كمية الحرارة: المفهوم ، الحسابات ، التطبيق. كمية الحرارة

يناقش هذا الدرس مفهوم كمية الحرارة.

إذا نظرنا حتى هذه المرحلة في الخصائص والظواهر العامة المرتبطة بالحرارة أو الطاقة أو نقلها ، فقد حان الوقت الآن للتعرف على الخصائص الكمية لهذه المفاهيم. بتعبير أدق ، أدخل مفهوم كمية الحرارة. ستعتمد جميع الحسابات الإضافية المتعلقة بتحويل الطاقة والحرارة على هذا المفهوم.

تعريف

كمية الحرارةهي الطاقة التي تنتقل عن طريق نقل الحرارة.

دعونا نفكر في السؤال: ما الكمية التي يجب أن نعبر عنها بهذه الكمية من الحرارة؟

كمية الحرارة مرتبطة بـ الطاقة الداخليةلذلك ، عندما يتلقى الجسم الطاقة ، تزداد طاقته الداخلية ، وعندما يتنازل عنها تتناقص (الشكل 1).

أرز. 1. العلاقة بين كمية الحرارة والطاقة الداخلية

يمكن استخلاص استنتاجات مماثلة حول درجة حرارة الجسم (الشكل 2).

أرز. 2. العلاقة بين كمية الحرارة ودرجة الحرارة

يتم التعبير عن الطاقة الداخلية بالجول (J). هذا يعني أن كمية الحرارة تُقاس أيضًا بالجول (في النظام الدولي للوحدات):

الترميز القياسي لكمية الحرارة.

لمعرفة: ما الذي يعتمد عليه ، سنجري 3 تجارب.

التجربة 1

لنأخذ جسدين متطابقين لكن كتلتين مختلفتين. على سبيل المثال ، لنأخذ إناءين متطابقين ونصب كميات مختلفة من الماء (بنفس درجة الحرارة) فيهما.

من الواضح أن غليان القدر الذي يحتوي على كمية أكبر من الماء سوف يستغرق وقتًا أطول. أي أنها ستحتاج إلى توصيل المزيد من الحرارة.

من هذا يمكننا أن نستنتج أن كمية الحرارة تعتمد على الكتلة (متناسب طرديًا - كلما زادت الكتلة ، زادت كمية الحرارة).

أرز. 3. التجربة رقم 1

التجربة رقم 2

في التجربة الثانية ، سنقوم بتسخين الأجسام من نفس الكتلة إلى درجات حرارة مختلفة. أي ، لنأخذ إناءين من الماء لهما نفس الكتلة ونقوم بتسخين أحدهما ، والثاني ، على سبيل المثال ، إلى.

من الواضح ، من أجل تسخين المقلاة إلى درجة حرارة أعلى ، سيستغرق الأمر مزيدًا من الوقت ، أي أنها ستحتاج إلى نقل مزيد من الحرارة.

من هذا يمكننا أن نستنتج أن كمية الحرارة تعتمد على اختلاف درجة الحرارة (متناسب طرديًا - كلما زاد الاختلاف في درجة الحرارة ، زادت كمية الحرارة).

أرز. 4. التجربة رقم 2

التجربة رقم 3

في التجربة الثالثة ، اعتبرنا اعتماد كمية الحرارة على خصائص المادة. للقيام بذلك ، خذ مقاليتين وصب الماء في إحداهما وزيت عباد الشمس في الآخر. في هذه الحالة ، يجب أن تكون درجات حرارة وكتل الماء والزيت متماثلة. سنقوم بتسخين كلا المقاليين إلى نفس درجة الحرارة.

من أجل تسخين قدر من الماء ، سوف يستغرق الأمر وقتًا أطول ، أي أنه سيحتاج إلى نقل المزيد من الحرارة.

من هذا يمكننا أن نستنتج أن كمية الحرارة تعتمد على نوع المادة (سنتحدث أكثر عن كيفية ذلك بالضبط في الدرس التالي).

أرز. 5. التجربة رقم 3

بعد التجارب يمكننا أن نستنتج أن ذلك يعتمد على:

• من وزن الجسم
• التغيرات في درجة حرارته
• نوع المادة.

لاحظ أنه في جميع الحالات التي درسناها ، لا نتحدث عن انتقالات الطور (أي التغييرات في الحالة الكلية للمادة).

في الوقت نفسه ، قد تعتمد القيمة العددية لكمية الحرارة أيضًا على وحدات القياس الخاصة بها. بالإضافة إلى الجول ، وهو وحدة SI ، يتم استخدام وحدة أخرى لقياس كمية الحرارة - السعرات الحرارية(تُرجم "حرارة" ، "دفء").

