Hőmennyiség: koncepció, számítások, alkalmazás. A hőmennyiség

Ez a lecke a hőmennyiség fogalmát tárgyalja.

Ha eddig a hővel, energiával vagy ezek átadásával kapcsolatos általános tulajdonságokat, jelenségeket vettük figyelembe, akkor most itt az ideje, hogy megismerkedjünk e fogalmak mennyiségi jellemzőivel. Pontosabban vezesse be a hőmennyiség fogalmát. Az energia és hő átalakulásával kapcsolatos minden további számítás ezen a koncepción fog alapulni.

Meghatározás

A hőmennyiség az az energia, amelyet a hőátadás átad.

Gondoljuk át a kérdést: milyen mennyiségben fejezzük ki ezt a hőmennyiséget?

A hőmennyiség összefügg belső energia testek, ezért amikor a test energiát kap, belső energiája növekszik, amikor pedig leadja, csökken (1. ábra).

Rizs. 1. A hőmennyiség és a belső energia kapcsolata

Hasonló következtetések vonhatók le a testhőmérsékletről is (2. ábra).

Rizs. 2. A hőmennyiség és a hőmérséklet összefüggése

A belső energiát joule-ban (J) fejezzük ki. Ez azt jelenti, hogy a hőmennyiséget is joule-ban (SI-ben) mérik:

A hőmennyiség szabványos jelölése.

Hogy megtudjuk: mitől függ, 3 kísérletet végzünk.

1. kísérlet

Vegyünk két egyforma, de eltérő tömegű testet. Például vegyünk két egyforma serpenyőt, és öntsünk bele különböző mennyiségű (azonos hőmérsékletű) vizet.

Nyilvánvalóan több idő kell ahhoz, hogy felforraljuk azt az edényt, amelyben több víz van. Vagyis több hőt kell kommunikálnia.

Ebből arra következtethetünk, hogy a hőmennyiség a tömegtől függ (egyenesen arányos - minél nagyobb a tömeg, annál nagyobb a hőmennyiség).

Rizs. 3. 1. kísérlet

2. kísérlet

A második kísérletben azonos tömegű testeket fogunk különböző hőmérsékletekre hevíteni. Vagyis vegyünk két fazék azonos tömegű vizet, és az egyiket melegítsük fel, a másikat pedig például -ra.

Nyilvánvaló, hogy a serpenyő magasabb hőmérsékletre való felmelegítéséhez több időre van szükség, vagyis több hőt kell leadnia.

Ebből arra következtethetünk, hogy a hőmennyiség a hőmérséklet-különbségtől függ (egyenesen arányos - minél nagyobb a hőmérsékletkülönbség, annál nagyobb a hőmennyiség).

Rizs. 4. 2. kísérlet

3. kísérlet

A harmadik kísérletben figyelembe vesszük a hőmennyiség függését az anyag jellemzőitől. Ehhez vegyünk két serpenyőt, és öntsünk az egyikbe vizet, a másikba pedig napraforgóolajat. Ebben az esetben a víz és az olaj hőmérsékletének és tömegének azonosnak kell lennie. Mindkét serpenyőt azonos hőmérsékletre melegítjük.

Egy fazék víz felmelegítéséhez több időre van szükség, vagyis több hőt kell átadnia.

Ebből arra következtethetünk, hogy a hőmennyiség az anyag fajtájától függ (a pontos módjáról a következő leckében lesz szó).

Rizs. 5. 3. kísérlet

A kísérletek után megállapíthatjuk, hogy ez attól függ:

• a testtömegtől;
• hőmérsékletének változása;
• fajta anyag.

Vegyük észre, hogy az általunk vizsgált összes esetben nem fázisátalakulásokról (vagyis egy anyag aggregált állapotának változásáról) beszélünk.

Ugyanakkor a hőmennyiség számértéke a mértékegységeitől is függhet. A joule mellett, amely SI mértékegység, a hőmennyiség mérésére egy másik mértékegységet is használnak - kalória(fordítva "hő", "meleg").

Ez meglehetősen kicsi érték, ezért a kilokalória fogalmát gyakrabban használják: . Ez az érték annak a hőmennyiségnek felel meg, amelyet át kell adni a víznek ahhoz, hogy felmelegedjen.

