Жылу мөлшері туралы түсінік қазіргі физиканың дамуының алғашқы кезеңдерінде, материяның ішкі құрылысы, энергияның не екенін, табиғатта энергияның қандай түрлері бар және энергияның пішіні туралы нақты түсініктер болмаған кезде қалыптасты. материяның қозғалысы мен түрленуі.
Жылу мөлшері деп жылу алмасу процесінде материалдық денеге берілетін энергияға эквивалентті физикалық шама түсініледі.
Жылудың ескірген бірлігі - бұл 4,2 Дж-ға тең калория;
Бастапқыда жылу энергиясын тасымалдаушы сұйық қасиеттері бар қандай да бір мүлдем салмақсыз орта болды деп есептелді. Осы алғышарт негізінде жылу алмасудың көптеген физикалық мәселелері шешілді және шешілуде. Гипотетикалық калорияның болуы көптеген дұрыс конструкцияларға негіз болды. Калория қыздыру және салқындату, балқу және кристалдану құбылыстарында бөлінеді және сіңіріледі деп есептелді. Дұрыс емес физикалық түсініктер негізінде жылу алмасу процестерінің дұрыс теңдеулері алынды. Белгілі заң бар, оған сәйкес жылу мөлшері жылу алмасуға қатысатын дененің массасына және температура градиентіне тура пропорционал:
Мұндағы Q – жылу мөлшері, m – дене массасы, ал коэффициент бірге– меншікті жылусыйымдылық деп аталатын шама. Меншікті жылу сыйымдылығы – процеске қатысатын заттың сипаттамасы.
Термодинамикадағы жұмыс
Жылу процестерінің нәтижесінде таза механикалық жұмыстарды орындауға болады. Мысалы, газ қызған кезде оның көлемін арттырады. Төмендегі суреттегідей жағдайды алайық:
Бұл жағдайда механикалық жұмыс поршеньге газ қысымының күшінің қысым астында поршень жүріп өткен жолға көбейтіндісіне тең болады. Әрине, бұл ең қарапайым жағдай. Бірақ оның өзінде бір қиындықты байқауға болады: қысым күші газдың көлеміне байланысты болады, яғни біз тұрақтылармен емес, айнымалы шамалармен айналысамыз. Барлық үш айнымалы мән: қысым, температура және көлем бір-бірімен байланысты болғандықтан, жұмысты есептеу айтарлықтай күрделене түседі. Кейбір идеалды, шексіз баяу процестер бар: изобарлық, изотермиялық, адиабаттық және изохоралық - олар үшін мұндай есептеулерді салыстырмалы түрде қарапайым орындауға болады. Қысымның көлемге қарсы графигі сызылып, жұмыс пішіннің интегралы ретінде есептеледі.
Дененің ішкі энергиясы сыртқы күштердің жұмысына байланысты өзгеруі мүмкін. Жылу алмасу кезінде ішкі энергияның өзгеруін сипаттау үшін жылу мөлшері деп аталатын және Q деп белгіленген шама енгізіледі.
Халықаралық жүйеде жылудың, сондай-ақ жұмыс пен энергияның өлшем бірлігі джоуль: = = = 1 Дж.
Практикада кейде жылу мөлшерінің жүйелік емес бірлігі – калория қолданылады. 1 кал. = 4,2 Дж.
Айта кету керек, «жылу мөлшері» термині өкінішті. Ол денелерде салмақсыз, қол жетпес сұйықтық - калория бар деп есептелген уақытта енгізілді. Жылу алмасу процесі бір денеден екінші денеге ағып жатқан калория өзімен бірге белгілі бір жылу мөлшерін тасымалдайтындығынан тұрады. Енді зат құрылымының молекулалық-кинетикалық теориясының негіздерін біле отырып, денелерде калория жоқ екенін, дененің ішкі энергиясын өзгерту механизмі басқаша екенін түсінеміз. Дегенмен, дәстүрдің құдіреті зор және біз жылудың табиғаты туралы қате пікірлер негізінде енгізілген терминді қолданамыз. Сонымен қатар, жылу берудің табиғатын түсіне отырып, ол туралы қате түсініктерді толығымен елемеуге болмайды. Керісінше, жылу ағыны мен гипотетикалық калориялық сұйықтықтың ағыны, жылу мөлшері мен калория мөлшері арасындағы ұқсастықты құру арқылы есептердің белгілі бір кластарын шешу кезінде жүріп жатқан процестерді елестетуге және дұрыс көруге болады. мәселелерді шешу. Ақыр соңында, жылу тасымалдағыш ретінде калория туралы дұрыс емес идеялар негізінде жылу алмасу процестерін сипаттайтын дұрыс теңдеулер алынды.