هذه قيمة صغيرة إلى حد ما ، لذلك غالبًا ما يتم استخدام مفهوم كيلو كالوري: . تتوافق هذه القيمة مع كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى الماء لتسخينه.

في الدرس التالي ، سننظر في مفهوم السعة الحرارية المحددة ، والتي تتعلق بمادة وكمية الحرارة.

فهرس

1. جيندنشتاين إل إي ، كايدالوف أ.ب. ، كوزيفنيكوف ف.ب. / إد. Orlova V.A.، Roizena I.I. الفيزياء 8. - م: Mnemosyne.
2. Peryshkin A.V. الفيزياء 8. - م: بوستارد ، 2010.
3. فاديفا أ.أ ، زاسوف أ.ف. ، كيسيليف د. الفيزياء 8. - م: التنوير.

1. بوابة الإنترنت "Festival.1september.ru" ()
2. بوابة الإنترنت "class-fizika.narod.ru" ()
3. بوابة الإنترنت "school.xvatit.com" ()

الواجب المنزلي

1. صفحة 20 ، الفقرة 7 ، الأسئلة 1-6. Peryshkin A.V. الفيزياء 8. - م: بوستارد ، 2010.
2. لماذا تبرد المياه في البحيرة بين عشية وضحاها بدرجة أقل بكثير من رمل الشاطئ؟
3. لماذا يُطلق على المناخ ، الذي يتميز بتغيرات حادة في درجات الحرارة بين النهار والليل ، اسم قاري حاد؟

على وحدات كمية الحرارة. وحدة مقدار الحرارة - السعرات الحرارية "الصغيرة" - حددناها أعلاه على أنها كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة الماء بمقدار 1 كلفن عند الضغط الجوي. ولكن نظرًا لاختلاف السعة الحرارية للماء عند درجات حرارة مختلفة ، فمن الضروري الاتفاق على درجة الحرارة التي يتم عندها اختيار هذه الفترة الزمنية ذات الدرجة الواحدة.

في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم اعتماد ما يسمى بالسعرات الحرارية ذات العشرين درجة ، والتي تم اعتماد الفاصل الزمني من 19.5 إلى 20.5 درجة مئوية. في بعض البلدان ، يتم استخدام سعر حراري من خمسة عشر درجة (الفاصل الزمني الأول هو J ، والثاني - J. في بعض الأحيان يتم استخدام متوسط ​​سعر حراري ، يساوي واحدًا من مائة من كمية الحرارة اللازمة لتسخين المياه من إلى

قياس كمية الحرارة.لقياس كمية الحرارة المنبعثة أو المتلقاة من الجسم مباشرة ، يتم استخدام أجهزة خاصة - المسعرات.

في أبسط أشكاله ، المسعر عبارة عن وعاء مملوء بمادة معروفة سعتها الحرارية جيدًا ، مثل الماء (حرارة محددة

يتم نقل كمية الحرارة المقاسة إلى المسعر بطريقة أو بأخرى ، ونتيجة لذلك تتغير درجة حرارته. بقياس هذا التغير في درجة الحرارة ، نحصل على الحرارة

حيث c هي السعة الحرارية النوعية للمادة التي تملأ المسعر ، كتلتها.

يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الحرارة لا تنتقل فقط إلى مادة المسعر ، ولكن أيضًا إلى الوعاء والأجهزة المختلفة التي يمكن وضعها فيه. لذلك ، قبل القياس ، من الضروري تحديد ما يسمى بالمكافئ الحراري للمسعر - كمية الحرارة التي تسخن المسعر "الفارغ" بدرجة واحدة. يتم إدخال هذا التصحيح أحيانًا عن طريق إضافة كتلة إضافية إلى كتلة الماء ، حيث تكون السعة الحرارية لها مساوية للسعة الحرارية للوعاء وأجزاء أخرى من المسعر. ثم يمكننا أن نفترض أن الحرارة تنتقل إلى كتلة من الماء مساوية للكمية تسمى بالمكافئ المائي للمُسعر.

