Андрей Смирнов
Время чтения: ~21 мин.
Просмотров: 1

Теплота

Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества

Количество теплоты – это скалярная физическая величина, равная энергии, которую тело получило или отдало при теплопередаче.

Обозначение – ​\( Q \)​, в СИ единица измерения – Дж.

Удельная теплоемкость – это скалярная физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое тело массой 1 кг получает или отдает при изменении его температуры на 1 К.

Обозначение – ​\( c \)​, в СИ единица измерения – Дж/(кг·К).

Удельная теплоемкость определяется не только свойствами вещества, но и тем, в каком процессе осуществляется теплопередача. Поэтому выделяют удельную теплоемкость газа при постоянном давлении – ​\( c_P \)​ и удельную теплоемкость газа при постоянном объеме – ​\( c_V \)​. Для нагревания газа на 1 К при постоянном давлении требуется большее количество теплоты, чем при постоянном объеме – ​\( c_P > c_V \)​.

Формула для вычисления количества теплоты, которое получает тело при нагревании или отдает при охлаждении:

где ​\( m \)​ – масса тела, ​\( c \)​ – удельная теплоемкость, ​\( T_2 \)​ – конечная температура тела, ​\( T_1 \)​ – начальная температура тела.

Важно!
При решении задач на расчет количества теплоты при нагревании или охлаждении можно не переводить температуру в кельвины. Так как 1К=1°С, то​\( \Delta T=\Delta t \)​

Теплопоступления от электрических печей.

Эти теплопоступления рассчитывают как долю от установочной электрической мощности Nуст., указываемой в каталоге (иногда эту величину называют «мощность холостого хода»).

Максимальные теплопоступления имеют место от прогретой, находящейся в режиме стационарной теплопередачи, печи. В этот период электрическая мощность будет расходоваться на восполнение тепловых потерь печи и, именно её назвали мощностью холостого хода.

Для определения тепловыделений в помещение от электрических печей существует несколько способов:

по мощности холостого хода Nxx, кВт

Qэлектрических печей = 1000 Nx.x., Вт;

по доле П% от номинальной электрической мощности печи, расходуемой на тепловые потери печью:

Qэлектрических печей = 1000 (П/100)Nуст, Вт.

Если указанные величины неизвестны, ориентировочно теплопоступления можно определить по назначению печи.

Далее в таблице указаны значения величин тепловыделений в Вт на 1 кВт установочной мощности для печей различного назначения.

Тип электрической печиЗначение α
Камерные, шахтные, методические 200
Колокольные 130
Муфельные 150
Печи-ванные 400
Печи, без указания типа 250

Теплопоступления определяют как:

Qэлектрических печей = α × Nуст, кВт

где: Nуст – установочная электрическая мощность печи,  кВт.

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия – это физическая величина, равная сумме кинетической энергии теплового движения частиц тела и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

Обозначение – ​\( U \)​, в СИ единица измерения – Джоуль (Дж).

В термодинамике внутренняя энергия зависит от температуры и объема тела.

Внутренняя энергия тел зависит от их температуры, массы и агрегатного состояния. С ростом температуры внутренняя энергия увеличивается. Наибольшая внутренняя энергия у вещества в газообразном состоянии, наименьшая – в твердом.

Внутренняя энергия идеального газа представляет собой только кинетическую энергию теплового движения его частиц; потенциальная энергия взаимодействия частиц равна нулю.

Внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его температуре, а от объема не зависит (молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом):

где ​\( i \)​ – коэффициент, равный числу степеней свободы молекулы, ​\( \nu \)​ – количество вещества, ​\( R \)​ – универсальная газовая постоянная, ​\( T \)​ – абсолютная температура.

Число степеней свободы равно числу возможных движений частицы.

Важно!
Для одноатомных газов коэффициент ​\( i \)​ = 3, для двухатомных газов ​\( i \)​ = 5. На практике часто важно уметь находить изменение внутренней энергии:

На практике часто важно уметь находить изменение внутренней энергии:

При решении задач можно записать формулу для вычисления внутренней энергии, используя уравнение Менделеева–Клапейрона:

где ​\( p \)​ – давление, ​\( V \)​ – объем газа.