A következő leckében megvizsgáljuk a fajlagos hőkapacitás fogalmát, amely az anyaghoz és a hőmennyiséghez kapcsolódik.

Bibliográfia

1. Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Szerk. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizika 8. - M.: Mnemosyne.
2. Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Túzok, 2010.
3. Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizika 8. - M.: Felvilágosodás.

1. "festival.1september.ru" internetes portál ()
2. "class-fizika.narod.ru" internetes portál ()
3. „school.xvatit.com” internetes portál ()

Házi feladat

1. oldal 20., 7. bekezdés, 1-6. Peryshkin A.V. Fizika 8. - M.: Túzok, 2010.
2. Miért hűl le sokkal kevésbé egyik napról a másikra a víz a tóban, mint a homok a tengerparton?
3. Miért nevezik élesen kontinentálisnak azt az éghajlatot, amelyet nappal és éjszaka között éles hőmérséklet-változások jellemeznek?

A hőmennyiség mértékegységein. A hőmennyiség mértékegységét - a "kis" kalória - fentebb úgy definiáltuk, mint az a hőmennyiség, amely ahhoz szükséges, hogy a víz hőmérsékletét légköri nyomáson 1 K-vel megemeljük. De mivel a víz hőkapacitása különböző hőmérsékleteken eltérő, meg kell állapodni abban, hogy milyen hőmérsékleten választják ezt az egyfokos intervallumot.

A Szovjetunióban az úgynevezett húsz fokos kalóriát alkalmazzák, amelyre a 19,5 és 20,5 ° C közötti intervallumot alkalmazzák. Egyes országokban tizenöt fokos kalóriát használnak (az első intervallum J, a második - J. Néha átlagos kalóriát használnak, amely megegyezik a víz melegítéséhez szükséges hőmennyiség századával.

A hőmennyiség mérése. A test által adott vagy fogadott hőmennyiség közvetlen mérésére speciális eszközöket - kalorimétereket - használnak.

Legegyszerűbb formájában a kaloriméter egy olyan edény, amely jól ismert hőkapacitású anyaggal van megtöltve, például vízzel (fajhő).

A mért hőmennyiség így vagy úgy átkerül a kaloriméterbe, aminek következtében a hőmérséklete megváltozik. Ennek a hőmérséklet-változásnak a mérésével megkapjuk a hőt

ahol c a kalorimétert kitöltő anyag fajlagos hőkapacitása, tömege.

Figyelembe kell venni, hogy a hő nem csak a kaloriméter anyagába kerül, hanem az edénybe és a benne elhelyezhető különféle eszközökbe is. Ezért a mérés előtt meg kell határozni a kaloriméter úgynevezett termikus egyenértékét - azt a hőmennyiséget, amely az "üres" kalorimétert egy fokkal felmelegíti. Néha ezt a korrekciót úgy vezetik be, hogy további tömeget adnak a víz tömegéhez, amelynek hőkapacitása megegyezik az edény és a kaloriméter egyéb részeinek hőkapacitásával. Ekkor feltételezhetjük, hogy a hő átadódik a víztömegnek, amely egyenlő a A mennyiséget a kaloriméter vízegyenértékének nevezzük.

Hőkapacitás mérés. A kaloriméter a hőkapacitás mérésére is szolgál. Ebben az esetben pontosan tudni kell a bevitt (vagy elvitt) hőmennyiséget, ha ez ismert, akkor az egyenlőségből számítják ki a fajlagos hőkapacitást

hol van a vizsgált test tömege, és a hő hatására bekövetkező hőmérsékletváltozás

A hőt kaloriméterben juttatják el a testhez, amelyet úgy kell megtervezni, hogy a leadott hő csak a vizsgált testbe (és természetesen a kaloriméterbe) kerüljön át, de ne vesszen el a környező térben. Mindeközben az ilyen hőveszteségek bizonyos mértékig mindig előfordulnak, és ezek figyelembe vétele a fő gond a kalorimetriás méréseknél.