قياس السعة الحرارية.يستخدم المسعر أيضًا لقياس السعة الحرارية. في هذه الحالة ، من الضروري معرفة مقدار الحرارة المزودة (أو التي تمت إزالتها) بالضبط. إذا كان معروفًا ، يتم حساب السعة الحرارية المحددة من المساواة

أين كتلة الجسم قيد الدراسة ، والتغير في درجة حرارته بسبب الحرارة

يتم توفير الحرارة للجسم في جهاز قياس السعرات الحرارية ، والذي يجب تصميمه بحيث يتم نقل الحرارة المزودة فقط إلى الجسم قيد الدراسة (وبالطبع إلى جهاز قياس السعرات الحرارية) ، ولكن لا يتم فقدانها في المساحة المحيطة. وفي الوقت نفسه ، تحدث مثل هذه الخسائر الحرارية دائمًا إلى حد ما ، وأخذها في الاعتبار هو الشاغل الرئيسي في القياسات المسعرية.

يصعب قياس السعة الحرارية للغازات ، نظرًا لكثافتها المنخفضة ، فإن السعة الحرارية لكتلة الغاز التي يمكن وضعها في المسعرات صغيرة. في درجات الحرارة العادية ، يمكن أن تكون قابلة للمقارنة مع السعة الحرارية لمسعر فارغ ، مما يقلل حتماً من دقة القياس. هذا ينطبق بشكل خاص على قياس السعة الحرارية على حجم ثابت.في تحديد هذه الصعوبة ، يمكن التحايل على هذه الصعوبة إذا تم إجراء الغاز قيد التحقيق للتدفق (بضغط ثابت) عبر جهاز قياس السعرات الحرارية (انظر أدناه).

قياسالطريقة الوحيدة تقريبًا لقياس السعة الحرارية للغاز عند حجم ثابت هي الطريقة التي اقترحها جولي (1889). يظهر مخطط هذه الطريقة في الشكل. 41.

يتكون المسعر من غرفة K ، حيث يتم تعليق كرتين نحاسيتين مجوفتين متطابقتين عند طرفي عارضة التوازن ، ومجهزة بألواح في الأسفل وعاكسات في الأعلى. يتم إخلاء إحدى الكرات ، ويتم ملء الأخرى بالغاز الذي تم فحصه. من أجل أن يكون للغاز سعة حرارية ملحوظة ، يتم حقنه تحت ضغط كبير ، ويتم تحديد كتلة الغاز المحقون باستخدام الموازين ، مما يؤدي إلى استعادة التوازن المضطرب بسبب إدخال الغاز مع الأوزان.

بعد إقامة التوازن الحراري بين الكرات والحجرة ، يُسمح لبخار الماء بالدخول إلى الحجرة (توجد أنابيب لدخول وخروج البخار على الجدران الأمامية والخلفية للغرفة ولا تظهر في الشكل 41). يتكثف البخار على كلتا الكرتين ، ويسخنهما ويتدفق في الصفائح. لكن على كرة مليئة بالغاز ، يتكثف سائل أكثر ، لأن قدرتها الحرارية أكبر. بسبب المكثفات الزائدة على إحدى الكرات ، سيتم تعطيل توازن الكرات مرة أخرى. بعد موازنة المقاييس ، سنكتشف الكتلة الزائدة للسائل الذي تكثف بسبب وجود الغاز في الكرة. إذا تساوت كتلة الماء الزائدة هذه ، عند ضربها في حرارة تكثيف الماء ، نجد كمية الحرارة التي دخلت في تسخين الغاز من درجة الحرارة الأولية إلى درجة حرارة بخار الماء. بقياس هذا الاختلاف باستخدام مقياس حرارة ، نحن نحصل:

حيث السعة الحرارية المحددة هي الغاز. بمعرفة السعة الحرارية النوعية نجد أن السعة الحرارية المولارية

قياسلقد ذكرنا بالفعل أنه من أجل قياس السعة الحرارية عند ضغط ثابت ، يُجبر الغاز قيد التحقيق على التدفق عبر مقياس المسعر. هذه هي الطريقة الوحيدة لضمان ثبات ضغط الغاز ، على الرغم من الإمداد بالحرارة والتدفئة ، والتي بدونها يستحيل قياس السعة الحرارية. كمثال على هذه الطريقة ، نقدم هنا وصفًا لتجربة Regnault الكلاسيكية (مخطط الجهاز موضح في الشكل 42.

يتم تمرير غاز الاختبار من الخزان A عبر صمام عبر ملف يوضع في وعاء به الزيت B ، ويتم تسخينه بواسطة نوع من مصادر الحرارة. يتم تنظيم ضغط الغاز بواسطة صمام ويتم التحكم في ثباته بواسطة مقياس ضغط ، ويمر لمسافة طويلة في الملف ، ويأخذ الغاز درجة حرارة الزيت ، والتي يتم قياسها بواسطة مقياس حرارة.