Внутренняя энергия реальных газов зависит как от температуры, так и от объема.

Изменить внутреннюю энергию можно за счет изменения температуры (при теплопередаче) и за счет изменения давления и объема (при совершении работы).

Работа в термодинамике

Работа в термодинамике равна изменению внутренней энергии тела.

Обозначение работы газа – ​\( A’ \)​, единица измерения в СИ – джоуль (Дж). Обозначение работы внешних сил над газом – ​\( A \)​.

Работа газа ​\( A’ =-A \)​.

Работой расширения идеального газа называют работу, которую газ совершает против внешнего давления.

Работа газа положительна при расширении и отрицательна при его сжатии. Если объем газа не изменяется (изохорный процесс), то работы газ не совершает.

Графически работа газа может быть вычислена как площадь фигуры под графиком зависимости давления от объема в координатных осях ​\( (p,V) \)​, ограниченная графиком, осью ​\( V \)​ и перпендикулярами, проведенными из точек начального и конечного значений объема.

Формула для вычисления работы газа:

в изобарном процессе ​\( A’=p\cdot\Delta V. \)​

в изотермическом процессе \( A’=\frac{m}{M}RT\ln\frac{V_2}{V_1}. \)​

Что такое Гкал

Стоимость отопления важна для жителей многоэтажек с центральной подачей теплоносителя

Понятие гигакалория означает единицу измерения тепловой энергии в отоплении. Данная энергия в пределах помещения передается конвекционным способом от батарей на объекты, излучается в воздух. Калория представляет собой количество энергии, нужной, чтобы подогреть 1 г воды на 1 градус при атмосферном давлении.

Для расчетов тепловой энергии применяется другая единица – Гкал, равная 1 млрд калорий. В среднем расход тепла на 1 кв. м. в Гкал по РФ составляет 0,9342 Гкал/мес. Если перевести показатель в другие величины, 1 Гкал будет равна:

  • 1162,2 кВт/ч;
  • нагреву 1 тыс. тонн воды до +1 градуса.

Величина утверждена в 1995 году.

Особенности Гкал для жилых многоэтажек

Термостат позволяет контролировать поступление теплоносителя и температуру

Если многоквартирный тип зданий не оснащен общедомовым или индивидуальным счетчиком, тепловая энергия рассчитывается по площади помещений. Когда имеется прибор учета, горизонтальная или последовательная разводка трассы, жильцы самостоятельно определяют количество тепловой энергии. Для этого используются:

  • Дросселирование радиаторов. При ограничении проходимости снижается температура, и уменьшаются энергозатраты.
  • На обратке ставится общий термостат. Расход теплоносителя зависит от температуры в квартире. При малом расходе температура больше, при большом – меньше.

Индивидуальным счетчиком преимущественно оснащается квартира в новостройке.

Специфика Гкал для частного дома

Самым дешевым топливом в пересчете на гигакалории являются пеллеты

Материал, затрачиваемый на отопление, тариф определяет для частных построек. По усредненным данным, стоимость 1 Гкал равняется:

  • газ – природный 3,3 тыс. руб, сжиженный 520 руб.;
  • твердое топливо – уголь 550 руб., пеллеты 1,8 тыс. руб.;
  • дизель – 3270 руб.;
  • электричество – 4,3 тыс. руб.

Количество тепла

Большая калория (килограмм-калория) есть количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды при 15° на 1° С.
Практически большая калория = средней калории = 1/10 количества тепла, неодля нагревания 1 кг воды от 0° до 100° С.
Малая калория (грамм-калория) есть количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1° С., т. е. 1/1000 большой калории.

Английская тепловая единица (British Thermal Unit, В. Т. U.) есть количество тепла, необходимое для нагревания 1 англ. фунта воды на 1° Фаренгейта.1 В. Т. U. = 0,2520 больш. калории.

Во французской системе М — Т — S единицей количества тепла служит термин — количество тепла, необходимое для нагревания 1 тонны воды при 15° на 1° С.

