който пише методическо ръководство, разбира много добре за какво става дума. Струва му се, че на примера на газовите молекули ще бъдат адекватно демонстрирани всички термодинамични параметри. Но за студент, който тепърва открива този свят, е скучно да чуе за идеална колба с теоретично бутало. Ако в училището имаше истински изследователски лаборатории и се разпределяха часове за работа в тях, всичко щеше да е различно. Засега, за съжаление, експериментите са само на хартия. И най-вероятно точно това кара хората да смятат този клон на физиката за нещо чисто теоретично, далеч от живота и ненужно.
Затова решихме да дадем за пример вече споменатия по-горе велосипед. Човек натиска педалите - върши работа върху тях. В допълнение към предаването на въртящия момент на целия механизъм (поради което велосипедът се движи в пространството), вътрешната енергия на материалите, от които са направени лостовете, се променя. Велосипедистът натиска дръжките, за да завърти, и отново върши работата.
Вътрешна енергия външно покритие(пластмаса или метал) се увеличава. Човек отива на поляна под ярко слънце - моторът се нагрява, количеството му топлина се променя. Спира за почивка в сянката на стар дъб и системата се охлажда, губейки калории или джаули. Увеличава скоростта - увеличава обмена на енергия. Въпреки това, изчисляването на количеството топлина във всички тези случаи ще покаже много малка, незабележима стойност. Следователно изглежда, че проявите на термодинамичната физика в истинския животне.
Прилагане на изчисления за промени в количеството топлина
Вероятно читателят ще каже, че всичко това е много информативно, но защо сме толкова измъчвани в училище с тези формули. А сега ще дадем примери в кои области на човешката дейност те са пряко необходими и как това се отнася за всеки в ежедневието му.
Като начало се огледайте около себе си и пребройте: колко метални предмета ви заобикалят? Вероятно повече от десет. Но преди да се превърне в кламер, вагон, пръстен или флашка, всеки метал се топи. Всеки завод, който преработва, да речем, желязна руда, трябва да разбере колко гориво е необходимо, за да оптимизира разходите. И когато се изчислява това, е необходимо да се знае топлинният капацитет на металосъдържащите суровини и количеството топлина, което трябва да им се предаде, за да протичат всички технологични процеси. Тъй като енергията, освободена от единица гориво, се изчислява в джаули или калории, формулите са необходими директно.
Или друг пример: повечето супермаркети имат отдел със замразени стоки - риба, месо, плодове. Когато суровините от животинско месо или морски дарове се превръщат в полуготов продукт, те трябва да знаят колко електричество ще използват хладилните и замразяващи агрегати за тон или единица готов продукт. За да направите това, трябва да изчислите колко топлина губи килограм ягоди или калмари, когато се охладят с един градус по Целзий. И в крайна сметка това ще покаже колко електроенергия ще харчи фризер с определен капацитет.
Самолети, кораби, влакове
По-горе показахме примери за относително неподвижни, статични обекти, които се информират или, напротив, от тях се отнема известно количество топлина. За обекти, движещи се в процеса на работа в условия на постоянно променяща се температура, изчисленията на количеството топлина са важни по друга причина.
Има такова нещо като "умора на метала". Той също така включва максимално допустимите натоварвания при определена скорост на промяна на температурата. Представете си самолет, излитащ от влажните тропици към замръзналата горна атмосфера. Инженерите трябва да работят усилено, за да не се разпадне поради пукнатини в метала, които се появяват при промяна на температурата. Те търсят състав на сплавта, който да издържа на реални натоварвания и да има голям запас на безопасност. И за да не търсите сляпо, надявайки се случайно да се натъкнете на желания състав, трябва да направите много изчисления, включително тези, които включват промени в количеството топлина.
« Физика - 10 клас"
При какви процеси се извършва агрегатното преобразуване на материята?
Как може да се промени състоянието на материята?
Можете да промените вътрешната енергия на всяко тяло, като извършвате работа, нагрявате или, обратно, охлаждате го.
Така при коването на един метал се работи и той се нагрява, като в същото време металът може да се нагрява върху горящ пламък.