A gázok hőkapacitásának mérése nehézkes, mert alacsony sűrűségük miatt a kaloriméterben elhelyezhető gáztömeg hőkapacitása kicsi. Normál hőmérsékleten összemérhető egy üres kaloriméter hőkapacitásával, ami elkerülhetetlenül csökkenti a mérési pontosságot. Ez különösen érvényes az állandó térfogatú hőkapacitás mérésére, melynek meghatározásakor ez a nehézség kikerülhető, ha a vizsgált gázt (állandó nyomáson) a kaloriméteren keresztül áramoltatjuk (lásd alább).

Mérés Szinte az egyetlen módszer a gáz hőkapacitásának közvetlen mérésére állandó térfogat mellett a Joly (1889) által javasolt módszer. Ennek a módszernek a sémája az ábrán látható. 41.

A kaloriméter egy K kamrából áll, amelyben a kiegyensúlyozó gerenda végein két egyforma üreges rézgolyó van felfüggesztve, alul lemezekkel, felül pedig reflektorokkal. Az egyik golyót evakuálják, a másikat megtöltik a vizsgált gázzal. Annak érdekében, hogy a gáz érezhető hőkapacitású legyen, jelentős nyomás alatt fecskendezik be, a befújt gáz tömegét mérlegek segítségével határozzák meg, súlyokkal állítva helyre a gázbevezetéssel megzavart egyensúlyt.

Miután létrejött a termikus egyensúly a golyók és a kamra között, vízgőzt engednek be a kamrába (a gőz be- és kilépésére szolgáló csövek a kamra elülső és hátsó falán találhatók, és a 41. ábrán nem láthatók). A gőz mindkét golyón lecsapódik, felmelegíti őket, és a tányérokba áramlik. De egy gázzal töltött gömbön több folyadék kondenzálódik, mivel nagyobb a hőkapacitása. Az egyik golyón túl sok kondenzvíz miatt a golyók egyensúlya ismét megbomlik. A mérleg kiegyensúlyozása után megtudjuk, hogy a golyóban lévő gáz jelenléte miatt lecsapódott a folyadéktöbblet. Ha ez a többlettömeg egyenlő, akkor a víz kondenzációs hőjével megszorozva megkapjuk azt a hőmennyiséget, amely a gáz felmelegítésére ment a kezdeti hőmérsékletről a vízgőz hőmérsékletére, ezt a különbséget hőmérővel megmérve. , kapunk:

ahol a fajlagos hőkapacitás a gáz. A fajlagos hőkapacitás ismeretében azt találjuk, hogy a moláris hőkapacitás

Mérés Korábban már említettük, hogy a hőkapacitás állandó nyomáson történő mérése érdekében a vizsgált gázt kaloriméteren keresztül kényszerítik. Csak így biztosítható a gáznyomás állandósága a hőellátás és fűtés ellenére is, enélkül a hőkapacitás mérése lehetetlen. Példaként egy ilyen módszerre mutatjuk be itt a Regnault-féle klasszikus kísérlet leírását (A berendezés sémája a 42. ábrán látható.

Az A tartályból származó tesztgázt egy szelepen vezetik át a B olajjal ellátott edénybe helyezett, valamilyen hőforrással felmelegített tekercsen. A gáz nyomását szelep szabályozza, állandóságát manométer szabályozza, a tekercsben hosszan haladva a gáz felveszi az olaj hőmérsékletét, amit hőmérővel mérnek.

A tekercsben felmelegedett gáz ezután áthalad a vízkaloriméteren, lehűl benne a hőmérő által mért meghatározott hőmérsékletre, és kimegy a szabadba. Az A tartályban a gáznyomás mérésével a kísérlet elején és végén (ehhez nyomásmérőt használnak), megtudjuk, mekkora a gáz tömege, amely áthaladt a készüléken.

A gáz által a kaloriméternek leadott hőmennyiség megegyezik a kaloriméter vízegyenértékének és hőmérséklete változásának szorzatával, ahol a kaloriméter kezdeti hőmérséklete.

A hőenergia egy hőmérő rendszer, amelyet két évszázaddal ezelőtt találtak fel és használtak. Az ezzel a mennyiséggel való munkavégzés fő szabálya az volt, hogy a hőenergia megmarad, és nem tud egyszerűen eltűnni, hanem átvihető más energiaformába.