ثم يمر الغاز المسخن في الملف عبر مسعر الماء ، ثم يبرد فيه إلى درجة حرارة معينة يقاسها مقياس الحرارة ويخرج. بقياس ضغط الغاز في الخزان A في بداية التجربة وفي نهايتها (يتم استخدام مقياس ضغط لهذا الغرض ، سنكتشف كتلة الغاز التي مرت عبر الجهاز.

كمية الحرارة المنبعثة من الغاز إلى المسعر تساوي ناتج المكافئ المائي للمسعر والتغير في درجة حرارته ، حيث تكون درجة الحرارة الأولية للمسعر.

الطاقة الحرارية هي نظام لقياس الحرارة تم اختراعه واستخدامه منذ قرنين من الزمان. كانت القاعدة الأساسية للعمل بهذه الكمية هي الحفاظ على الطاقة الحرارية ولا يمكن أن تختفي ببساطة ، ولكن يمكن نقلها إلى شكل آخر من أشكال الطاقة.

هناك العديد من المقبول بشكل عام وحدات قياس الطاقة الحرارية. تستخدم بشكل رئيسي في القطاعات الصناعية مثل. يتم وصف أكثرها شيوعًا أدناه:

أي وحدة قياس مدرجة في نظام SI لها غرض في تحديد المبلغ الإجمالي لنوع معين من الطاقة ، مثل الحرارة أو الكهرباء. لا يؤثر وقت القياس وكميته على هذه القيم ، ولهذا السبب يمكن استخدامها لكل من الطاقة المستهلكة والمستهلكة بالفعل. بالإضافة إلى ذلك ، يتم أيضًا حساب أي إرسال واستقبال ، وكذلك الخسائر ، بهذه الكميات.

أين توجد وحدات قياس الطاقة الحرارية المستخدمة

تحويل وحدات الطاقة إلى حرارة

للحصول على مثال توضيحي ، فيما يلي مقارنات بين مؤشرات SI الشائعة المختلفة مع الطاقة الحرارية:

• 1 جيجا جول يساوي 0.24 جيجا كالوري ، والتي من الناحية الكهربائية تساوي 3400 مليون كيلوواط ساعة في الساعة. في مكافئ الطاقة الحرارية 1 جيجا جول = 0.44 طن من البخار ؛
• في نفس الوقت ، 1 Gcal = 4.1868 GJ = 16000 مليون كيلو واط في الساعة = 1.9 طن من البخار ؛
• 1 طن من البخار يساوي 2.3 جيجا جول = 0.6 جيجا كالوري = 8200 كيلو واط في الساعة.

في هذا المثال ، يتم أخذ قيمة البخار المعطاة على أنها تبخر للماء عند الوصول إلى 100 درجة مئوية.

لحساب كمية الحرارة ، يتم استخدام المبدأ التالي: للحصول على بيانات عن كمية الحرارة ، يتم استخدامه في تسخين السائل ، وبعد ذلك يتم ضرب كتلة الماء في درجة الحرارة النابتة. إذا كانت كتلة السائل تقاس بالكيلوجرام في النظام الدولي للوحدات ، وكانت الفروق في درجات الحرارة بالدرجات المئوية ، فإن نتيجة هذه الحسابات ستكون مقدار الحرارة بالكيلو كالوري.

إذا كانت هناك حاجة لنقل الطاقة الحرارية من جسم مادي إلى آخر ، وتريد معرفة الخسائر المحتملة ، فإن الأمر يستحق ضرب كتلة الحرارة المستلمة للمادة في درجة حرارة الزيادة ، ثم اكتشف منتج القيمة التي تم الحصول عليها بواسطة "السعة الحرارية النوعية" للمادة.

تعريف

كمية الحرارةأو ببساطة الدفء($ Q $) تسمى الطاقة الداخلية ، والتي ، بدون القيام بأي عمل ، يتم نقلها من أجسام ذات درجة حرارة أعلى إلى أجسام ذات درجة حرارة منخفضة في عمليات التوصيل الحراري أو الإشعاع.

جول - وحدة النظام الدولي لقياس كمية الحرارة

يمكن الحصول على وحدة كمية الحرارة من القانون الأول للديناميكا الحرارية:

\ [\ Delta Q = A + \ Delta U \ \ left (1 \ right) ، \]

حيث $ A $ هو عمل النظام الحراري الديناميكي ؛ $ \ Delta U $ - التغيير في الطاقة الداخلية للنظام ؛ $ \ Delta Q $ - كمية الحرارة المزودة للنظام.