Жылу алмасу нәтижесінде болуы мүмкін процестерді толығырақ қарастырайық.
Пробиркаға аздап су құйып, оны тығынмен жабыңыз. Пробирканы тұғырға бекітілген таяқшаға іліп, астына ашық отты қоямыз. Пробирка жалыннан белгілі мөлшерде жылу алады және ондағы сұйықтықтың температурасы көтеріледі. Температура жоғарылаған сайын сұйықтықтың ішкі энергиясы артады. Интенсивті булану процесі жүреді. Кеңейтетін сұйық булары тығынды пробиркадан шығару үшін механикалық жұмыстарды орындайды.
Арбаға орнатылған жез түтіктен жасалған зеңбіректің үлгісімен тағы бір тәжірибе жүргізейік. Бір жағынан түтік эбонит тығынымен тығыз жабылады, ол арқылы түйреуіш өткізіледі. Сымдар түйреуіш пен түтікке дәнекерленген, олар кернеуді жарықтандыру желісінен беруге болатын терминалдармен аяқталады. Зеңбірек үлгісі осылайша электр қазандығының бір түрі болып табылады.
 |
Зеңбірек оқпанына аздап су құйып, түтікті резеңке тығынмен жабыңыз. Мылтықты қуат көзіне қосайық. Су арқылы өтетін электр тогы оны қыздырады. Су қайнайды, бұл қарқынды будың пайда болуына әкеледі. Су буының қысымы артады және ақырында, олар тығынды зеңбірек ұңғысынан шығару жұмысын жасайды.
Мылтық кері айналу салдарынан тығынның шығарылуына қарама-қарсы бағытта қозғалады.
Екі тәжірибені де келесі жағдайлар біріктіреді. Сұйықтықты әртүрлі тәсілдермен қыздыру процесінде сұйықтықтың температурасы және сәйкесінше оның ішкі энергиясы өсті. Сұйықтықтың қайнауы және қарқынды булануы үшін оны қыздыруды жалғастыру қажет болды.
Сұйық булар ішкі энергиясының арқасында механикалық жұмыс атқарды.
 |
Денені қыздыруға қажетті жылу мөлшерінің оның массасына, температураның өзгеруіне және зат түріне тәуелділігін зерттейміз. Бұл тәуелділіктерді зерттеу үшін су мен майды пайдаланамыз. (Тәжірибеде температураны өлшеу үшін айна гальванометріне жалғанған термопардан жасалған электрлік термометр қолданылады. Бір термопара өткелі оның тұрақты температурасын қамтамасыз ету үшін суық суы бар ыдысқа түсіріледі. Екінші термопара өткелі сұйықтықтың температурасын өлшейді. зерттелуде).
Тәжірибе үш сериядан тұрады. Бірінші қатарда белгілі бір сұйықтықтың тұрақты массасы үшін (біздің жағдайда су) оны қыздыруға қажетті жылу мөлшерінің температураның өзгеруіне тәуелділігі зерттеледі. Қыздырғыштан (электр плитасынан) сұйықтық алатын жылу мөлшерін олардың арасында тура пропорционалды байланыс бар деп есептей отырып, қыздыру уақыты бойынша бағалаймыз. Тәжірибе нәтижесі осы болжамға сәйкес келуі үшін электр плитасынан қыздырылған денеге стационарлық жылу ағынын қамтамасыз ету қажет. Ол үшін электр плитасы тәжірибенің басына қарай оның бетінің температурасының өзгеруін тоқтататындай етіп алдын ала розеткаға қосылды. Тәжірибе кезінде сұйықтықты біркелкі қыздыру үшін біз оны термопардың өзін пайдаланып араластырамыз. Термометр көрсеткіштерін жарық нүктесі шкаланың шетіне жеткенше тұрақты аралықпен жазып аламыз.