Освен това, ако буталото е фиксирано (фиг. 13.5), тогава обемът на газа не се променя при нагряване и не се извършва работа. Но температурата на газа, а оттам и вътрешната му енергия, се повишава.
Вътрешната енергия може да се увеличава и намалява, така че количеството топлина може да бъде положително или отрицателно.
Процесът на предаване на енергия от едно тяло на друго без извършване на работа се нарича топлообмен.
Количествената мярка за промяната на вътрешната енергия по време на пренос на топлина се нарича количество топлина.
Молекулярна картина на топлообмена.
По време на топлообмен на границата между телата бавно движещи се молекули на студено тяло взаимодействат с бързо движещи се молекули на горещо тяло. В резултат на това кинетичните енергии на молекулите се изравняват и скоростите на молекулите на студено тяло се увеличават, а на горещо тяло намаляват.
По време на топлообмена няма преобразуване на енергия от една форма в друга, част от вътрешната енергия на по-горещо тяло се прехвърля към по-малко нагрято тяло.
Количеството топлина и топлинния капацитет.
Вече знаете, че за да се нагрее тяло с маса m от температура t 1 до температура t 2, е необходимо да му се предаде количеството топлина:
Q \u003d cm (t 2 - t 1) \u003d cm Δt. (13.5)
Когато тялото се охлади, неговата крайна температура t 2 се оказва по-малка от началната температура t 1 и количеството топлина, отделена от тялото, е отрицателно.
Коефициентът c във формула (13.5) се нарича специфичен топлинен капацитетвещества.
Специфична топлина- това е стойност, числено равна на количеството топлина, което вещество с маса 1 kg получава или отдава, когато температурата му се промени с 1 K.
Специфичният топлинен капацитет на газовете зависи от процеса, чрез който се пренася топлината. Ако нагреете газ при постоянно налягане, той ще се разшири и ще върши работа. За да се нагрее газ с 1 °C при постоянно налягане, той трябва да предаде повече топлина, отколкото да се нагрее при постоянен обем, когато газът само ще се нагрее.
Течностите и твърдите вещества се разширяват леко при нагряване. Техните специфични топлинни мощности при постоянен обем и постоянно налягане се различават малко.
Специфична топлина на изпарение.
За да превърнете течността в пара по време на процеса на кипене, е необходимо да й прехвърлите определено количество топлина. Температурата на течността не се променя, когато кипи. Превръщането на течността в пара при постоянна температура не води до увеличаване на кинетичната енергия на молекулите, но е придружено от увеличаване на потенциалната енергия на тяхното взаимодействие. В крайна сметка средното разстояние между молекулите на газа е много по-голямо, отколкото между молекулите на течността.
Нарича се стойността, числено равна на количеството топлина, необходимо за превръщане на 1 kg течност в пара при постоянна температура специфична топлина на изпарение.
Процесът на изпаряване на течността протича при всяка температура, докато най-бързите молекули напускат течността и тя се охлажда по време на изпаряване. Специфичната топлина на изпарение е равна на специфичната топлина на изпарение.
Тази стойност се обозначава с буквата r и се изразява в джаули на килограм (J / kg).
Специфичната топлина на изпаряване на водата е много висока: r H20 = 2,256 10 6 J/kg при температура 100 °C. В други течности, като алкохол, етер, живак, керосин, специфичната топлина на изпаряване е 3-10 пъти по-малка от тази на водата.
За да се превърне течност с маса m в пара, е необходимо количество топлина, равно на:
Q p \u003d rm. (13.6)
Когато парата кондензира, се отделя същото количество топлина:
Q k \u003d -rm. (13.7)
Специфична топлина на топене.
Когато кристално тяло се стопи, цялата топлина, която му се подава, отива за увеличаване на потенциалната енергия на взаимодействие на молекулите. Кинетичната енергия на молекулите не се променя, тъй като топенето се извършва при постоянна температура.