من القانون (1) ، وأكثر من ذلك من نسخته لعملية متساوية الحرارة:

\ [\ Delta Q = A \ \ left (2 \ right). \]

من الواضح ، في النظام الدولي للوحدات (SI) ، أن الجول (J) هو وحدة للطاقة والعمل.

من السهل التعبير عن الجول بالوحدات الأساسية باستخدام تعريف الطاقة ($ E $) بالشكل:

حيث $ c $ هي سرعة الضوء ؛ - وزن الجسم. بناءً على التعبير (2) ، لدينا:

\ [\ left = \ left = kg \ cdot (\ left (\ frac (m) (s) \ right)) ^ 2 = \ frac (kg \ cdot m ^ 2) (s ^ 2). \]

مع الجول ، يتم استخدام جميع البادئات القياسية لنظام SI ، للإشارة إلى الكسور العشرية والوحدات المتعددة. على سبيل المثال ، $ 1kJ = (10) ^ 3J $؛ 1MJ = $ (10) ^ 6J $ ؛ 1 جيجا جول = $ (10) ^ 9J دولار.

Erg - وحدة قياس كمية الحرارة في نظام CGS

في نظام CGS (سم ، جرام ، ثانية) ، تقاس الحرارة بوحدة ergs (ergs). في هذه الحالة ، واحد erg يساوي:

مع الأخذ بعين الاعتبار أن:

نحصل على النسبة بين جول و erg:

السعرات الحرارية - وحدة قياس لكمية الحرارة

يتم استخدام السعرات الحرارية كوحدة خارج النظام لقياس كمية الحرارة. السعرات الحرارية الواحدة تساوي كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى ماء يزن كيلوغرام واحد لتسخينه بدرجة واحدة مئوية. العلاقة بين الجول والسعرات الحرارية هي كما يلي:

لكي نكون أكثر دقة ، يميزون:

• السعرات الحرارية العالمية تساوي:
\
• السعرات الحرارية الكيميائية:
\
• 15 درجة سعرة حرارية تستخدم للقياسات الحرارية:
\

غالبًا ما تستخدم السعرات الحرارية مع البادئات العشرية مثل: kcal (kilocalorie) $ 1kcal = (10) ^ 3cal $؛ Mcal (ميغا كالوري) 1Mcal = $ (10) ^ 6cal $ ؛ جالوري (جيجا كالوري) 1 جالوري = $ (10) ^ 9 كالوري $.

أحيانًا يُطلق على كيلو كالوري اسم سعرة حرارية كبيرة أو كيلوجرام كالوري.

أمثلة على مشاكل الحل

مثال 1

يمارس.مقدار الحرارة التي يمتصها الهيدروجين للكتلة $ m = 0.2 $ kg عند تسخينه من $ t_1 = 0 (\ rm () ^ \ circ \! C) $ إلى $ t_2 = 100 (\ rm () ^ \ circ \! ج) $ عند ضغط مستمر؟ اكتب إجابتك بالكيلوجول.

قرار.نكتب القانون الأول للديناميكا الحرارية:

\ [\ Delta Q = A + \ Delta U \ \ left (1.1 \ right). \]

\ [\ Delta U = \ frac (i) (2) \ frac (m) (\ mu) R \ Delta T \ \ left (1.2 \ right) ، \]

حيث $ i = 5 $ هو عدد درجات الحرية لجزيء الهيدروجين ؛ $ \ mu = 2 \ cdot (10) ^ (- 3) \ frac (كجم) (مول) $ ؛ $ R = 8.31 \ \ frac (J) (مول \ cdot K) $ ؛ $ \ Delta T = t_2-t_1 $. من خلال الافتراض ، نحن نتعامل مع عملية متساوية الضغط. العمل في عملية متساوية الضغط يساوي:

مع الأخذ في الاعتبار التعبيرات (1.2) و (1.3) ، نقوم بتحويل القانون الأول للديناميكا الحرارية للعملية متساوية الضغط إلى النموذج:

\ [\ Delta Q = \ frac (m) (\ mu) R \ Delta T \ + \ frac (i) (2) \ frac (m) (\ mu) R \ Delta T = \ frac (m) (\ mu) R \ Delta T \ left (1+ \ frac (i) (2) \ right) \ left (1.4 \ right). \]

دعنا نتحقق من الوحدات التي يتم قياس الحرارة فيها ، إذا تم حسابها بواسطة الصيغة (1.4):