Számos általánosan elfogadott hőenergia mértékegységei. Főleg az ipari szektorokban használják, mint pl. A leggyakoribbakat az alábbiakban ismertetjük:

Az SI-rendszerben szereplő bármely mértékegység célja egy adott energiatípus, például hő vagy villamos energia teljes mennyiségének meghatározása. A mérési idő és mennyiség ezeket az értékeket nem befolyásolja, ezért felhasználhatók mind az elfogyasztott, mind a már elfogyasztott energiára. Ezen túlmenően az esetleges adás-vétel, valamint a veszteségek is ilyen mennyiségben kerülnek kiszámításra.

Hol vannak a felhasznált hőenergia mértékegységei

Hővé alakított energiaegységek

Szemléltető példaként az alábbiakban különböző népszerű SI-mutatók összehasonlítása látható a hőenergiával:

• 1 GJ 0,24 Gcal-nak felel meg, ami elektromos értelemben 3400 millió kWh óránként. Hőenergia-egyenértékben 1 GJ = 0,44 tonna gőz;
• Ugyanakkor 1 Gcal = 4,1868 GJ = 16 000 millió kW óránként = 1,9 tonna gőz;
• 1 tonna gőz 2,3 GJ = 0,6 Gcal = 8200 kW óránként.

Ebben a példában a megadott gőzértéket a 100°C elérésekor a víz elpárolgásaként vesszük.

A hőmennyiség kiszámításához a következő elvet alkalmazzák: a hőmennyiségre vonatkozó adatok megszerzéséhez a folyadék melegítésére használják, majd a víz tömegét megszorozzák a csírázott hőmérséklettel. Ha SI-ben a folyadék tömegét kilogrammban mérik, a hőmérsékleti különbségeket pedig Celsius-fokban, akkor az ilyen számítások eredménye a hőmennyiség kilokalóriában.

Ha szükség van hőenergia átvitelére egyik fizikai testről a másikra, és tudni akarjuk az esetleges veszteségeket, akkor érdemes az anyag kapott hő tömegét megszorozni a növekedés hőmérsékletével, majd megtudni. a kapott érték szorzata az anyag „fajlagos hőkapacitásával”.

Meghatározás

A hőmennyiség vagy egyszerűen melegség($Q$) belső energiának nevezzük, amely munkavégzés nélkül a hővezetési vagy sugárzási folyamatok során a magasabb hőmérsékletű testekről az alacsonyabb hőmérsékletű testekre kerül át.

Joule - SI mértékegység a hőmennyiség mérésére

A hőmennyiség mértékegysége a termodinamika első főtételéből adódik:

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

ahol $A$ a termodinamikai rendszer munkája; $\Delta U$ - a rendszer belső energiájának változása; $\Delta Q$ - a rendszerbe szállított hőmennyiség.

Az (1) törvényből, és még inkább az izoterm folyamatra vonatkozó változatából:

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

Nyilvánvaló, hogy a Nemzetközi Mértékegységrendszerben (SI) a joule (J) az energia és a munka mértékegysége.

Könnyen kifejezhető a joule alapegységekben az energia ($E$) definíciója segítségével:

ahol $c$ a fénysebesség; $m$ - testtömeg. A (2) kifejezés alapján a következőket kapjuk:

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

A joule esetében az összes szabványos SI előtagot használjuk, amelyek tizedes tört- és többszörös egységeket jelölnek. Például $1kJ=(10)^3J$; 1MJ = $(10)^6J$; 1 GJ=$(10)^9J$.

Erg - a cgs rendszerben lévő hőmennyiség mértékegysége

A CGS rendszerben (centiméter, gramm, másodperc) a hőt ergekben (ergs) mérik. Ebben az esetben egy erg egyenlő:

Figyelembe véve, hogy:

megkapjuk a joule és az erg arányát:

Kalória - a hőmennyiség mértékegysége

A kalóriát rendszeren kívüli egységként használják a hőmennyiség mérésére. Egy kalória egyenlő azzal a hőmennyiséggel, amelyet egy kilogramm tömegű víznek át kell adni ahhoz, hogy az egy Celsius-fokkal felmelegedjen. A joule és a kalória közötti kapcsolat a következő:

Pontosabban megkülönböztetik:

• Nemzetközi kalória, ez egyenlő:
\
• termokémiai kalória:
\
• 15 fokos kalória a hőméréshez:
\

A kalóriákat gyakran decimális előtagokkal használják, például: kcal (kilocalorie) $1kcal=(10)^3cal$; Mcal (megakalória) 1Mcal = $(10)^6cal$; Gcal (gigakalória) 1 Gcal=$(10)^9cal$.