Стойността, числено равна на количеството топлина, необходимо за превръщане на кристално вещество с тегло 1 kg при точка на топене в течност, се нарича специфична топлина на топенеи се означават с буквата λ.
При кристализацията на вещество с маса 1 kg се отделя точно толкова топлина, колкото се поглъща при топенето.
Специфичната топлина на топене на леда е доста висока: 3,34 10 5 J/kg.
„Ако ледът нямаше висока топлина на топене, тогава през пролетта цялата маса лед трябваше да се стопи за няколко минути или секунди, тъй като топлината непрекъснато се прехвърля към леда от въздуха. Последствията от това биха били ужасни; тъй като дори при сегашната ситуация големи наводнения и големи водни потоци възникват от топенето на големи масиви от лед или сняг.” Р. Блек, 18 век
За да се разтопи кристално тяло с маса m, е необходимо количество топлина, равно на:
Qpl \u003d λm. (13.8)
Количеството топлина, отделена при кристализацията на тялото, е равно на:
Q cr = -λm (13.9)
Уравнението топлинен баланс.
Помислете за топлообмен в рамките на система, състояща се от няколко тела, първоначално имащи различни температури, например топлообмен между вода в съд и гореща желязна топка, спусната във водата. Според закона за запазване на енергията, количеството топлина, отдадено от едно тяло, е числено равно на количеството топлина, получено от друго.
Даденото количество топлина се счита за отрицателно, полученото количество топлина се счита за положително. Следователно общото количество топлина Q1 + Q2 = 0.
Ако се извършва топлообмен между няколко тела в изолирана система, тогава
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Уравнение (13.10) се нарича уравнение на топлинния баланс.
Тук Q 1 Q 2 , Q 3 - количеството топлина, получено или отдадено от телата. Тези количества топлина се изразяват с формула (13.5) или формули (13.6) - (13.9), ако в процеса на пренос на топлина настъпват различни фазови трансформации на веществото (топене, кристализация, изпаряване, кондензация).
Топлинен капацитете количеството топлина, погълнато от тялото при нагряване с 1 градус.
Топлинният капацитет на тялото се обозначава с главна латинска буква ОТ.
Какво определя топлинния капацитет на тялото? На първо място, от неговата маса. Ясно е, че загряването например на 1 килограм вода ще изисква повече топлина, отколкото загряването на 200 грама.
Какво ще кажете за вида на веществото? Нека направим експеримент. Да вземем два еднакви съда и като в единия от тях налеем 400 г вода, а в другия - растително маслос тегло 400 g, ще започнем да ги нагряваме с помощта на еднакви горелки. Като наблюдаваме показанията на термометрите, ще видим, че маслото се загрява бързо. За да загреете вода и масло до еднаква температура, водата трябва да се загрява по-дълго. Но колкото по-дълго нагряваме водата, толкова повече топлина получава тя от горелката.
По този начин, за да се нагрее една и съща маса от различни вещества до една и съща температура, са необходими различни количества топлина. Количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото, и следователно неговият топлинен капацитет зависят от вида на веществото, от което е съставено това тяло.
Така например, за да се повиши температурата на вода с маса 1 kg с 1 ° C, е необходимо количество топлина, равно на 4200 J, а за да се нагрее същата маса слънчогледово масло с 1 ° C, количество от необходима е топлина, равна на 1700 J.
Физическо количество, показваща колко топлина е необходима за нагряване на 1 kg вещество с 1 ºС, се нарича специфична топлинатова вещество.
Всяко вещество има свой специфичен топлинен капацитет, който се обозначава с латинската буква c и се измерва в джаули на килограм-градус (J / (kg ° C)).
Специфичният топлинен капацитет на едно и също вещество в различни агрегатни състояния (твърдо, течно и газообразно) е различен. Например специфичният топлинен капацитет на водата е 4200 J/(kg ºС), а специфичният топлинен капацитет на леда е 2100 J/(kg ºС); алуминият в твърдо състояние има специфичен топлинен капацитет от 920 J / (kg - ° C), а в течно състояние - 1080 J / (kg - ° C).