\ [\ left [\ Delta Q \ right] = \ left [\ frac (m) (\ mu) R \ Delta T \ left (1+ \ frac (i) (2) \ right) \ right] = \ left [\ frac (m) (\ mu) R \ Delta T \ right] = \ frac (\ left) (\ left [\ mu \ right]) \ left \ left [\ Delta T \ right] = \ frac (kg ) (kg / mol) \ cdot \ frac (J) (mol \ cdot K) \ cdot K = J. \]

لنقم بالحسابات:

\ [\ Delta Q = \ frac (0،2) (2 (10) ^ (- 3)) \ cdot 8،31 \ cdot 100 \ left (1+ \ frac (5) (2) \ right) \ تقريبًا 291 \ cdot (10) ^ 3 \ يسار (ي \ يمين) = 291 \ يسار (كيلوجول \ يمين). \]

إجابه.$ \ Delta Q = 291 \ $ kJ

مثال 2

يمارس.تم تسخين الهيليوم الذي كتلته $ m = 1 \ r $ بمقدار 100 كلفن في العملية الموضحة في الشكل 1. ما مقدار الحرارة التي تنتقل إلى الغاز؟ اكتب إجابتك بوحدات CGS.

قرار.الشكل 1 يصور عملية isochoric. لمثل هذه العملية ، نكتب القانون الأول للديناميكا الحرارية على النحو التالي:

\ [\ Delta Q = \ Delta U \ \ left (2.1 \ right). \]

نجد التغيير في الطاقة الداخلية على النحو التالي:

\ [\ Delta U = \ frac (i) (2) \ frac (m) (\ mu) R \ Delta T \ \ left (2.2 \ right) ، \]

حيث $ i = 3 $ هو عدد درجات الحرية لجزيء الهيليوم ؛ $ \ mu = 4 \ frac (g) (مول) $ ؛ $ R = 8.31 \ cdot (10) ^ 7 \ frac (erg) (مول \ cdot K) $ ؛ $ \ Delta T = 100 \ K. $ جميع القيم مكتوبة في CGS. لنقم بالحسابات:

\ [\ Delta Q = \ frac (3) (2) \ cdot \ frac (1) (4) \ cdot 8،31 \ cdot (10) ^ 7 \ cdot 100 \ almost 3 \ cdot (10) ^ 9 ( erg) \ \]

إجابه.$ \ Delta Q = 3 \ cdot (10) ^ 9 $ erg

محور مقالتنا هو مقدار الحرارة. سننظر في مفهوم الطاقة الداخلية ، والذي يتغير عندما تتغير هذه القيمة. سنعرض أيضًا بعض الأمثلة على تطبيق الحسابات في النشاط البشري.

الحرارة

مع أي كلمة من اللغة الأم ، لكل شخص ارتباطاته الخاصة. يتم تحديدهم من خلال التجربة الشخصية والمشاعر غير المنطقية. ما الذي ترمز إليه عادة كلمة "الدفء"؟ بطانية ناعمة ، تعمل ببطارية تدفئة مركزية في الشتاء ، أول ضوء شمس في الربيع ، قطة. أو نظرة أم ، كلمة مطمئنة من صديق ، انتباه في الوقت المناسب.

يقصد الفيزيائيون بهذا المصطلح المحدد جدًا. ومهم للغاية ، خاصة في بعض أقسام هذا العلم المعقد ولكن الرائع.

الديناميكا الحرارية

لا يستحق النظر في مقدار الحرارة بمعزل عن أبسط العمليات التي يقوم عليها قانون الحفاظ على الطاقة - لن يكون هناك شيء واضح. لذلك ، في البداية ، نذكر قرائنا.

تعتبر الديناميكا الحرارية أن أي شيء أو شيء هو مزيج من عدد كبير جدًا من الأجزاء الأولية - الذرات والأيونات والجزيئات. تصف معادلاتها أي تغيير في الحالة الجماعية للنظام ككل وكجزء من الكل عند تغيير معلمات الماكرو. يُفهم الأخير على أنه درجة الحرارة (يُشار إليها بـ T) ، والضغط (P) ، وتركيز المكونات (عادةً C).

الطاقة الداخلية

الطاقة الداخلية مصطلح معقد نوعًا ما ، يجب فهم معناه قبل الحديث عن كمية الحرارة. تشير إلى الطاقة التي تتغير بزيادة أو نقصان قيمة معلمات الماكرو للكائن ولا تعتمد على النظام المرجعي. إنه جزء من الطاقة الكلية. يتزامن معها في ظل الظروف التي يكون فيها مركز كتلة الشيء قيد الدراسة في حالة راحة (أي ، لا يوجد عنصر حركي).