В этой системе большая калория называется миллитермией, малая калория — микротермией.
В холодильной технике для измерения количества теряемого тепла применяется фригория, равная по абсолютной величине большой калории.

Теплота и работа эквивалентны. Значение одной единицы количества тепла в единицах работы называется механическим эквивалентом тепла. Значение одной единицы работы в тепловых единицах называется калорическим эквивалентом работы.

1 б. кал. = 4,186•1010 эргов = 426,9 килограммометрам = 4184 международн. джоулям = 3,968 В. Т. U.

1 англ. тепловая единица (В. Т. U.) = 0,2520 б. кал. = 778 фунто-футам (анг.) = 107,6 килограммометрам

Уравнение теплового баланса

Ключевые слова конспекта: количество теплоты, уравнение теплового баланса, закон сохранения энергии в тепловых процессах.

Для механических явлений при определённых условиях выполняется закон сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы тел сохраняется, если они взаимодействуют силами тяготения или упругости. Если действуют силы трения, то полная механическая энергия тел не сохраняется, часть её (или вся) превращается в их внутреннюю энергию.

При изменении состояния тела (системы) меняется его внутренняя энергия. Состояние тела и соответственно его внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: в процессе теплопередачи или путём совершения внешними силами работы над телом (работа, например, силы трения). Мерой изменения внутренней энергии тела в процессе теплообмена выступает количество теплоты (Q).

Уравнение теплового баланса

В изолированной системе при смешивании горячей и холодной воды, количество теплоты Q1, отданное горячей водой, равно количеству теплоты Q2, полученному холодной водой, т.е.: |Q1|= |Q2|.  Q1 (выделенное) < 0,  Q2 (полученное) > 0. 

Qотданное + Qполученное = 0

Записанное равенство называется уравнением теплового баланса (эта формула и уравнение, используемое в 8 классе!). Определение: суммарное количества теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе равно суммарному количеству теплоты, которое в этой системе поглощается.

Уравнение теплового баланса связывает количество теплоты, полученное одним телом, и количество теплоты, отданное другим телом при теплообмене. При этом в теплообмене могут участвовать не два тела, а три и более: Q1 + Q+ Q+ … = 0

Уравнение теплового баланса – это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах. Оно даёт возможность определить те или иные величины. В частности, значения удельной теплоёмкости веществ определяют из уравнения теплового баланса.

◊◊◊ Обратите внимание! В более старших классах используется следующее определение «уравнения теплового баланса»: Если в изолированной системе тел не происходит никаких превращений энергии кроме теплообмена, то количество теплоты, отданное телами, внутренняя энергия которых уменьшается, равно количеству теплоты, полученному телами, внутренняя энергия которых увеличивается. При этом суммарная энергия системы не изменяется«

А также используется другая формула уравнения (с учетом интегральной формы Первого начала термодинамики):

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Закон сохранения энергии в тепловых процессах выполняется при нагревании тел за счёт энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Топливо — это природный газ, дрова, уголь, нефть. При его сгорании происходит химическая реакция окисления — атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе, и образуется молекула оксида углерода (углекислого газа) С02. При этом выделяется энергия.

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива.

Конспект урока «Уравнение теплового баланса».

Следующая тема: «Испарение. Конденсация».

Удельная теплоемкость вещества

Это физическая величина, выражающая количество тепла, необходимое веществу на единицу массы для повышения температуры на одну единицу. 

Таким образом, удельная теплоёмкость является свойством вещества, поскольку его значение является репрезентативным для каждого вещества, каждое из которых, в свою очередь, имеет различные значения в зависимости от того, в каком состоянии оно находится (жидкое, твердое или газообразное).

Удельная теплоёмкость обозначается маленькой буквой c и измеряется в Дж/кг∗°С, представляет собой коэффициент повышения температуры в одной единице всей системы или всей массы вещества. 

Кроме того, удельная теплоёмкость меняется в зависимости от физического состояния вещества, особенно в случае твердых частиц и газов, поскольку его молекулярная структура влияет на теплопередачу в системе частиц. То же самое относится и к условиям атмосферного давления: чем выше давление, тем ниже удельное тепло.