Néha egy kilokalóriát nagy kalóriának vagy kilogramm-kalóriának neveznek.

Példák a megoldással kapcsolatos problémákra

1. példa

Gyakorlat. Mennyi hőt nyel el a $m=0,2$kg tömegű hidrogén, ha $t_1=0(\rm()^\circ\!C)$ értékről $t_2=100(\rm()^\circ) értékre melegítjük C)$ állandó nyomáson? Válaszát írja le kilojoule-ban!

Döntés. Felírjuk a termodinamika első főtételét:

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

\[\Delta U=\frac(i)(2)\frac(m)(\mu )R\Delta T\ \left(1,2\right),\]

ahol $i=5$ a hidrogénmolekula szabadsági fokainak száma; $\mu =2\cdot (10)^(-3)\frac(kg)(mol)$; $R=8,31\ \frac(J)(mol\cdot K)$; $\Delta T=t_2-t_1$. Feltételezve, hogy izobár folyamatról van szó. Az izobár folyamatban végzett munka egyenlő:

Az (1.2) és (1.3) kifejezések figyelembevételével az izobár folyamat termodinamika első főtételét a következő alakra alakítjuk át:

\[\Delta Q=\frac(m)(\mu )R\Delta T\ +\frac(i)(2)\frac(m)(\mu )R\Delta T=\frac(m)(\ mu )R\Delta T\left(1+\frac(i)(2)\right)\ \left(1,4\right).\]

Nézzük meg, milyen mértékegységekben mérik a hőt, ha az (1.4) képlettel számítjuk ki:

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

Végezzük el a számításokat:

\[\Delta Q=\frac(0,2)(2 (10)^(-3))\cdot 8,31\cdot 100\left(1+\frac(5)(2)\right)\ kb. 291\cdot (10)^3\left(J\right)=291\ \left(kJ\jobb).\]

Válasz.$\Delta Q=291\ $ kJ

2. példa

Gyakorlat. A $m=1\r$ tömegű héliumot 100 K-vel hevítettük az 1. ábrán látható eljárással. Mennyi hőt adnak át a gáznak? Írja le válaszát CGS-egységekben.

Döntés. Az 1. ábra egy izokhorikus folyamatot mutat be. Egy ilyen folyamathoz a termodinamika első főtételét így írjuk:

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

A belső energia változását a következőképpen találjuk:

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

ahol $i=3$ a héliummolekula szabadságfokainak száma; $\mu =4\frac(g)(mol)$; $R=8,31\cdot (10)^7\ \frac(erg)(mol\cdot K)$; $\Delta T=100\ K.$ Minden érték CGS-ben van írva. Végezzük el a számításokat:

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

Válasz.$\Delta Q=3\cdot (10)^9$ erg

Cikkünk középpontjában a hőmennyiség áll. Megvizsgáljuk a belső energia fogalmát, amely átalakul, ha ez az érték megváltozik. Néhány példát mutatunk be a számítások emberi tevékenységben való alkalmazására is.

Hő

Az anyanyelv bármely szavával minden embernek megvan a maga asszociációja. Személyes tapasztalatok és irracionális érzések határozzák meg őket. Mit jelent általában a „melegség” szó? Puha takaró, télen működő központi fűtés akkumulátor, tavasszal az első napfény, macska. Vagy egy anya pillantása, egy barát vigasztaló szava, időszerű odafigyelés.

A fizikusok ez alatt egy nagyon specifikus kifejezést értenek. És nagyon fontos, különösen ennek az összetett, de lenyűgöző tudománynak egyes szakaszaiban.

Termodinamika

Nem érdemes a hőmennyiséget a legegyszerűbb folyamatoktól elkülönítve figyelembe venni, amelyeken az energiamegmaradás törvénye alapul - semmi sem lesz egyértelmű. Ezért először is emlékeztetjük olvasóinkat.

