7. Термодинамика.

7. Термодинамика.
Количество теплоты. Расчет количества теплоты.
Плавление/кристаллизация. Парообразование/конденсация.
СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ
Внутреннюю энергию системы можно изменить путем совершения над системой механической работы или
путем теплообмена системы с окружающими телами.
Виды теплообмена (теплопередачи): теплопроводность, конвекция, излучение.
Теплопроводность – это перенос теплоты частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе
их теплового движения. Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением
температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества. Наибольшей
теплопроводностью обладают твердые вещества, меньшей – жидкости, еще меньшей – газы, теплопроводность вакуума
равна нулю. Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая
определяет температуру тела, передаѐтся другому телу при их взаимодействии или передаѐтся из более нагретых
областей тела к менее нагретым областям. Иногда теплопроводностью называется также количественная оценка
способности конкретного вещества проводить тепло.
Конвекция (от лат. Convectio — перенесение, доставка) — явление переноса теплоты в жидкостях или газах
путем перемешивания самого вещества (как вынужденно, так и самопроизвольно). Объяснить явление конвекции можно
тепловым расширением тел и законом Архимеда. Конвекция невозможна в твѐрдых телах. Интенсивность конвекции
зависит от разности температур слоев жидкости или газа и агрегатного состояния вещества. Существует так называемая
естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле
тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои,
наоборот, остывают, становятся тяжелее и погружаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова.
Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. При вынужденной
(принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием каких-то внешних сил (насос, лопасти
вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.
Излучение – это перенос энергии путем испускания электромагнитных волн. Эти лучи называют тепловым
(инфракрасным) излучением. Когда излучение, распространяясь от тела-источника, достигает других тел, то часть его
отражается, а часть ими поглощается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю
энергию тел, и они нагреваются. Все окружающие нас предметы излучают тепло в той или иной мере. Тепловое
излучение не воспринимается глазом. При повышении температуры тела тепловое излучение увеличивается, т.е. чем
выше температура тела, тем интенсивнее тепловое излучение. Теплопередача способом излучения возможна в любом
веществе и в вакууме. Темные тела лучше поглощают излучение, чем светлые (или имеющие зеркальную,
полированную поверхность), и лучше излучают. Созданы материалы, с помощью которых можно превращать тепловое
излучение в видимое. Их используют при изготовлении специальной фотопленки для съемки в абсолютной темноте и в
приборах ночного видения - тепловизорах. Эти материалы очень чувствительны к тепловому излучению: ими
различаются участки, температура которых отличается на сотые доли градуса.
Передача теплоты - процесс, при котором внутренняя энергия одного тела увеличивается, а другого,
соответственно, уменьшается. Для характеристики этого процесса вводится понятие количества теплоты Q - это мера
изменения внутренней энергии тела, происходящего при теплопередаче (Дж).
УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ ПРИ НАГРЕВАНИИ (ОХЛАЖДЕНИИ) ТЕЛА
Количество теплоты, которое нужно передать телу для повышения его температуры на 1 градус, называется
теплоемкостью тела. При охлаждении тела на 1 градус оно отдает такое же количество энергии. Теплоемкость тела
пропорциональна его массе и зависит от вещества, из которого оно состоит. Из определения следует, что теплоемкость
измеряется в
[
Дж
0
C
Дж
].
K
Поскольку теплоемкость тела пропорциональна массе тела, то для характеристики тепловых свойств вещества
рассматривают теплоемкость единицы массы данного вещества. Эта величина получила название удельной
теплоемкости вещества. Она измеряется в
[
Дж
кг 0 C
Дж
] и является табличной величиной.
кг K
Например, удельная теплоемкость воды равна 4200
Дж
- это значит, что для нагревания 1 кг воды на 10С
0
кг C
потребуется 4200 Дж тепла; или при охлаждении 1 кг воды на 10С выделится 4200 Дж тепла.
Обозначив удельную теплоемкость через c, получим, что для повышения температуры тела массой
величину
t
требуется количество теплоты, равное
Q c m
t.