Имайте предвид, че водата има много висок специфичен топлинен капацитет. Следователно водата в моретата и океаните, нагрявайки се през лятото, абсорбира от въздуха голям бройтоплина. Поради това на местата, които се намират в близост до големи водни басейни, лятото не е толкова горещо, колкото на места, далеч от водата.
Изчисляване на количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото или отделено от него при охлаждане.
От изложеното по-горе става ясно, че количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото, зависи от вида на веществото, от което се състои тялото (т.е. неговия специфичен топлинен капацитет) и от масата на тялото. Също така е ясно, че количеството топлина зависи от това с колко градуса ще повишим температурата на тялото.
И така, за да определите количеството топлина, необходимо за загряване на тялото или освободено от него по време на охлаждане, трябва да умножите специфичната топлина на тялото по неговата маса и по разликата между крайната и началната температура:
Q= см (t 2 -t 1),
където Q- количество топлина, ° С- специфичен топлинен капацитет, м- телесна маса, t1- начална температура, t2- крайна температура.
При нагряване на тялото t2> t1и следователно Q >0 . Когато тялото е охладено t 2и< t1и следователно Q< 0 .
Ако е известен топлинният капацитет на цялото тяло ОТ, Qсе определя по формулата: Q \u003d C (t 2 - t1).
22) Топене: определение, изчисляване на количеството топлина за топене или втвърдяване, специфична топлина на топене, графика на t 0 (Q).
Термодинамика
Клон от молекулярната физика, който изучава преноса на енергия, моделите на трансформация на едни видове енергия в други. За разлика от молекулярно-кинетичната теория, термодинамиката не взема предвид вътрешната структура на веществата и микропараметрите.
Термодинамична система
Това е съвкупност от тела, които обменят енергия (под формата на работа или топлина) помежду си или с околната среда. Например, водата в чайника се охлажда, осъществява се топлообмен на водата с чайника и на чайника с околната среда. Цилиндър с газ под буталото: буталото извършва работа, в резултат на което газът получава енергия и неговите макропараметри се променят.
Количество топлина
то енергия, която се получава или отдава от системата в процеса на топлообмен. Означава се със символа Q, измерен като всяка енергия в джаули.
В резултат на различни процеси на пренос на топлина, енергията, която се пренася, се определя по свой начин.
Отопление и охлаждане
Този процес се характеризира с промяна в температурата на системата. Количеството топлина се определя по формулата
Специфичният топлинен капацитет на веществото сизмерено чрез количеството топлина, необходимо за нагряване единици за масаот това вещество с 1K. Загряването на 1 kg стъкло или 1 kg вода изисква различно количество енергия. Специфичният топлинен капацитет е известна стойност, вече изчислена за всички вещества, вижте стойността във физическите таблици.
Топлинен капацитет на веществото С- това е количеството топлина, което е необходимо за загряване на тялото, без да се взема предвид неговата маса с 1K.
Топене и кристализация
Топенето е преход на вещество от твърдо в течно състояние. Обратният преход се нарича кристализация.
Енергията, изразходвана за разрушаване на кристалната решетка на дадено вещество, се определя от формулата
Специфичната топлина на топене е известна стойност за всяко вещество, вижте стойността във физическите таблици.
Изпаряване (изпаряване или кипене) и кондензация
Изпаряването е преминаването на вещество от течно (твърдо) състояние в газообразно състояние. Обратният процес се нарича кондензация.
Специфичната топлина на изпарение е известна стойност за всяко вещество, вижте стойността във физическите таблици.
Изгаряне
Количеството топлина, отделено при изгаряне на дадено вещество
Специфичната топлина на изгаряне е известна стойност за всяко вещество, вижте стойността във физическите таблици.
За затворена и адиабатично изолирана система от тела уравнението на топлинния баланс е изпълнено. Алгебричната сума на количествата топлина, отдадена и получена от всички тела, участващи в топлообмена, е равна на нула:
Q 1 +Q 2 +...+Q n =0
23) Структурата на течностите. повърхностен слой. Сила на повърхностно напрежение: примери за проявление, изчисляване, коефициент на повърхностно напрежение.