A termodinamika minden dolgot vagy tárgyat nagyon sok elemi rész - atomok, ionok, molekulák - kombinációjának tekint. Egyenletei leírják a rendszer egészének kollektív állapotában és az egész részeként bekövetkező bármilyen változást a makroparaméterek megváltoztatásakor. Ez utóbbiak alatt a hőmérsékletet (T-vel jelöljük), a nyomást (P), az összetevők koncentrációját (általában C-t) értjük.

Belső energia

A belső energia meglehetősen bonyolult kifejezés, amelynek jelentését meg kell érteni, mielőtt a hőmennyiségről beszélnénk. Azt az energiát jelöli, amely az objektum makróparamétereinek értékének növekedésével vagy csökkenésével változik, és nem függ a referenciarendszertől. Ez a teljes energia része. Egybeesik vele olyan körülmények között, amikor a vizsgált dolog tömegközéppontja nyugalomban van (azaz nincs kinetikai komponens).

Ha egy személy úgy érzi, hogy valamilyen tárgy (mondjuk egy kerékpár) felmelegedett vagy lehűlt, ez azt mutatja, hogy a rendszert alkotó összes molekula és atom belső energiája megváltozott. A hőmérséklet állandósága azonban nem jelenti ennek a mutatónak a megőrzését.

Munka és melegség

Bármely termodinamikai rendszer belső energiája kétféleképpen alakítható át:

• azáltal, hogy munkát végez rajta;
• a környezettel való hőcsere során.

A folyamat képlete így néz ki:

dU=Q-A, ahol U a belső energia, Q a hő, A a munka.

Ne tévessze meg az olvasót a kifejezés egyszerűsége. A permutáció azt mutatja, hogy Q=dU+A, de az entrópia (S) bevezetése a képletet dQ=dSxT alakba hozza.

Mivel ebben az esetben az egyenlet differenciálegyenlet alakját veszi fel, az első kifejezés ugyanezt követeli meg. Továbbá a vizsgált objektumban ható erőktől és a számítás alatt álló paramétertől függően a szükséges arányt levezetjük.

Vegyünk egy fémgolyót a termodinamikai rendszer példájaként. Ha nyomást gyakorolsz rá, feldobod, mély kútba dobod, akkor ez azt jelenti, hogy dolgozol rajta. Külsőleg ezek az ártalmatlan tevékenységek nem okoznak semmilyen kárt a labdában, de a belső energiája megváltozik, bár nagyon kis mértékben.

A második módszer a hőátadás. Most elérkeztünk a cikk fő céljához: a hőmennyiség leírásához. Ez egy termodinamikai rendszer belső energiájának olyan változása, amely a hőátadás során következik be (lásd a fenti képletet). Joule-ban vagy kalóriában mérik. Nyilvánvaló, hogy ha a labdát egy öngyújtó fölé tartjuk, a napon, vagy egyszerűen csak meleg kézben tartjuk, akkor felmelegszik. És akkor a hőmérséklet változtatásával meg lehet találni azt a hőmennyiséget, amelyet egyidejűleg közöltek vele.

Miért a gáz a legjobb példa a belső energia változására, és miért nem szeretik a diákok emiatt a fizikát

Fentebb egy fémgolyó termodinamikai paramétereinek változásait írtuk le. Speciális eszközök nélkül nem nagyon észrevehetőek, az olvasónak marad szó a tárggyal végbemenő folyamatokról. Egy másik dolog, ha a rendszer gáz. Nyomd rá - látható lesz, melegítsd fel - emelkedik a nyomás, engedd le a föld alá - és ez könnyen javítható. Ezért a tankönyvekben a gázt leggyakrabban vizuális termodinamikai rendszernek tekintik.

De sajnos a modern oktatásban nem fordítanak sok figyelmet a valódi kísérletekre. Az a tudós, aki módszertani kézikönyvet ír, tökéletesen érti, mi forog kockán. Úgy tűnik számára, hogy a gázmolekulák példájával minden termodinamikai paraméter megfelelően demonstrálható lesz. De egy diák számára, aki csak felfedezi ezt a világot, unalmas egy elméleti dugattyús ideális lombikról hallani. Ha az iskolában valódi kutatólaboratóriumok lennének, és azokban lekötött órákat dolgoznának, minden más lenne. Egyelőre sajnos csak papíron vannak a kísérletek. És a legvalószínűbb, hogy ez az oka annak, hogy az emberek a fizika eme ágát pusztán elméleti, az élettől távoli és szükségtelen dolognak tekintik.