Такое же количество теплоты выделится при охлаждении этого тела на t .
Здесь Q — количество теплоты, необходимое для нагревания или выделяемое при охлаждении тела;
c — удельная теплоемкость вещества, из которого состоит данное тело;
m на
m — масса тела;
t
T
t2 t1 T2 T1 — изменение температуры тела, показывает, насколько тело нагрели или охладили
(ºС); t1 и t2 — начальная и конечная температуры (º С); T1 и T2 — начальная и конечная абсолютные температуры (К).
РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ, ВЫДЕЛЯЕМОГО ПРИ СГОРАНИИ ТОПЛИВА
В природе существует много горючих веществ, которые при сгорании выделяют тепло. Однако, топливом можно
считать лишь те горючие вещества, которые обладают большой удельной теплотой сгорания, низкой температурой
воспламенения, отсутствием вредных продуктов сгорания, широко распространены в природе, просты в добыче и
транспортировке. Разные виды топлива одинаковой массы при полном сгорании выделяют разное количество теплоты.
Сравнить количества теплоты, выделившиеся при сгорании разных видов топлива можно, используя физическую
величину - удельную теплоту сгорания. Удельная теплота сгорания показывает, какое количество теплоты выделится
при полном сгорании 1 кг данного топлива (Дж/кг).
Количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива массы m, рассчитывают по формуле:
Q q m,
где m — масса топлива;
q — удельная теплота сгорания топлива.
ПЛАВЛЕНИЕ (КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ)
Твердые тела, обладающие пространственной периодически повторяющейся структурой называются кристаллами.
Среди кристаллических тел выделяют монокристаллы (тело, состоящее из одного кристалла) и поликристаллы (тело,
состоящее из беспорядочно сросшихся между собой монокристаллов).
Плавление - переход вещества из кристаллического твердого состояния в жидкое. При нагревании увеличивается
температура вещества, и возрастает скорость теплового движения частиц, при этом увеличивается внутренняя энергия
тела. Когда температура твердого тела достигает температуры плавления, кристаллическая решетка твердого вещества
начинает разрушаться. Таким образом, основная часть энергии нагревателя, подводимая к твердому телу, идет на
уменьшение связей между частицами вещества, т. е. на разрушение кристаллической решетки. При этом возрастает
энергия взаимодействия между частицами. Расплавленное вещество обладает большим запасом внутренней энергии,
чем в твердом состоянии. Оставшаяся часть теплоты плавления расходуется на совершение работы по изменению
объема тела при его плавлении. При плавлении объем большинства кристаллических тел увеличивается (на 3-6%), а при
отвердевании уменьшается. Но существуют вещества, у которых при плавлении объем уменьшается, а при отвердевании
- увеличивается. К ним относятся, например, вода и чугун, кремний и некоторые другие. Именно поэтому лѐд плавает на
поверхности воды, а твердый чугун - в собственном расплаве.
В процессе плавления температура кристалла остается постоянной. Эта температура называется температурой
плавления. У каждого вещества своя температура плавления. Температура плавления для данного вещества зависит от
атмосферного давления. У кристаллических тел при температуре плавления можно наблюдать вещество одновременно в
твердом и жидком состояниях.
Количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического вещества, равно произведению удельной
теплоты плавления на массу m данного вещества.
Q
m
Удельная теплота плавления
показывает, какое количество теплоты необходимо для полного превращения 1 кг
данного кристаллического вещества, взятого при температуре плавления, из твердого состояния в жидкое (Дж/кг).
При понижении температуры вещество может переходить из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется
отвердевание или кристаллизация. При отвердевании вещества выделяется такое же количество теплоты, которое
поглощается при его плавлении. Расчетные формулы для количества теплоты при плавлении и кристаллизации
одинаковы.
Все кристаллические тела имеют определенную температуру плавления. Температура плавления и отвердевания
одного и того же вещества, если давление не меняется, одинакова.
Если температура тела не равна температуре плавления тела, то для того, чтобы тело расплавить (кристаллизовать),
его вначале необходимо нагреть (охладить) до температуры плавления.