Основной состав удельной теплоты вещества должен быть с = С/m, т. е. удельная теплота равна соотношению калорийности и массы. Однако когда это применяется к данному изменению температуры, говорят о средней удельной теплоемкости, которая рассчитывается на основе следующей формулы:

где:

Q – передача тепловой энергии между системой и средой (Дж);

m – масса системы (кг);

Δt или (t2 – t1) – повышение температуры, которой она подвергается (°C).

Формула для нахождения количества теплоты Q:

Q = c∗m(t2 – t1)

Чем выше удельная теплоёмкость вещества, тем больше тепловой энергии потребуется, чтобы его температура повысилась. Например, для нагрева воды (своды = 4200 Дж/кг∗°С) потребуется больше тепловой энергии, чем для нагрева свинца (ссвинца = 140 Дж/кг∗°С).

Уравнение теплового баланса:

Q отданное + Q полученное = 0.

Ниже представлена таблица значений удельной теплоёмкости некоторых веществ:

Эффективность нагревателей

Мощность — это физическое определение скорости передачи или потребления энергии. Она равна отношению количества работы за определённый промежуток времени к этому периоду. Нагревательные устройства характеризуются по расходу электричества в киловаттах.

Для сопоставления энергий различного рода введена формула тепловой мощности: N = Q / Δ t, где:

  1. Q — количество теплоты в джоулях;
  2. Δ t — интервал времени выделения энергии в секундах;
  3. размерность полученной величины Дж / с = Вт.

В этом видео вы узнаете, как рассчитать количество теплоты:

Для оценки эффективности работы нагревателей используют коэффициент, указывающий на количество израсходованного по назначению тепла — КПД. Определяется показатель делением полезной энергии на затраченную, является безразмерной единицей и выражается в процентах. По отношению к разным частям, составляющим окружающую среду, КПД нагревателя имеет неравные значения. Если оценивать чайник как нагреватель воды, его эффективность составит 90%, а при использовании его в качестве отопителя комнаты коэффициент возрастает до 99%.

Объяснение этому простое: из-за теплообмена с окружением часть температуры рассеивается и теряется. Количество утраченной энергии зависит от проводимости материалов и других факторов. Можно рассчитать теоретически мощность тепловых потерь по формуле P = λ × S Δ T / h. Здесь λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м × К); S — площадь участка теплообмена, м²; Δ T — перепад температур на контролируемой поверхности, град. С; h — толщина изолирующего слоя, м.

Теплопередача

Теплопередача – процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы.

Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение (лучистый теплообмен). Теплопередача происходит между телами, имеющими разную температуру. Тепло передается от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой.

Теплопроводность – это процесс переноса энергии от более нагретых тел (частей тела) к менее нагретым в результате движения и взаимодействия частиц тела. Высокую теплопроводность имеют металлы – так, лучшие проводники тепла – медь, золото, серебро. Теплопроводность жидкостей меньше, а газы являются плохими проводниками тепла. Пористые тела плохо проводят тепло, так как в порах содержится воздух. Вещества с низкой теплопроводностью используют в качестве теплоизоляторов. Теплопроводность невозможна в вакууме. При теплопроводности не происходит переноса вещества.

Явление теплопроводности газов аналогично явлению диффузии. Быстрые молекулы из слоя с более высокой температурой перемещаются в более холодный слой, а молекулы из холодного слоя перемещаются в более нагретый. За счет этого средняя кинетическая энергия молекул более теплого слоя уменьшается, и его температура становится ниже.

В жидкостях и твердых телах при повышении температуры какого-либо участка твердого тела или жидкости его частицы начинают колебаться сильнее. Соударяясь с соседними частицами, где температура ниже, эти частицы передают им часть своей энергии, и температура этого участка возрастает.

Конвекция – перенос энергии потоками жидкости или газа.

Объяснить механизм конвекции можно на основе теплового расширения тел и закона Архимеда. При нагревании объем жидкости увеличивается, а плотность уменьшается. Нагретый слой под действием силы Архимеда поднимается вверх, а холодный опускается вниз. Это естественная конвекция. Она возникает при неравномерном нагревании жидкости или газа снизу в поле тяготения.

