Количество топлина: концепция, изчисления, приложение

Фокусът на нашата статия е количеството топлина. Разглеждаме концепцията за вътрешната енергия, която се трансформира чрез промяна на тази стойност. Също така ще покажем някои примери за използването на изчисления в човешката дейност.

топлина

С всяка дума на родния език, всеки човек има свои собствени асоциации. Те се определят от личен опит и ирационални чувства. Какво обикновено означава думата “топлина”? Меко одеяло, работеща батерия за централно отопление през зимата, първата слънчева светлина през пролетта, котка. Или погледът на майката, утешителното слово на приятел, вниманието, показано във времето.

Физиците имат предвид този доста конкретен термин. И много важно, особено в някои части на тази сложна, но завладяваща наука.

термодинамика

Помислете за количеството топлина в изолация от най-простите процеси, които разчитат закон за запазване на енергията не си струва - нищо няма да е ясно. Ето защо, да започнем с това, нека напомним на читателите им.

Термодинамиката разглежда всяко нещо или обект като съединение 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 едно цяло, когато макропараметрите се променят. При последното се отнася до температурата (означена като Т), налягането (Р), концентрацията на компонентите (обикновено С).

Вътрешна енергия

Вътрешна енергия - доста сложен термин, в смисъл на който си струва да се разбере преди да се говори за количеството топлина. Означава енергията, която се променя с нарастваща или намаляваща стойност на макропараметрите на обекта и не зависи от референтната система. Тя е част от общата енергия. Съответства, когато център на масата изследваният обект е в покой (т.е. няма кинетична компонента).

Когато човек чувства, че даден обект (например велосипед) е станал горещ или студен, това показва, че всички молекули и атоми, които изграждат тази система, са претърпели промяна във вътрешната енергия. Непроменената температура обаче не означава запазване на този показател.

Работа и топлина

Вътрешна енергия всяка термодинамична система може да се конвертира по два начина:

• като вършат работа по него;
• при топлообмен с околната среда.

Формулата за този процес е:

dU = QA, където U е вътрешна енергия, Q е топлина, а A е работа.

Нека читателят не бъде съблазнен от простотата на изразяване. Пермутацията показва, че Q = dU + A, но въвеждането на ентропия (S) води формулата до формата dQ = dSxT.

Тъй като в този случай уравнението е под формата на диференциално, първото изражение изисква същото. Освен това, в зависимост от силите, действащи в разглеждания обект и изчисления параметър, се получава желаното съотношение.

Вземете металната топка като пример за термодинамичната система. Ако го притиснете, хвърлете го, хвърлете го в дълбок кладенец, това означава да го свършите. Отвън всички тези безвредни действия няма да причинят никаква вреда на топката, но нейната вътрешна енергия ще се промени, макар и много леко.

Вторият метод е топлообмен. Сега стигаме до основната цел на тази статия: описанието на количеството топлина. Това е промяната във вътрешната енергия на термодинамичната система, която възниква при пренос на топлина (виж формулата по-горе). Измерва се в джаули или калории. Очевидно, ако държите балона върху запалка, на слънце или само в топла ръка, той ще се нагрее. И тогава можете да промените температурата, за да намерите количеството топлина, което той е съобщил по същото време.

Защо газът е най-добрият пример за промяна на вътрешната енергия и защо поради това учениците не харесват физиката

По-горе сме описали промените в термодинамичните параметри на металната топка. Без специални устройства, те не са много забележими и читателят е оставен да повярва на дума за процесите, протичащи с обекта. Друго нещо, ако системата - газ. Натиснете върху него - ще се види, нагряването - налягането ще се повиши, ще го спуснете под земята - и това лесно може да бъде фиксирано. Затова в учебниците най-често газът се приема като визуална термодинамична система.

Но, уви, в съвременното образование не се обръща голямо внимание на реалните експерименти. Ученият, който пише методическото ръководство, напълно разбира какво е заложено на карта. Струва му се, че използвайки примера на газовите молекули, всички термодинамични параметри ще бъдат правилно демонстрирани. Но студент, който просто открива този свят, е отегчен да слуша идеалната колба с теоретично бутало. Ако съществуват реални изследователски лаборатории в училището и часовете са разпределени за работа, всичко ще бъде различно. Засега, за съжаление, експериментите са само на хартия. И най-вероятно това е причината хората да разглеждат тази част от физиката като нещо чисто теоретично, далеч от живота и ненужно.

Пример за промяна на термодинамичните параметри

Затова решихме да цитираме вече споменатия по-горе велосипед като пример. Човек натиска педалите - прави работата по тях. В допълнение към разкриването на целия механизъм на въртящия момент (благодарение на който велосипедът се движи в пространството), вътрешната енергия на материалите, от които се правят лостовете, се променя. Велосипедистът щраква върху дръжките, за да се върти - и отново върши работата.

Вътрешната енергия на външното покритие (пластмаса или метал) се увеличава. Човек отива на поляната под яркото слънце - моторът се загрява, количеството му топлина се променя. Спира в сянката на един стар дъб и системата се охлажда, губи калории или джаули. Увеличава скоростта - обменът на енергия расте. Изчисляването на количеството топлина във всички тези случаи обаче ще покаже много малка, незабележима стойност. Затова изглежда, че в реалния живот няма прояви на термодинамична физика.

Прилагане на изчисления за промяна на количеството топлина

Вероятно читателят ще каже, че всичко това е много информативно, но защо сме толкова мъчени в училище с тези формули. И сега ще дадем примери, в кои области на човешката дейност те са необходими директно и как тя се прилага за всеки в ежедневието му.

Първо се огледайте и пребройте: колко метални обекта ви заобикалят? Със сигурност повече от десет. Но преди да се превърне в клип, кола, пръстен или флаш устройство, всеки метал се топи. Всяко растение, което се преработва, например, желязна руда, трябва да разберат колко гориво се изисква за оптимизиране на разходите. И като разчитаме на това, е необходимо да знаем топлинния капацитет на металосъдържащата суровина и количеството топлина, от което се нуждае, за да комуникира с всички технологични процеси. Тъй като енергията, отделена от единица гориво, се изчислява в джаули или калории, формулите са необходими директно.

Или друг пример: в повечето супермаркети има отдел със замразени стоки - риба, месо, плодове. Когато суровините от месо от животни или морски дарове се превръщат в полуготови продукти, те трябва да знаят колко електрически хладилници и фризери на тон или единица краен продукт ще консумират. За да направите това, изчислете колко топлина губи килограм ягоди или калмари при охлаждане с един градус по Целзий. Но накрая ще покаже колко електроенергия харчи фризера на определена сила.

Самолети, параходи, влакове

По-горе сме показали примери за относително фиксирани статични обекти, които се отчитат или от които, напротив, отнемат определено количество топлина. За обекти, които се движат в условия на постоянно променяща се температура, изчисленията на количеството топлина са важни по друга причина.

Има нещо като "метална умора". Тя включва и максимално допустимите натоварвания при определена скорост на промяна на температурата. Представете си самолет, който излита от влажните тропици до замръзналите горни слоеве на атмосферата. Инженерите трябва да работят много, така че да не се разпадат поради пукнатини в метала, които се появяват, когато температурата падне. Те търсят състав от сплав, който може да издържи на реални натоварвания и ще има голяма граница на безопасност. И за да не изглежда сляпо, надявайки се случайно да се натъкне на желания състав, трябва да се направят много изчисления, включително и промени в количеството топлина.