Қорытынды жасайық: денені қыздыру үшін қажетті жылу мөлшері мен оның температурасының өзгеруі арасында тура пропорционалды тәуелділік бар.
Тәжірибелердің екінші сериясында массалары әртүрлі бірдей сұйықтықтарды олардың температурасы бірдей шамаға өзгергенде қыздыру үшін қажетті жылу мөлшерін салыстырамыз.
Алынған мәндерді салыстыруға ыңғайлы болу үшін екінші тәжірибеге арналған судың массасы бірінші тәжірибеден екі есе аз алынады.
Біз термометр көрсеткіштерін тұрақты аралықпен қайтадан жазып аламыз.
Бірінші және екінші эксперимент нәтижелерін салыстыра отырып, келесі қорытынды жасауға болады.
Тәжірибелердің үшінші сериясында әртүрлі сұйықтардың температурасы бірдей шамаға өзгергенде олардың массалары бірдей қыздыру үшін қажетті жылу мөлшерін салыстырамыз.
Майды электр плитасында қыздырамыз, оның массасы бірінші тәжірибедегі судың массасына тең. Біз термометр көрсеткіштерін белгілі бір уақыт аралығында жазып аламыз.
Тәжірибе нәтижесі денені қыздыру үшін қажетті жылу мөлшері оның температурасының өзгеруіне тура пропорционал деген тұжырымды растайды және бұдан басқа бұл жылу мөлшерінің зат түріне тәуелділігін көрсетеді.
Тәжірибеде тығыздығы судың тығыздығынан аз мұнай пайдаланылғандықтан және майды белгілі бір температураға дейін қыздыру суды қыздырғаннан аз жылуды қажет ететіндіктен, денені қыздыруға қажетті жылу мөлшері оның тығыздығы.
Бұл болжамды тексеру үшін біз бір уақытта судың, парафиннің және мыстың тең массасын тұрақты қуатты қыздырғышта қыздырамыз.
Осы уақыттан кейін мыстың температурасы шамамен 10 есе, ал парафин судың температурасынан шамамен 2 есе жоғары.
Бірақ мыстың тығыздығы жоғары, ал парафиннің тығыздығы суға қарағанда төмен.
Тәжірибе көрсеткендей, жылу алмасуға қатысатын денелер түзілетін заттардың температурасының өзгеру жылдамдығын сипаттайтын шама тығыздық емес. Бұл шама заттың меншікті жылу сыйымдылығы деп аталады және оны с әрпімен белгілейді.
 |
Әртүрлі заттардың меншікті жылу сыйымдылықтарын салыстыру үшін арнайы құрылғы қолданылады. Құрылғы жұқа парафиндік пластина және ол арқылы өтетін өзектері бар жолақ бекітілген сөрелерден тұрады. Шыбықтардың ұштарында массасы бірдей алюминий, болат және жез цилиндрлер бекітіледі.
Цилиндрлерді ыстық пеште тұрған суы бар ыдысқа салып, бірдей температураға дейін қыздырайық. Біз ыстық цилиндрлерді тіректерге бекітіп, оларды бекітуден босатамыз. Цилиндрлер бір уақытта парафиндік пластинаға тиіп, парафинді балқытып, оған батып кете бастайды. Массасы бірдей цилиндрлерді парафиндік пластинкаға батыру тереңдігі, олардың температурасы бірдей шамаға өзгергенде, әртүрлі болып шығады.
Тәжірибе көрсеткендей, алюминий, болат және жездің меншікті жылу сыйымдылықтары әртүрлі.
Қатты заттардың балқуы, сұйықтардың булануы, отынның жануы бойынша тиісті тәжірибелер жүргізіп, келесі сандық тәуелділіктерді аламыз.
Нақты шамалардың бірліктерін алу үшін оларды сәйкес формулалардан өрнектеп, алынған өрнектерге жылу бірліктерін – 1 Дж, масса – 1 кг, ал меншікті жылу сыйымдылығын – 1 К ауыстыру керек.
