Кількість теплоти. Рівняння теплового балансу

Змінити внутрішню енергію будь-якого тіла можна, здійснюючи роботу, нагріваючи або, навпаки, охолоджуючи його. Так, при куванні металу відбувається робота, і він розігрівається, в той же час метал можна розігріти над палаючим полум’ям.

Також якщо закріпити поршень (мал. 13.5), то обсяг газу при нагріванні не змінюється і робота не здійснюється. Але температура газу, а отже, і його внутрішня енергія зростають.

Внутрішня енергія може збільшуватися і зменшуватися, тому кількість теплоти може бути позитивним і негативним.

Запам’ятай
Процес передачі енергії від одного тіла іншому без здійснення роботи називають теплообміном.

Кількісну міру зміни внутрішньої енергії при теплообміні називають кількістю теплоти.

Молекулярна картина теплообміну. При теплообміні на кордоні між тілами відбувається взаємодія повільно рухаються молекул холодного тіла з швидко рухомими молекулами гарячого тіла. У результаті кінетичні енергії молекул вирівнюються і швидкості молекул холодного тіла збільшуються, а гарячого зменшуються.

При теплообміні не відбувається перетворення енергії з однієї форми в іншу, частина внутрішньої енергії більш нагрітого тіла передається менш нагрітого тіла.

Кількість теплоти і теплоємність. Вам уже відомо, що для нагрівання тіла масою т від температури t1 до температури t2 необхідно передати йому кількість теплоти:

Q = cm (t2 – t1) = cm Δt. (13.5)

При охолодженні тіла його кінцева температура t2 виявляється менше початкової температури t1 і кількість теплоти, що віддається тілом, негативно.

Коефіцієнт з у формулі (13.5) називають питомою теплоємністю речовини.

Подивіться таблицю значень теплоємностей різних речовин. Порівняйте значення питомої теплоємності, наприклад води і заліза. Подумайте, чому теплоємності рідин більше, ніж теплоємності твердих речовин.

Запам’ятай
Питома теплоємність – це величина, чисельно рівна кількості теплоти, яку отримує або віддає речовина масою 1 кг при зміні його температури на 1 К.

Питома теплоємність газів залежить від того, при якому процесі здійснюється теплопередача. Якщо нагрівати газ при постійному тиску, то він буде розширюватися і здійснювати роботу. Для нагрівання газу на 1 ° С при постійному тиску йому потрібно передати більшу кількість теплоти, ніж для нагрівання його при постійному об’ємі, коли газ буде тільки нагріватися.

Рідкі і тверді тіла розширюються при нагріванні незначно. Їх питомі теплоємності при постійному об’ємі і постійному тиску мало розрізняються.

Питома теплота пароутворення. Для перетворення рідини в пару в процесі кипіння необхідна передача їй певної кількості теплоти. Температура рідини при кипінні не змінюється. Перетворення рідини в пару при постійній температурі не веде до збільшення кінетичної енергії молекул, але супроводжується збільшенням потенційної енергії їх взаємодії. Адже середня відстань між молекулами газу багато більше, ніж між молекулами рідини.

Запам’ятай
Величину, чисельно рівну кількості теплоти, необхідної для перетворення при постійній температурі рідини масою 1 кг в пар, називають питомою теплотою паротворення.

Процес випаровування рідини відбувається при будь-якій температурі, при цьому рідина покидають найшвидші молекули, і вона при випаровуванні охолоджується. Питома теплота випаровування дорівнює питомій теплоті паротворення.

Цю величину позначають буквою r і виражають у джоулях на кілограм (Дж / кг).

Дуже велика питома теплота пароутворення води: rН20 = 2,256 • 106 Дж / кг при температурі 100 ° С. У інших рідин, наприклад у спирту, ефіру, ртуті, гасу, питома теплота пароутворення менше в 3-10 разів, ніж у води.

Для перетворення рідини масою m в пар потрібно кількість теплоти, рівне:

Qп = rm. (13.6)

При конденсації пари відбувається виділення такої ж кількості теплоти:

Qк = -rm. (13.7)

Питома теплота плавлення. При плавленні кристалічного тіла все підводиться до нього тепло йде збільшення потенційної енергії взаємодії молекул. Кінетична енергія молекул не змінюється, так як плавлення відбувається при постійній температурі.

Запам’ятай
Величину, чисельно рівну кількості теплоти, необхідної для перетворення кристалічної речовини масою 1 кг при температурі плавлення в рідину, називають питомою теплотою плавлення і позначають буквою λ.

При кристалізації речовини масою 1 кг виділяється точно така ж кількість теплоти, яке поглинається при плавленні.

Питома теплота плавлення льоду досить велика: 3,34 • 105 Дж / кг.

«Якби лід не володів великою теплотою плавлення, то тоді навесні вся маса льоду мала б розтанути в кілька хвилин або секунд, так як теплота безперервно передається льоду з повітря. Наслідки цього були б жахливі; адже і при існуючому стані виникають великі повені і сильні потоки води при таненні великих мас льоду або снігу ». Р. Блек, XVIII в.

Для того щоб розплавити кристалічне тіло масою m, необхідно кількість теплоти, рівне:

Qпл = λm. (13.8)

Кількість теплоти, що виділяється при кристалізації тіла, одно:

Qкр = -λm (13.9)

Рівняння теплового балансу. Розглянемо теплообмін усередині системи, що складається з декількох тіл, що мають спочатку різні температури, наприклад теплообмін між водою в посудині і опущеним у воду гарячим залізним кулькою. Відповідно до закону збереження енергії кількість теплоти, відданої одним тілом, чисельно дорівнює кількості теплоти, отриманої іншим.

Віддане кількість теплоти вважається негативним, отримане кількість теплоти – позитивним. Тому сумарну кількість теплоти Q1 + Q2 = 0.

Якщо в ізольованій системі відбувається теплообмін між декількома тілами, то

Q1 + Q2 + Q3 + … = 0. (13.10)

Запам’ятай
Рівняння (13.10) називається рівнянням теплового балансу.

Тут Q1, Q2, Q3 – кількості теплоти, отриманої або відданої тілами. Ці кількості теплоти виражаються формулою (13.5) або формулами (13.6) – (13.9), якщо в процесі теплообміну відбуваються різні фазові перетворення речовини (плавлення, кристалізація, пароутворення, конденсація).

Ключові слова для пошуку інформації по темі параграфа.
Плавлення. Кристалізація. Паротворення. Конденсація

Питання до параграфу

1. Що називають кількістю теплоти?

2. Від чого залежить питома теплоємність речовини?

3. Що називають питомою теплотою пароутворення?

4. Що називають питомою теплотою плавлення?

5. У яких випадках кількість теплоти – позитивна величина, а в яких випадках негативна?

6. Як слід записати рівняння теплового балансу для ізольованої системи з трьох тіл, що переходить в рівноважний стан?

Посилання на основну публікацію