Ezért úgy döntöttünk, hogy a fentebb már említett kerékpárt hozzuk példaként. Az ember megnyomja a pedálokat – dolgozik rajtuk. Amellett, hogy a nyomatékot kommunikálják a teljes mechanizmussal (ami miatt a kerékpár a térben mozog), megváltozik azoknak az anyagoknak a belső energiája, amelyekből a karok készülnek. A kerékpáros megnyomja a fogantyúkat, hogy forduljon, és ismét elvégzi a munkát.

A külső bevonat (műanyag vagy fém) belső energiája megnő. Az ember egy tisztásra megy a ragyogó nap alatt - a kerékpár felmelegszik, hőmennyisége megváltozik. Megáll pihenni egy öreg tölgyfa árnyékában, és a rendszer lehűl, kalóriákat vagy joule-t pazarolva. Növeli a sebességet – fokozza az energiacserét. A hőmennyiség számítása azonban mindezen esetekben nagyon kicsi, észrevehetetlen értéket mutat. Ezért úgy tűnik, hogy a termodinamikai fizikának nincsenek megnyilvánulásai a való életben.

Számítások alkalmazása a hőmennyiség változására

Valószínűleg az olvasó azt fogja mondani, hogy mindez nagyon informatív, de miért kínoznak minket ennyire az iskolában ezekkel a képletekkel. És most példákat adunk, hogy az emberi tevékenység mely területein van rájuk közvetlenül szükség, és hogyan vonatkozik ez bárkire a mindennapi életében.

Kezdésként nézzen körül, és számolja meg: hány fémtárgy vesz körül? Valószínűleg több mint tíz. Mielőtt azonban gemkapocs, kocsi, gyűrű vagy pendrive válna belőle, minden fém megolvasztódik. Minden üzemnek, amely mondjuk vasércet dolgoz fel, meg kell értenie, hogy mennyi üzemanyagra van szükség a költségek optimalizálásához. Ennek számításakor pedig ismerni kell a fémtartalmú alapanyagok hőkapacitását és azt a hőmennyiséget, amit át kell adni ahhoz, hogy minden technológiai folyamat lezajljon. Mivel az egységnyi üzemanyag által felszabaduló energiát joule-ban vagy kalóriában számítják ki, a képletekre közvetlenül szükség van.

Vagy egy másik példa: a legtöbb szupermarketnek van egy részlege fagyasztott árukkal – hal, hús, gyümölcs. Ha az állati húsból vagy tenger gyümölcseiből származó nyersanyagokat félkész termékké alakítják, tudniuk kell, hogy a hűtő- és fagyasztóegységek mennyi villamos energiát használnak fel a késztermék tonnájára vagy egységére vetítve. Ehhez ki kell számítani, hogy egy kilogramm eper vagy tintahal mennyi hőt veszít egy Celsius-fokkal lehűtve. És a végén ez megmutatja, hogy egy bizonyos kapacitású fagyasztó mennyi áramot fog elkölteni.

Repülőgépek, hajók, vonatok

Fentebb példákat mutattunk be viszonylag mozdulatlan, statikus tárgyakra, amelyek tájékozódnak, vagy éppen ellenkezőleg, bizonyos mennyiségű hőt vonnak el tőlük. Az állandóan változó hőmérsékleti körülmények között működés közben mozgó tárgyak esetében a hőmennyiség számítása más okból is fontos.

Van olyan, hogy "fémfáradtság". Tartalmazza a megengedett legnagyobb terheléseket is bizonyos hőmérséklet-változási sebesség mellett. Képzeljen el egy repülőgépet, amely a nedves trópusokról felszáll a fagyos felső légkörbe. A mérnököknek keményen kell dolgozniuk, hogy ne essen szét a hőmérséklet változásakor megjelenő fémrepedések miatt. Olyan ötvözet-összetételt keresnek, amely elviseli a valós terhelést, és nagy biztonsági résszel rendelkezik. És annak érdekében, hogy ne keressen vakon, abban a reményben, hogy véletlenül belebotlik a kívánt összetételbe, sok számítást kell végeznie, beleértve azokat is, amelyek a hőmennyiség változását is tartalmazzák.