Мына өлшем бірліктерін аламыз: меншікті жылу сыйымдылығы – 1 Дж/кг·К, басқа меншікті жылу мөлшері: 1 Дж/кг.
(немесе жылу беру).
Заттың меншікті жылу сыйымдылығы.
Жылу сыйымдылығы- бұл денені 1 градусқа қыздырғанда сіңіретін жылу мөлшері.
Дененің жылу сыйымдылығы латынның бас әріпімен белгіленеді МЕН.
Дененің жылу сыйымдылығы неге тәуелді? Ең алдымен, оның массасынан. Мысалы, 1 килограмм суды жылыту үшін 200 грамм қыздырудан гөрі көбірек жылу қажет болатыны анық.
Заттың түрі туралы не деуге болады? Эксперимент жасайық. Екі бірдей ыдысты алайық және олардың біреуіне салмағы 400 г суды, екіншісіне салмағы 400 г өсімдік майын құйып, біз оларды бірдей қыздырғыштармен қыздыруды бастаймыз. Термометр көрсеткіштерін бақылай отырып, біз майдың тез қызып кететінін көреміз. Су мен майды бірдей температураға дейін қыздыру үшін суды ұзағырақ қыздыру керек. Бірақ суды неғұрлым ұзақ қыздырсақ, ол қыздырғыштан соғұрлым көп жылу алады.
Сонымен, әртүрлі заттардың бірдей массасын бірдей температураға дейін қыздыру үшін әртүрлі мөлшердегі жылу қажет. Денені қыздыруға қажетті жылу мөлшері, демек, оның жылу сыйымдылығы дененің құрамына кіретін заттың түріне байланысты.
Мысалы, салмағы 1 кг судың температурасын 1°С-қа арттыру үшін 4200 Дж-қа тең жылу мөлшері қажет, ал күнбағыс майының бірдей массасын 1°С-қа қыздыру үшін мынаған тең жылу мөлшері қажет. 1700 Дж қажет.
1 кг затты 1ºС қыздыру үшін қанша жылу қажет екенін көрсететін физикалық шама деп аталады. меншікті жылу сыйымдылығыосы заттан.
Әрбір заттың өзіндік жылу сыйымдылығы бар, ол латынның c әрпімен белгіленеді және килограмм градусқа джоульмен өлшенеді (Дж/(кг °С)).
Бір заттың әртүрлі агрегаттық күйдегі (қатты, сұйық және газ тәрізді) меншікті жылу сыйымдылығы әртүрлі. Мысалы, судың меншікті жылу сыйымдылығы 4200 Дж/(кг °С), ал мұздың меншікті жылу сыйымдылығы 2100 Дж/(кг °С); қатты күйдегі алюминийдің меншікті жылу сыйымдылығы 920 Дж/(кг - °С), ал сұйық күйінде - 1080 Дж/(кг - °С) болады.
Судың меншікті жылу сыйымдылығы өте жоғары екенін ескеріңіз. Сондықтан теңіздер мен мұхиттардағы су жазда қызған кезде ауадан жылуды көп сіңіреді. Осының арқасында үлкен су қоймаларының жанында орналасқан жерлерде жаз судан алыс жерлердегідей ыстық емес.
Денені қыздыруға қажетті немесе салқындату кезінде бөлетін жылу мөлшерін есептеу.
Жоғарыда айтылғандардан денені қыздыру үшін қажетті жылу мөлшері дененің қандай заттан тұратынына (яғни оның меншікті жылу сыйымдылығына) және дененің массасына байланысты екені анық. Сондай-ақ, жылу мөлшері дене температурасын қанша градусқа көтеретінімізге байланысты екені анық.
Сонымен, денені қыздыруға қажетті немесе салқындату кезінде бөлетін жылу мөлшерін анықтау үшін дененің меншікті жылу сыйымдылығын оның массасына және оның соңғы және бастапқы температураларының айырмашылығына көбейту керек:
Q = см (т 2 - т 1 ) ,
Қайда Q- жылу мөлшері, в- меншікті жылу сыйымдылығы; м- дене салмағы, т 1 - бастапқы температура; т 2 - соңғы температура.