عندما يشعر شخص ما أن شيئًا ما (على سبيل المثال ، دراجة) قد تم تسخينه أو تبريده ، فإن هذا يدل على أن جميع الجزيئات والذرات التي يتكون منها هذا النظام قد شهدت تغيرًا في الطاقة الداخلية. ومع ذلك ، فإن ثبات درجة الحرارة لا يعني الحفاظ على هذا المؤشر.

العمل والدفء

يمكن تحويل الطاقة الداخلية لأي نظام ديناميكي حراري بطريقتين:

• من خلال العمل عليها ؛
• أثناء التبادل الحراري مع البيئة.

تبدو صيغة هذه العملية كما يلي:

dU = Q-A ، حيث U هي الطاقة الداخلية ، Q هي الحرارة ، A هي الشغل.

دع القارئ لا ينخدع ببساطة التعبير. يوضح التقليب أن Q = dU + A ، لكن إدخال الكون (S) يجلب الصيغة إلى النموذج dQ = dSxT.

نظرًا لأن المعادلة في هذه الحالة تأخذ شكل معادلة تفاضلية ، فإن التعبير الأول يتطلب نفس الشيء. علاوة على ذلك ، اعتمادًا على القوى المؤثرة في الكائن قيد الدراسة والمعلمة التي يتم حسابها ، يتم اشتقاق النسبة اللازمة.

لنأخذ كرة معدنية كمثال على نظام ديناميكي حراري. إذا ضغطت عليه ، ورميته لأعلى ، وقم بإلقائه في بئر عميق ، فهذا يعني القيام بالعمل عليه. ظاهريًا ، كل هذه التصرفات غير المؤذية لن تسبب أي ضرر للكرة ، لكن طاقتها الداخلية ستتغير ، وإن كان بشكل طفيف جدًا.

الطريقة الثانية هي نقل الحرارة. نصل الآن إلى الهدف الرئيسي من هذه المقالة: وصف مقدار الحرارة. هذا هو مثل هذا التغيير في الطاقة الداخلية لنظام ديناميكي حراري يحدث أثناء نقل الحرارة (انظر الصيغة أعلاه). يقاس بالجول أو السعرات الحرارية. من الواضح ، إذا تم وضع الكرة فوق ولاعة ، أو في الشمس ، أو ببساطة في يد دافئة ، فسوف ترتفع درجة حرارتها. وبعد ذلك ، من خلال تغيير درجة الحرارة ، يمكنك معرفة كمية الحرارة التي تم توصيلها إليه في نفس الوقت.

لماذا الغاز هو أفضل مثال على التغيير في الطاقة الداخلية ، ولماذا لا يحب الطلاب الفيزياء بسببه

أعلاه ، وصفنا التغييرات في المعلمات الديناميكية الحرارية للكرة المعدنية. لا يمكن ملاحظتها كثيرًا بدون أجهزة خاصة ، ويترك القارئ لأخذ كلمة عن العمليات التي تحدث مع الكائن. شيء آخر هو إذا كان النظام غاز. اضغط عليه - سيكون مرئيًا ، قم بتسخينه - سيرتفع الضغط ، ويخفضه تحت الأرض - ويمكن إصلاح ذلك بسهولة. لذلك ، في الكتب المدرسية ، غالبًا ما يتم اعتبار الغاز كنظام ديناميكي حراري بصري.

ولكن ، للأسف ، لا يتم إيلاء الكثير من الاهتمام للتجارب الحقيقية في التعليم الحديث. إن العالِم الذي يكتب دليلًا منهجيًا يفهم جيدًا ما هو على المحك. يبدو له أنه باستخدام مثال جزيئات الغاز ، سيتم توضيح جميع المعلمات الديناميكية الحرارية بشكل كافٍ. لكن بالنسبة للطالب الذي يكتشف هذا العالم للتو ، فإنه من الممل أن يسمع عن دورق مثالي بمكبس نظري. إذا كان لدى المدرسة مختبرات بحث حقيقية وساعات مخصصة للعمل فيها ، فسيكون كل شيء مختلفًا. حتى الآن ، للأسف ، التجارب على الورق فقط. وعلى الأرجح ، هذا هو بالضبط ما يدفع الناس إلى اعتبار هذا الفرع من الفيزياء شيئًا نظريًا بحتًا ، بعيدًا عن الحياة وغير ضروري.