От време на време всяка молекула може да се премести на съседно свободно място. Такива скокове в течностите се случват доста често; следователно молекулите не са свързани с определени центрове, както в кристалите, и могат да се движат в целия обем на течността. Това обяснява течливостта на течностите. Поради силното взаимодействие между близко разположени молекули, те могат да образуват локални (нестабилни) подредени групи, съдържащи няколко молекули. Това явление се нарича поръчка с малък обсег(фиг. 3.5.1).
Коефициентът β се нарича температурен коефициент на обемно разширение . Този коефициент за течности е десет пъти по-голям, отколкото за твърди вещества. За вода, например, при температура 20 ° С β в ≈ 2 10 - 4 K - 1, за стомана β st ≈ 3,6 10 - 5 K - 1, за кварцово стъкло β kv ≈ 9 10 - 6 K - един .
Термичното разширение на водата има интересна и важна аномалия за живота на Земята. При температури под 4 °C водата се разширява с понижаване на температурата (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Когато водата замръзне, тя се разширява, така че ледът остава да плава на повърхността на замръзващото водно тяло. Температурата на замръзване на водата под лед е 0°C. В по-плътни слоеве вода близо до дъното на резервоара температурата е около 4 °C. Благодарение на това животът може да съществува във водата на замръзващи резервоари.
Повечето интересна функциятечности е присъствието свободна повърхност . Течността, за разлика от газовете, не запълва целия обем на съда, в който се излива. Между течността и газа (или парата) се образува граница, която се намира в специални условия в сравнение с останалата течна маса.Трябва да се има предвид, че поради изключително ниската свиваемост, наличието на по-плътна опакованият повърхностен слой не води до забележима промяна в обема на течността. Ако молекулата се движи от повърхността в течността, силите на междумолекулно взаимодействие ще вършат положителна работа. Напротив, за да издърпате определен брой молекули от дълбочината на течността към повърхността (т.е. да увеличите повърхността на течността), външните сили трябва да извършат положителна работа Δ Авъншен, пропорционален на изменението Δ Сплощ:
От механиката е известно, че равновесните състояния на системата съответстват на минималната стойност на нейната потенциална енергия. От това следва, че свободната повърхност на течността се стреми да намали своята площ. Поради тази причина свободната капка течност придобива сферична форма. Течността се държи така, сякаш сили действат тангенциално на нейната повърхност, намалявайки (свивайки) тази повърхност. Тези сили се наричат сили на повърхностно напрежение .
Наличието на сили на повърхностно напрежение прави течната повърхност да изглежда като еластичен разтегнат филм, с единствената разлика, че еластичните сили във филма зависят от неговата повърхност (т.е. от това как филмът е деформиран) и силите на повърхностно напрежение не зависятвърху повърхността на течността.
Някои течности, като сапунена вода, имат способността да образуват тънки филми. Всички добре познати сапунени мехурчета имат правилна сферична форма - това също проявява действието на силите на повърхностното напрежение. Ако в сапунения разтвор се спусне телена рамка, чиято една от страните е подвижна, то цялата тя ще бъде покрита с филм от течност (фиг. 3.5.3).
Силите на повърхностно напрежение са склонни да скъсяват повърхността на филма. За да се балансира подвижната страна на рамката, към нея трябва да се приложи външна сила.Ако под действието на силата напречната греда се премести с Δ х, тогава работата Δ А ext = Евътр. Δ х = Δ еп = σΔ С, където ∆ С = 2ЛΔ хе нарастването на повърхността на двете страни на сапунения филм. Тъй като модулите на силите и са еднакви, можем да напишем:
|
По този начин коефициентът на повърхностно напрежение σ може да се определи като модул на силата на повърхностното напрежение, действаща на единица дължина на линията, ограничаваща повърхността.