Дене қызған кезде t 2 > т 1 және сондықтан Q > 0 . Дене салқындаған кезде t 2i< т 1 және сондықтан Q< 0 .
Егер бүкіл дененің жылу сыйымдылығы белгілі болса МЕН, Qформуламен анықталады:
Q = C (t 2 - т 1 ) .
Жұмысты орындау арқылы ішкі энергияның өзгеруі жұмыс көлемімен сипатталады, яғни. жұмыс – берілген процестегі ішкі энергияның өзгеруінің өлшемі. Жылу алмасу кезінде дененің ішкі энергиясының өзгеруі жылу мөлшері деп аталатын шамамен сипатталады.
жұмысты орындамай жылу беру процесі кезінде дененің ішкі энергиясының өзгеруі. Жылу мөлшері әріппен көрсетіледі Q .
Жұмыс, ішкі энергия және жылу бірдей өлшем бірліктермен өлшенеді - джоуль ( Дж), энергияның кез келген түрі сияқты.
Жылулық өлшемдерде бұрын жылу мөлшерінің бірлігі ретінде арнайы энергия бірлігі пайдаланылды - калория ( нәжіс), тең 1 грамм суды Цельсий бойынша 1 градусқа қыздыру үшін қажет жылу мөлшері (дәлірек айтқанда, 19,5-тен 20,5 ° C-қа дейін). Бұл бірлік, атап айтқанда, қазіргі уақытта көп пәтерлі үйлерде жылу тұтынуды (жылу энергиясын) есептеу кезінде қолданылады. Жылудың механикалық эквиваленті эксперименталды түрде анықталды - калория мен джоуль арасындағы байланыс: 1 кал = 4,2 Дж.
Дененің белгілі бір мөлшерін жұмыс істемей бергенде оның ішкі энергиясы жоғарылайды, егер дене белгілі бір мөлшерде жылу бөлсе, онда оның ішкі энергиясы азаяды;
Екі бірдей ыдысқа 100 г суды, біреуіне және екіншісіне 400 г бірдей температурада құйып, оларды бірдей оттықтарға қойсаңыз, онда бірінші ыдыстағы су ертерек қайнатылады. Осылайша, дене массасы неғұрлым көп болса, соғұрлым оны қыздыру үшін қажет жылу мөлшері көп болады. Салқындатумен бірдей.
Денені қыздыру үшін қажетті жылу мөлшері дененің қандай заттан жасалғанына да байланысты. Денені қыздыруға қажетті жылу мөлшерінің зат түріне тәуелділігі физикалық шамамен сипатталады. меншікті жылу сыйымдылығы заттар.
1 кг затты 1 °C (немесе 1 К) қыздыру үшін оны беру керек жылу мөлшеріне тең физикалық шама. 1 кг зат 1 °С салқындаған кезде бірдей мөлшерде жылу бөледі.
Меншікті жылу сыйымдылығы әріппен белгіленеді бірге. Меншікті жылу сыйымдылығының өлшем бірлігі 1 Дж/кг °Cнемесе 1 Дж/кг °К.
Заттардың меншікті жылу сыйымдылығы тәжірибе арқылы анықталады. Сұйықтардың металдарға қарағанда меншікті жылу сыйымдылығы жоғары; Судың меншікті жылуы ең жоғары, алтынның меншікті жылуы өте аз.
Жылу мөлшері дененің ішкі энергиясының өзгеруіне тең болғандықтан, меншікті жылу сыйымдылығы ішкі энергияның қаншалықты өзгеретінін көрсетеді деп айта аламыз. 1 кгзат температурасы өзгергенде 1 °C. Атап айтқанда, 1 кг қорғасынның ішкі энергиясы 1 °С қыздырғанда 140 Дж артады, ал салқындаған кезде 140 Дж кемиді.