لذلك ، قررنا إعطاء الدراجة التي سبق ذكرها أعلاه كمثال. شخص يضغط على الدواسات - يعمل عليها. بالإضافة إلى توصيل عزم الدوران إلى الآلية بأكملها (بسبب تحرك الدراجة في الفضاء) ، تتغير الطاقة الداخلية للمواد التي تُصنع منها الرافعات. يقوم الدراج بدفع المقابض للدوران ويقوم بالعمل مرة أخرى.

تزداد الطاقة الداخلية للطلاء الخارجي (بلاستيك أو معدن). يذهب الشخص إلى مكان تحت أشعة الشمس الساطعة - ترتفع درجة حرارة الدراجة وتتغير كمية الحرارة. يتوقف للراحة في ظل شجرة البلوط القديمة ويبرد النظام ، مما يؤدي إلى إهدار السعرات الحرارية أو الجول. يزيد السرعة - يزيد من تبادل الطاقة. ومع ذلك ، فإن حساب كمية الحرارة في كل هذه الحالات سيظهر قيمة صغيرة جدًا وغير محسوسة. لذلك ، يبدو أنه لا توجد مظاهر للفيزياء الحرارية في الحياة الواقعية.

تطبيق الحسابات للتغيرات في كمية الحرارة

على الأرجح ، سيقول القارئ إن كل هذا مفيد للغاية ، لكن لماذا نتعرض للتعذيب الشديد في المدرسة بهذه الصيغ. والآن سنقدم أمثلة في مجالات النشاط البشري التي يحتاجون إليها مباشرة وكيف ينطبق هذا على أي شخص في حياته اليومية.

لتبدأ ، انظر حولك وعد: كم عدد الأجسام المعدنية التي تحيط بك؟ ربما أكثر من عشرة. ولكن قبل أن يصبح مشبك ورق أو عربة أو حلقة أو محرك أقراص فلاش ، يتم صهر أي معدن. يجب على كل مصنع يعالج ، على سبيل المثال ، خام الحديد أن يفهم مقدار الوقود المطلوب من أجل تحسين التكاليف. وعند حساب ذلك ، من الضروري معرفة السعة الحرارية للمواد الخام المحتوية على المعدن وكمية الحرارة التي يجب نقلها إليها حتى تتم جميع العمليات التكنولوجية. نظرًا لأن الطاقة المنبعثة من وحدة الوقود يتم حسابها بالجول أو السعرات الحرارية ، فإن الصيغ مطلوبة بشكل مباشر.

أو مثال آخر: يوجد في معظم المتاجر الكبرى قسم للسلع المجمدة - الأسماك واللحوم والفواكه. عندما يتم تحويل المواد الخام من لحوم الحيوانات أو المأكولات البحرية إلى منتج نصف نهائي ، يجب أن يعرفوا مقدار الكهرباء التي ستستخدمها وحدات التبريد والتجميد لكل طن أو وحدة من المنتج النهائي. للقيام بذلك ، يجب أن تحسب مقدار الحرارة التي يخسرها كيلوغرام من الفراولة أو الحبار عند تبريده بدرجة واحدة مئوية. وفي النهاية ، سيوضح هذا مقدار الكهرباء التي سينفقها المجمد بسعة معينة.

الطائرات والسفن والقطارات

أعلاه ، لقد أظهرنا أمثلة لأجسام ثابتة وغير متحركة نسبيًا يتم إبلاغها أو ، على العكس من ذلك ، يتم أخذ قدر معين من الحرارة بعيدًا عنها. بالنسبة للأجسام التي تتحرك في عملية التشغيل في ظروف درجة الحرارة المتغيرة باستمرار ، فإن حسابات كمية الحرارة مهمة لسبب آخر.

هناك شيء مثل "التعب المعدني". ويشمل أيضًا الحد الأقصى للأحمال المسموح بها بمعدل معين لتغير درجة الحرارة. تخيل طائرة تقلع من المناطق المدارية الرطبة إلى الغلاف الجوي العلوي المتجمد. يتعين على المهندسين العمل بجد حتى لا ينهار بسبب تشققات في المعدن تظهر عندما تتغير درجة الحرارة. إنهم يبحثون عن تركيبة سبيكة يمكنها تحمل الأحمال الحقيقية ولديها هامش أمان كبير. ولكي لا تبحث بشكل أعمى ، على أمل أن تتعثر عن طريق الخطأ في التكوين المطلوب ، عليك إجراء الكثير من الحسابات ، بما في ذلك تلك التي تتضمن تغييرات في كمية الحرارة.