Поради действието на силите на повърхностното напрежение в капките течност и вътре в сапунените мехурчета, свръхналягането Δ стр. Ако мислено изрежем сферична капка с радиус Рна две половини, тогава всяка от тях трябва да бъде в равновесие под действието на силите на повърхностното напрежение, приложени към границата на разрез с дължина 2π Ри сили на свръхналягане, действащи върху площта π Р 2 секции (фиг. 3.5.4). Условието за равновесие се записва като
Ако тези сили са по-големи от силите на взаимодействие между молекулите на самата течност, тогава течността мокриповърхността на твърдо тяло. В този случай течността се доближава до повърхността на твърдото тяло под някакъв остър ъгъл θ, който е характерен за дадената двойка течност-твърдо тяло. Ъгълът θ се нарича контактен ъгъл . Ако силите на взаимодействие между течните молекули надвишават силите на тяхното взаимодействие с твърдите молекули, тогава контактният ъгъл θ се оказва тъп (фиг. 3.5.5). В този случай се казва, че течността не мокриповърхността на твърдо тяло. При пълно намокрянеθ = 0, при пълно ненамокрянеθ = 180°.
капилярни явлениянаречено покачване или спадане на течност в тръби с малък диаметър - капиляри. Овлажняващите течности се издигат през капилярите, а немокрящите се спускат.
На фиг. 3.5.6 показва капилярна тръба с определен радиус rспуснат от долния си край в омокряща течност с плътност ρ. Горният край на капиляра е отворен. Покачването на течността в капиляра продължава, докато силата на гравитацията, действаща върху течния стълб в капиляра, стане равна по абсолютна стойност на получената Е n сили на повърхностно напрежение, действащи по протежение на границата на контакт на течността с повърхността на капиляра: Е t = Е n, където Е t = мг = ρ чπ r 2 ж, Е n = σ2π r cos θ.
Това предполага:
При пълно ненамокряне, θ = 180°, cos θ = –1 и следователно, ч < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Водата почти напълно намокря чистата стъклена повърхност. Обратно, живакът не намокря напълно стъклената повърхност. Поради това нивото на живак в стъклената капилярка пада под нивото в съда.
24) Изпаряване: определение, видове (изпарение, кипене), изчисляване на количеството топлина за изпаряване и кондензация, специфична топлина на изпаряване.
Изпарение и кондензация. Обяснение на явлението изпарение въз основа на идеи за молекулярната структура на материята. Специфична топлина на изпарение. Нейните единици.
Явлението течността да се превърне в пара се нарича изпаряване.
Изпарение - процесът на изпаряване, протичащ от открита повърхност.
Молекулите на течността се движат с различни скорости. Ако някоя молекула е на повърхността на течността, тя може да преодолее привличането на съседни молекули и да излети от течността. Отделящите се молекули образуват пара. Скоростите на останалите течни молекули се променят при сблъсък. В този случай някои молекули придобиват скорост, достатъчна, за да излетят от течността. Този процес продължава, така че течностите се изпаряват бавно.
* Скоростта на изпарение зависи от вида на течността. Тези течности се изпаряват по-бързо, в които молекулите се привличат с по-малко сила.
*Изпарението може да се случи при всяка температура. Но при по-високи температури изпарението е по-бързо .
* Скоростта на изпарение зависи от повърхността му.
*При вятър (въздушен поток) изпарението става по-бързо.
По време на изпарението вътрешната енергия намалява, т.к. по време на изпаряване бързите молекули напускат течността, следователно средната скорост на останалите молекули намалява. Това означава, че ако няма приток на енергия отвън, тогава температурата на течността намалява.
Явлението на превръщането на парите в течност се нарича кондензация.
Съпровожда се с освобождаване на енергия.
Кондензацията на парите обяснява образуването на облаци. Водната пара, издигаща се над земята, образува облаци в горните студени слоеве на въздуха, които се състоят от малки капки вода.
Специфична топлина на изпарение - физически. количество, показващо колко топлина е необходима, за да се превърне течност с маса 1 kg в пара, без да се променя температурата.
Уд. топлина на изпарение се обозначава с буквата L и се измерва в J / kg
Уд. топлина на изпаряване на вода: L=2,3×10 6 J/kg, алкохол L=0,9×10 6
Количеството топлина, необходимо за превръщане на течност в пара: Q = Lm
721. Защо се използва вода за охлаждане на някои механизми?