Qмассасы бар денені қыздыру үшін қажет мтемпература бойынша t 1 °Стемператураға дейін t 2 °С, заттың меншікті жылу сыйымдылығының, дене массасының және соңғы және бастапқы температуралардың айырмасының көбейтіндісіне тең, яғни.Q = c ∙ m (t 2 - t 1)
Дәл осы формула дененің салқындату кезінде бөлетін жылу мөлшерін есептеу үшін қолданылады. Тек осы жағдайда бастапқы температурадан соңғы температураны алып тастау керек, яғни. Үлкен температурадан кіші температураны алып тастаңыз.
Бұл тақырыптың қысқаша мазмұны «Жылу мөлшері. Меншікті жылу». Келесі әрекетті таңдаңыз:
- Келесі қорытындыға өтіңіз:
Пеште не тез қызады - шәйнек немесе шелек су? Жауабы анық – шәйнек. Сонда екінші сұрақ неге?
Жауап кем емес анық - өйткені шәйнектегі судың массасы аз. Тамаша. Ал енді сіз үйде отырып-ақ нақты физикалық тәжірибе жасай аласыз. Мұны істеу үшін сізге екі бірдей кішкентай кастрюль, бірдей мөлшерде су мен өсімдік майы қажет, мысалы, әрқайсысы жарты литрден және пеш. Май мен су құйылған кәстрөлдерді бірдей отқа қойыңыз. Енді ненің тезірек қызатынын қараңыз. Егер сізде сұйықтықтарға арналған термометр болса, оны қолдануға болады, егер жоқ болса, температураны мезгіл-мезгіл саусағыңызбен тексере аласыз, тек күйіп кетпеу үшін абай болыңыз. Қалай болғанда да, жақын арада майдың суға қарағанда әлдеқайда жылдам қызатынын көресіз. Тағы бір сұрақ, оны тәжірибе түрінде де жүзеге асыруға болады. Не тезірек қайнатылады - жылы су немесе суық? Тағы да бәрі анық болды - жылысы мәре сызығында бірінші болады. Неліктен осы оғаш сұрақтар мен эксперименттер? «Жылу мөлшері» деп аталатын физикалық шаманы анықтау.
Жылу мөлшері
Жылу мөлшері - дененің жылу беру кезінде жоғалтатын немесе алатын энергиясы. Бұл атаудан анық көрінеді. Салқындаған кезде дене белгілі бір мөлшерде жылуды жоғалтады, ал қыздырғанда ол сіңіреді. Ал сұрақтарымызға жауаптар бізге көрсетті Жылу мөлшері неге тәуелді?Біріншіден, дененің массасы неғұрлым көп болса, оның температурасын бір градусқа өзгертуге жұмсалатын жылу мөлшері соғұрлым көп болады. Екіншіден, денені қыздыруға қажетті жылу мөлшері оның құрамынан тұратын затқа, яғни заттың түріне байланысты. Үшіншіден, жылу беруден бұрын және одан кейінгі дене температурасының айырмашылығы да біздің есептеулеріміз үшін маңызды. Жоғарыда айтылғандарға сүйене отырып, біз жасай аламыз формула бойынша жылу мөлшерін анықтаңыз:
Q=см(t_2-t_1) ,
мұндағы Q – жылу мөлшері,
м - дене салмағы,
(t_2-t_1) - бастапқы және соңғы дене температурасының айырмашылығы,
с – заттың меншікті жылу сыйымдылығы, сәйкес кестелерден табылған.
Бұл формуланы пайдалана отырып, кез келген денені қыздыру үшін қажет немесе бұл дене салқындаған кезде бөлетін жылу мөлшерін есептей аласыз.
Жылу мөлшері кез келген энергия түрі сияқты джоульмен (1 Дж) өлшенеді. Дегенмен, бұл шаманың енгізілгеніне көп уақыт болған жоқ және адамдар жылу мөлшерін әлдеқайда ертерек өлшей бастады. Және олар біздің уақытымызда кеңінен қолданылатын бірлікті пайдаланды - калория (1 кал). 1 калория - 1 грамм суды Цельсий бойынша 1 градусқа қыздыру үшін қажет жылу мөлшері. Осы деректерді басшылыққа ала отырып, жейтін тағамның калориясын санауды ұнататындар тек көңіл көтеру үшін күні бойы тамақпен бірге тұтынатын энергиямен қанша литр су қайнатуға болатынын есептей алады.