Твердые тела, называемые аморфными (янтарь, смола, стекло) не имеют определенной температуры плавления.
Кроме того, в естественных условиях они могут не обладать правильной геометрической формой. По многим
физическим свойствам и внутреннему строению аморфные тела ближе к жидкостям, чем к твердым кристаллическим
телам. В аморфных телах их частицы расположены не так строго упорядоченно, как в кристаллах. Процесс плавления
аморфных тел отличается от плавления кристаллов. При повышении температуры аморфные тела постепенно
размягчаются, становятся вязкими, до тех пор, пока не превратятся в жидкость. Температура их при этом изменяется
непрерывно. Это происходит потому, что в аморфных твердых телах, как и в жидкостях, молекулы могут перемещаться
друг относительно друга. При нагревании их скорость увеличивается, увеличивается расстояние между ними, тело
становится все мягче и постепенно превращается в жидкость.
ПАРООБРАЗОВАНИЕ (КОНДЕНСАЦИЯ)
Парообразованием называется процесс перехода жидкости в газ (пар). Процесс обратный парообразованию
называется конденсацией. Парообразование может идти в виде испарения и при кипении.
Испарение - парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости при любой температуре. При
этом жидкость покидают более быстрые молекулы, обладающие большей скоростью. При любой температуре в
жидкости находятся такие молекулы, которые обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть силы
сцепления между молекулами и совершить работу выхода из жидкости. С повышением температуры скорость испарения
жидкости возрастает, так как возрастает средняя кинетическая энергия ее молекул, следовательно, возрастает и число
таких молекул, у которых кинетическая энергия достаточна для испарения. Скорость испарения зависит от площади
свободной поверхности, температуры жидкости, внешнего давления, рода жидкости, плотности паров над свободной
поверхностью. Скорость испарения возрастает при ветре, который удаляет с поверхности жидкости ее пар и тем самым
препятствует возвращению молекул в жидкость. При испарении температура жидкости понижается, т.к. внутренняя
энергия жидкости уменьшается из-за потери быстрых молекул. Но, если подводить к жидкости тепло, то ее температура
может не изменяться.
Кипение – интенсивное превращение жидкости в пар по всему объему жидкости при постоянной температуре.
Кипение происходит с поглощением теплоты. Большая часть подводимой теплоты расходуется на разрыв связей между
частицами вещества, остальная часть - на работу, совершаемую при расширении пара. В результате энергия
взаимодействия между частицами пара становится больше, чем между частицами жидкости, поэтому внутренняя
энергия пара больше, чем внутренняя энергия жидкости при той же температуре. Количество теплоты, которое
необходимо сообщить телу, чтобы превратить его в пар, или которое выделится при конденсации пара, если тело взято
при температуре кипения равно:
Q L m,
где m — масса тела;
L — удельная теплота парообразования, равная количеству теплоты, необходимому для превращения в пар
единицы массы жидкости, находящейся при температуре кипения (Дж/кг).
Во время кипения температура жидкости не меняется. Температура кипения зависит от давления, оказываемого
на жидкость. Каждое вещество при одном и том же давлении имеет свою температуру кипения. С ростом давления
температура кипения жидкости повышается, а удельная теплота парообразования уменьшается и наоборот. Так,
например, вода кипит при 100°С лишь при нормальном атмосферном давлении.
Если температура жидкости не равна температуре кипения, то для того, чтобы жидкость превратить в пар
(сконденсировать), его вначале необходимо нагреть (охладить) до температуры кипения.
Как происходит процесс кипения? Кипение представляет собой переход жидкости в пар с непрерывным
образованием и ростом в жидкости пузырьков пара, внутрь которых происходит испарение жидкости. В начале
нагревания вода насыщена воздухом и имеет комнатную температуру. При нагревании воды растворенный в ней газ
выделяется на дне и стенках сосуда, образуя воздушные пузырьки. Они начинают появляться задолго до кипения. В эти
пузырьки испаряется вода. Пузырек, наполненный паром, при достаточно высокой температуре начинает раздуваться.