Водата има висок специфичен топлинен капацитет, което допринася за доброто отвеждане на топлината от механизма.
722. В какъв случай трябва да се изразходва повече енергия: за загряване на един литър вода с 1 °C или за загряване на сто грама вода с 1 °C?
За да загреете литър вода, тъй като колкото по-голяма е масата, толкова повече енергия трябва да се изразходва.
723. Мелхиор и сребърни вилици от същата маса бяха потопени в гореща вода. Еднакво количество топлина ли получават от водата?
Вилица от мелхиор ще получи повече топлина, тъй като специфичната топлина на мелхиор е по-голяма от тази на среброто.
724. Парче олово и парче чугун с еднаква маса са ударени три пъти с чук. Коя част стана по-гореща?
Оловото ще се нагрее повече, защото неговият специфичен топлинен капацитет е по-малък от този на чугуна и е необходима по-малко енергия за нагряване на оловото.
725. Една колба съдържа вода, другата съдържа керосин със същата маса и температура. Във всяка колба беше хвърлен еднакво нагрят железен куб. Какво ще стопли повече висока температура- вода или керосин?
Керосин.
726. Защо температурните колебания са по-малко резки през зимата и лятото в градовете на морския бряг, отколкото в градовете, разположени във вътрешността?
Водата се нагрява и охлажда по-бавно от въздуха. През зимата той се охлажда и движи топли въздушни маси на сушата, което прави климата на брега по-топъл.
727. Специфичният топлинен капацитет на алуминия е 920 J/kg °C. Какво означава това?
Това означава, че са необходими 920 J за загряване на 1 kg алуминий с 1 °C.
728. Алуминиеви и медни пръти с еднаква маса от 1 kg се охлаждат с 1 °C. Колко ще се промени вътрешната енергия на всеки блок? Коя лента ще се промени повече и с колко?
729. Какво количество топлина е необходимо за нагряване на килограм желязна заготовка с 45 °C?
730. Колко топлина е необходима за загряване на 0,25 kg вода от 30°C до 50°C?
731. Как ще се промени вътрешната енергия на два литра вода при нагряване с 5 °C?
732. Колко топлина е необходима за загряване на 5 g вода от 20°C до 30°C?
733. Какво количество топлина е необходимо за нагряване на алуминиева топка с тегло 0,03 kg с 72 °C?
734. Изчислете количеството топлина, необходимо за нагряване на 15 kg мед с 80 °C.
735. Изчислете количеството топлина, необходимо за нагряване на 5 kg мед от 10 °C до 200 °C.
736. Какво количество топлина е необходимо за загряване на 0,2 kg вода от 15 °C до 20 °C?
737. Вода с тегло 0,3 kg се е охладила с 20 °C. С колко се намалява вътрешната енергия на водата?
738. Колко топлина е необходима за загряване на 0,4 kg вода с температура 20 °C до температура 30 °C?
739. Колко топлина се изразходва за нагряване на 2,5 kg вода с 20 °C?
740. Колко топлина се е отделила при охлаждане на 250 g вода от 90 °C до 40 °C?
741. Колко топлина е необходима за загряване на 0,015 литра вода с 1 °C?
742. Изчислете количеството топлина, необходимо за загряване на езерце с обем 300 m3 с 10 °C?
743. Колко топлина трябва да се придаде на 1 kg вода, за да се повиши температурата й от 30°C на 40°C?
744. Вода с обем 10 литра се е охладила от температура 100 °C до температура 40 °C. Колко топлина се отделя в този случай?
745. Изчислете количеството топлина, необходимо за нагряване на 1 m3 пясък с 60 °C.
746. Обем на въздуха 60 m3, специфичен топлинен капацитет 1000 J/kg °C, плътност на въздуха 1,29 kg/m3. Колко топлина е необходима, за да се повиши до 22°C?
747. Водата се нагрява с 10 ° C, изразходвайки 4,20 103 J топлина. Определете количеството вода.