При вынужденной конвекции перемещение вещества происходит под действием насосов, лопастей вентилятора. Такая конвекция применяется в состоянии невесомости. Интенсивность конвекции зависит от разности температур слоев среды и агрегатного состояния вещества. Конвекционные потоки поднимаются вверх. При конвекции происходит перенос вещества.

В твердых телах конвекция невозможна, так как частицы не могут из-за сильного взаимодействия покидать свои места. В вакууме конвекция также невозможна.

Примером конвективных потоков в природе являются ветры (бризы дневной и ночной, муссоны).

Излучение (лучистый теплообмен) – перенос энергии электромагнитными волнами. Перенос тепла излучением возможен в вакууме. Источником излучения является любое тело, температура которого отлична от нуля К. При поглощении энергия теплового излучения переходит во внутреннюю энергию. Темные тела быстрее нагреваются излучением, чем тела с блестящей поверхностью, но и остывают быстрее. Мощность излучения зависит от температуры тела. С увеличением температуры тела энергия излучения увеличивается. Чем больше площадь поверхности тела, тем интенсивнее излучение.

Формула

Перед тем, как приступить к непосредственному расчёту параметра следует ознакомиться с формулой и её компонентами.

Формула для расчёта удельной теплоёмкости имеет следующий вид:

с = Q/(m*∆T)

Знание величин и их символических обозначений, использующихся при расчёте, крайне важно. Однако необходимо не только знать их визуальный вид, но и чётко представлять значение каждого из них

Расчёт удельной теплоёмкости вещества представлен следующими компонентами:

ΔT – символ, означающий постепенное изменение температуры вещества. Символ «Δ» произносится как дельта.

ΔT можно рассчитать по формуле:

ΔT = t2–t1, где

  • t1 – первичная температура;
  • t2 – конечная температура после изменения.

m – масса вещества используемого при нагреве (гр).

Q – количество теплоты (Дж/J)

На основании Цр можно вывести и другие уравнения:

  • Q = m*цp*ΔT – количество теплоты ;
  • m = Q/цр*(t2 — t1) – массы вещества;
  • t1 = t2–(Q/цp*m) – первичной температуры;
  • t2 = t1+(Q/цp*m) – конечной температуры.

Первый закон термодинамики

Закон сохранения и превращения энергии, распространенный на тепловые явления, называется первым законом (началом) термодинамики.

Можно дать формулировку этого закона исходя из способов изменения внутренней энергии.

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

Если рассматривать работу самой системы над внешними телами, то закон может быть сформулирован так:

количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и совершение системой работы над внешними телами:

Если система изолирована и над ней не совершается работа и нет теплообмена с внешними телами, то в этом случае внутренняя энергия не изменяется. Если к системе не поступает теплота, то работа системой может совершаться только за счет уменьшения внутренней энергии. Это значит, что невозможно создать вечный двигатель – устройство, способное совершать работу без каких-либо затрат топлива.

Первый закон термодинамики для изопроцессов

Изотермический процесс: ​\( Q=A’\,(T=const, \Delta U=0) \)​Физический смысл: все переданное газу тепло идет на совершение работы.

Изобарный процесс: \( Q=\Delta U+A’ \)​Физический смысл: подводимое к газу тепло идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение газом работы.

Изохорный процесс: \( Q=\Delta U\,(V=const, A’=0) \)​Физический смысл: внутренняя энергия газа увеличивается за счет подводимого тепла.

Адиабатный процесс: ​\( \Delta U=-A’ \)​ или ​\( A=\Delta U\,\mathbf{(Q=0)} \)​Физический смысл: внутренняя энергия газа уменьшается за счет совершения газом работы. Температура газа при этом понижается.

Задачи об изменении внутренней энергии тел

Такие задачи можно разделить на группы:

  • При взаимодействии тел изменяется их внутренняя энергия без совершения работы над внешней средой.
  • Рассматриваются явления, связанные с превращением одного вида энергии в другой при взаимодействии двух тел. В результате происходит изменение внутренней энергии одного тела вследствие совершенной им или над ним работы.