На воздушный пузырек на дне сосуда действует подъемная сила. Пузырек прижат ко дну, поскольку на нижнюю
поверхность силы давления не действуют. При нагреве пузырек увеличивается за счет выделения в него газа и
отрывается от дна, когда подъемная сила будет немного больше прижимающей. При этом пузырек поднимается к
поверхности воды и лопается. При этом пар покидает жидкость. Если вода прогрета недостаточно, то пузырек пара,
поднимаясь в холодные слои, схлопывается. Этим объясняется шум перед закипанием жидкости.
До сих пор речь шла о процессе парообразования, когда исходным агрегатным состоянием вещества была
жидкость. Но существует ещѐ один интересный вид парообразования, когда твердое тело, минуя жидкое состояние,
превращается в газ. Такой вид парообразования называется возгонкой. Такой особенностью обладают, например,
кристаллы йода, нафталина, обычного водяного и "сухого" льда. Обратный процесс превращения газа непосредственно
в твердое вещество называется сублимацией.
ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА
Состояние при котором число молекул, покинувших жидкость, примерно равно числу молекул возвратившихся
обратно, называется динамическим равновесием между жидкостью и паром. Пар, находящийся в динамическом
равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным. Жидкость кипит тогда, когда давление ее насыщенного пара
равно внешнему давлению. Температура жидкости, при которой давление ее насыщенного пара равно или превышает
внешнее давление, называется температурой кипения. Давление жидкости в открытом сосуде определяется внешним
(атмосферным) давлением и гидростатическим.
В окружающем нас воздухе практически всегда находится некоторое количество водяных паров. Сырой воздух
содержит больший процент молекул воды, чем сухой. Для количественной характеристики содержания водяного пара в
воздухе используют абсолютную и относительную влажность. Влажность воздуха зависит от количества водяного
пара, содержащегося в нем.
Абсолютная влажность воздуха ρ — масса водяного пара, содержащегося в V =1м3 влажного воздуха (плотность
водяных паров).
Относительная влажность воздуха (φ ) — физическая величина, численно равная отношению абсолютной влажности
ρ к плотности насыщенного водяного пара ρ0 при данной температуре:
100 %
0
Относительную влажность также можно определить как отношение парциального давления водяного пара p,
содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного водяного пара p0 при той же температуре:
p
100 %
p
0
Сухость или влажность воздуха зависит от того, насколько близок его водяной пар к насыщению. Если влажный
воздух охлаждать, то находящийся в нем пар можно довести до насыщения, и далее он будет конденсироваться.
Признаком того, что пар насытился, является появление первых капель сконденсировавшейся жидкости - росы.
Температура, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным, называется точкой росы. Точка росы
также характеризует влажность воздуха. Примеры: выпадение росы под утро, запотевание холодного стекла, если на
него подышать, образование капли воды на холодной водопроводной трубе, сырость в подвалах домов.
Так как непосредственно измерить давление водяных паров в воздухе сложно, относительную влажность
воздуха измеряют косвенным путем. Для измерения влажности воздуха используют измерительные приборы гигрометры. Существуют несколько видов гигрометров, но основные: волосной и психрометрический. Более точным
гигрометром является гигрометр психрометрический – психрометр (по др. гречески "психрос" означает холодный).
Известно, что от относительной влажности воздуха зависит скорость испарения. Чем меньше влажность воздуха, тем
легче влаге испаряться. В психрометре есть два термометра. Один - обычный, его называют сухим. Он измеряет
температуру окружающего воздуха. Колба другого термометра обмотана тканевым фитилем и опущена в емкость с
водой. Второй термометр показывает не температуру воздуха, а температуру влажного фитиля, отсюда и название
увлажненный термометр. Чем меньше влажность воздуха, тем интенсивнее испаряется влага из фитиля, тем большее
количество теплоты в единицу времени отводится от увлажненного термометра, тем меньше его показания,
следовательно, тем больше разность показаний сухого и увлажненного термометров. Определив разность показаний
сухого и увлажненного термометров, по специальной таблице, расположенной на психрометре, находят значение
относительной влажности.