748. Вода с тегло 0,5 kg отчете 20,95 kJ топлина. Каква е била температурата на водата, ако първоначалната температура на водата е била 20°C?
749. В медна тенджера с тегло 2,5 kg се наливат 8 kg вода с температура 10 °C. Колко топлина е необходима, за да заври водата в тенджера?
750. В меден черпак с тегло 300 г се налива литър вода с температура 15°C. Колко топлина е необходима, за да се загрее водата в черпака с 85°C?
751. Парче нагорещен гранит с тегло 3 кг е поставено във вода. Гранитът предава 12,6 kJ топлина на водата, охлаждайки се с 10 °C. Какъв е специфичният топлинен капацитет на камъка?
752. Гореща вода при 50°C се добавя към 5 kg вода при 12°C, като се получава смес с температура 30°C. Колко вода е добавена?
753. Вода с 20°C се добавя към 3 литра вода с 60°C, за да се получи вода с 40°C. Колко вода е добавена?
754. Каква ще бъде температурата на сместа, ако 600 g вода с температура 80°C се смесят с 200 g вода с температура 20°C?
755. Един литър вода с температура 90°C се излива във вода с температура 10°C и температурата на водата става 60°C. Колко беше студена вода?
756. Определете колко да излеете в съд топла вода, загрята до 60 ° C, ако съдът вече съдържа 20 литра студена вода с температура 15 ° C; температурата на сместа трябва да бъде 40 °C.
757. Определете колко топлина е необходима за загряване на 425 g вода с 20 °C.
758. Колко градуса ще се загреят 5 kg вода, ако водата получи 167,2 kJ?
759. Колко топлина е необходима за загряване на m грама вода от температура t1 до температура t2?
760. В калориметъра се наливат 2 kg вода с температура 15 °C. До каква температура ще се загрее водата в калориметъра, ако в нея се спусне месингова тежест от 500 g, нагрята до 100 °C? Специфичният топлинен капацитет на месинга е 0,37 kJ/(kg °C).
761. Има парчета мед, калай и алуминий с еднакъв обем. Кое от тези парчета има най-голям и кое най-малък топлинен капацитет?
762. В калориметъра са наляти 450 g вода с температура 20 °C. Когато 200 g железни стружки, загряти до 100°C, се потопят в тази вода, температурата на водата става 24°C. Определете специфичния топлинен капацитет на дървените стърготини.
763. Меден калориметър с тегло 100 g съдържа 738 g вода, чиято температура е 15 °C. 200 g мед се спускат в този калориметър при температура 100 °C, след което температурата на калориметъра се повишава до 17 °C. Какъв е специфичният топлинен капацитет на медта?
764. Стоманена топка с тегло 10 g се изважда от пещта и се спуска във вода с температура 10 °C. Температурата на водата се повиши до 25°C. Каква е била температурата на топката във фурната, ако масата на водата е 50 g? Специфичният топлинен капацитет на стоманата е 0,5 kJ/(kg °C).
770. Стоманено длето с тегло 2 kg се нагрява до температура 800 °C и след това се спуска в съд, съдържащ 15 литра вода с температура 10 °C. До каква температура ще се загрее водата в съда?
(Индикация. За да се реши този проблем, е необходимо да се създаде уравнение, в което желаната температура на водата в съда след спускане на ножа се приема за неизвестно.)
771. Каква температура ще получи водата, ако смесите 0,02 kg вода при 15 °C, 0,03 kg вода при 25 °C и 0,01 kg вода при 60 °C?
772. Отоплението на добре вентилиран клас изисква количество топлина от 4,19 MJ на час. Водата влиза в радиаторите при 80°C и излиза при 72°C. Колко вода трябва да се подава към радиаторите на всеки час?
773. Олово с тегло 0,1 kg при температура 100 °C е потопено в алуминиев калориметър с тегло 0,04 kg, съдържащ 0,24 kg вода при температура 15 °C. След това в калориметъра се установява температура от 16 °C. Какъв е специфичният топлинен капацитет на оловото?