При решении задач первой группы:

  • установить, у каких тел внутренняя энергия уменьшается, а у каких – возрастает;
  • составить уравнение теплового баланса ​\( (\Delta U=0) \), при записи которого в выражении ​\( Q =cm(t_2 – t_1) \)​ для изменения внутренней энергии нужно вычитать из конечной температуры тела начальную и суммировать члены с учетом получающегося знака;
  • решить полученное уравнение относительно искомой величины;
  • проверить решение.

При решении задач второй группы:

  • убедиться, что в процессе взаимодействия тел теплота извне к ним не подводится, т.е. действительно ли ​\( Q = 0 \)​;
  • установить, у какого из двух взаимодействующих тел изменяется внутренняя энергия и что является причиной этого изменения – работа, совершенная самим телом, или работа, совершенная над телом;
  • записать уравнение ​\( Q = \Delta U + A \)​ для тела, у которого изменяется внутренняя энергия, учитывая знак перед работой и КПД рассматриваемого процесса;
  • если работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии одного из тел, то ​\( А= -\Delta U \)​, а если внутренняя энергия тела увеличивается за счет работы, совершенной над телом, то ​\( A=\Delta U \)​;
  • найти выражения для ​\( \Delta U \)​ и ​\( A \)​;
  • подставить в исходное уравнение вместо \( \Delta U \) и \( A \) выражения для них, получить окончательное соотношение для определения искомой величины;
  • решить полученное уравнение относительно искомой величины;
  • проверить решение.

КПД тепловой машины

Коэффициентом полезного действия (КПД) тепловой машины (двигателя) называется отношение работы ​\( A \)​, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты ​\( Q_1 \)​, полученному за цикл от нагревателя:

Тепловая машина с максимальным КПД была создана Карно. В машине осуществляется круговой процесс (цикл Карно), при котором после ряда преобразований система возвращается в начальное состояние.

Цикл Карно состоит из четырех стадий:

  1. Изотермическое расширение (на рисунке — процесс 1–2). В начале процесса рабочее тело имеет температуру ​\( T_1 \)​, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передает ему количество теплоты ​\( Q_1 \)​. При этом объем рабочего тела увеличивается.
  2. Адиабатное расширение (на рисунке — процесс 2–3). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника ​\( T_2 \)​.
  3. Изотермическое сжатие (на рисунке — процесс 3–4). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру ​\( T_2 \)​, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты ​\( Q_2 \)​.
  4. Адиабатное сжатие (на рисунке — процесс 4–1). Рабочее тело отсоединяется от холодильника. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя ​\( T_1 \)​.

КПД цикла Карно:

Отсюда видно, что КПД цикла Карно с идеальным газом зависит только от температуры нагревателя ​\( (T_1) \)​ и холодильника \( (T_2) \).

Из уравнения следуют выводы:

  • для повышения КПД тепловой машины нужно увеличить температуру нагревателя и уменьшить температуру холодильника;
  • КПД тепловой машины всегда меньше 1.

Цикл Карно обратим, так как все его составные части являются равновесными процессами.

КПД тепловых двигателей: двигатель внутреннего сгорания — 30%, дизельный двигатель — 40%, паровая турбина — 40%, газовая турбина — 25–30%.

Определение

Количество теплоты входит в математическую формулировку первого начала термодинамики, которую можно записать как Q=ΔU+A{\displaystyle Q=\Delta U+A}. Здесь Q{\displaystyle Q} — количество теплоты, переданное системе, ΔU{\displaystyle \Delta U} — изменение внутренней энергии системы и A{\displaystyle A} — работа, совершённая системой. Однако корректное определение теплоты должно указывать способ её экспериментального измерения безотносительно к первому началу. Так как теплота — это энергия, переданная в ходе теплообмена, для измерения количества теплоты необходимо пробное калориметрическое тело. По изменению внутренней энергии пробного тела можно судить о количестве теплоты, переданном от системы пробному телу, и тем самым экспериментально проверить справедливость первого начала, независимо измерив все три входящие в него величины: работу, внутреннюю энергию и теплоту. Если в феноменологической термодинамике не указать способ независимого измерения количества теплоты посредством калориметрического тела, то первое начало теряет смысл содержательного физического закона и превращается в тавтологическое определение количества теплоты.

Такое измерение можно осуществить следующим способом. Пусть в системе, состоящей из двух тел X{\displaystyle X} и Y{\displaystyle Y} и заключённой в адиабатическую оболочку, тело Y{\displaystyle Y} (пробное) отделено от тела X{\displaystyle X} жёсткой, но теплопроводящей оболочкой. Тогда оно не способно совершать макроскопическую работу, но может обмениваться энергией посредством теплообмена с телом X{\displaystyle X}. Предположим, что тело X{\displaystyle X} может совершать механическую работу, но, так как вся система адиабатически изолирована, оно может обмениваться теплотой может лишь с телом Y{\displaystyle Y}. Количеством теплоты, переданным телу X{\displaystyle X} в некотором процессе, называется величина QX=−ΔUY{\displaystyle Q_{X}=-\Delta U_{Y}}, где ΔUY{\displaystyle \Delta U_{Y}} — изменение внутренней энергии тела Y{\displaystyle Y}. Согласно закону сохранения энергии, полная работа, выполненная системой, равна убыли полной внутренней энергии системы двух тел: A=−ΔUx−ΔUy{\displaystyle A=-\Delta U_{x}-\Delta U_{y}}, где A{\displaystyle A} — макроскопическая работа, совершенная телом X{\displaystyle X}, что позволяет записать это соотношение в виде выражения для первого начала термодинамики: Q=A+ΔUx{\displaystyle Q=A+\Delta U_{x}}.

Виды энергии:
Механическая Потенциальная Кинетическая
‹›Внутренняя
Электромагнитная Электрическая Магнитная
Химическая
Ядерная
G{\displaystyle G}Гравитационная
∅{\displaystyle \emptyset }Вакуума
Гипотетические:
Тёмная
См. также: Закон сохранения энергии

Таким образом, вводимое в феноменологической термодинамике количество теплоты может быть измерено посредством калориметрического тела (об изменении внутренней энергии которого можно судить по показанию соответствующего макроскопического прибора). Из первого начала термодинамики следует корректность введённого определения количества теплоты, то есть независимость соответствующей величины от выбора пробного тела Y{\displaystyle Y} и способа теплообмена между телами. При таком определении количества теплоты первое начало становится содержательным законом, допускающим непосредственную экспериментальную проверку, кроме того, из него можно получить множество следствий, которые также проверяются в эксперименте.

Расширение тел от теплоты

Коэффициент линейного расширения α есть увеличение длины тела при увеличении температуры на 1° С и при первоначальной длине, равной 1.
Коэффициент объемного расширения = 3α для твердых однородных тел. Для всех газов при постоянном давлении расширение на 1° повышения температуры составляет почти одинаково 1/273 = 0,00366 первоначального объема

Коэффициент линейного расширения на 1°С

Алюминий23,8.10-6Бронза17,5.10-6Висмут13,4.10-6
Гипс25.10-6Железо11,5.10-6Золото14,4.10-6
Инвар (36% никкеля, 63,5% железа)1,6.10-6Иридий6,5.10-6Кварц плавленый0,5.10-6
Кобальт12,7.10-6Константин15,2.10-6Магналий24.10-6
Латунь18,5.10-6Медь16,5.10-6Магний26.10-6
Нейзильбер18.10-6Никкель13,1.10-6Олово23,0.10-6
Платина9,0.10-6Платино-иридий8,8.10-6Свинец29,2.10-6
Сера9.10-6Серебро19,7.10-6Стекло8.10-6
Тантал6,5.10-6Фарфор3,0.10-6Цинк30.10-6

Железо и сталь имеют почти одинаковое расширение.

Коэффициент расширения в среднем равен между 0° и 100° 11,5 • 10-6 • t, при более высоких температурах 11,5 • 10-6 + 0,08 • 10-6 • t (t повышение температуры в градусах).

Литая сталь в закаленном состоянии обладает большим коэффициентом расширения до 0,000014, который, однако, при отпуске приходит к нормальной величине. У чугуна коэффициент расширения падает до 9 • 10-6

Как пользоваться

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации