Тема 2.5

                           ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ 

 

          Тема 2.5. Теплові процеси.

§26. Загальні відомості про внутрішню енергію тіла.                               153

§27. Теплообмін. Види теплообміну.                                                             158

§28. Кількість теплоти. Питома теплоємність речовини.

Рівняння теплового балансу.                                                                           164

§29. Теплота плавлення, пароутворення та горіння.                                 171

§30. Молекулярна фізика. Узагальнююче повторення.                            177

 

Тема 2.5   Теплові процеси.

 

 Нагадаємо. Молекулярна фізика – це розділ фізики, в якому вивчають загальні властивості твердих, рідких і газоподібних речовин та ті теплові процеси які відбуваються з ними. До тепер, ми фактично вивчали загальні властивості речовин. А якщо і згадували про теплові процеси то лише в сенсі способу переходу речовини з одного агрегатного стану в інший. Наразі ж прийшов час поговорити про енергетичну суть теплових процесів та про кількісну оцінку цієї суті.

 

§26. Загальні відомості про внутрішню енергію тіла.

 

Нагадаємо. Енергія – це фізична величина, яка характеризує здатність фізичного об’єкту виконати роботу, тобто здійснити ту чи іншу енергозатратну дію.

Позначається: Е

Визначальне рівняння: різні, в залежності від виду енергії,

Одиниця вимірювання:  [Е] = Дж.

Розрізняють дві базові різновидності енергії: кінетична і потенціальна.

Кінетична енергія (енергія руху) – це та енергія, яку має фізичний об’єкт за рахунок того що він рухається і яка дорівнює половині добутку маси об’єкту на квадрат швидкості його руху.

Позначається: Ек

Визначальне рівняння: Ек = mv2/2,

Одиниця вимірювання: [Ек] = Дж.

Потенціальна енергія (енергія взаємодії) – це та енергія, яку має фізичний об’єкт за рахунок того, що він так чи інакше взаємодіє з іншими фізичними об’єктами, або за рахунок тих взаємодій які відбуваються всередині самого об’єкту.

Позначається: Еп

Визначальне рівняння: Еп = ?  (єдиної, універсальної формули, яка б дозволяла визначати величину потенціальної енергії в будь яких її проявах, нема).

Одиниця вимірювання: [Еп] = Дж.

Наряду з силою, енергія відноситься до числа тих фізичних величин які мають величезну кількість різновидностей. Енергія може бути механічною і електричною, тепловою і хімічною, магнітною і електромагнітною, звуковою і ядерною, повною і внутрішньою, потенціальною сили пружності і потенціальною сили тяжіння, кінетичною поступального руху і кінетичною обертального руху, енергією спокою, енергією зв’язку, енергією активізації, енергією іонізації і т.д. і т.п.

Вище сказане по суті означає, що перш ніж говорити про енергію як числову характеристику певного об’єкту або явища, потрібно визначитись з тим, про яку різновидність енергії йде мова. Це тим більш важливо, зважаючи на факт того, що в різних обставинах, за однією і тією ж назвою можуть приховуватись суттєво різні величини. От, наприклад, сьогодні ми говоримо про внутрішню енергію тіла, тобто ту енергію яка зосереджена всередині (внутрі) даного тіла і яка чисельно дорівнює сумі кінетичних та потенціальних енергій тих частинок з яких це тіло складається.

Величина цієї енергії по суті залежить від рівня деталізації внутрішнього устрою тіла. Наприклад, якщо виходити з того що тіло складається з молекул, то його внутрішня енергія має визначатись як сума кінетичних і потенціальних енергій всіх молекул цього тіла. Якщо ж врахувати, що молекули складаються з атомів, то визначаючи внутрішню енергію тіла, потрібно врахувати не лише

кінетичну і потенціальну енергію його молекул, а й кінетичну та потенціальну енергію тих атомів з яких ці молекули складаються. А якщо прийняти до уваги  факт того, що атоми також мають певний внутрішній устрій, то визначаючи внутрішню енергію тіла потрібно врахувати і енергію тих частинок з яких складаються його атоми.

Оскільки в молекулярній фізиці прийнято вважати, що тіла складаються з молекул, то в ній: внутрішня енергія – це та енергія яка зосереджена всередині даного тіла і яка чисельно дорівнює сумі кінетичних і потенціальних енергій всіх молекул цього тіла.

Позначається: U

Визначальне рівняння:  U = ∑Екі + ∑Епі

Одиниця вимірювання: [U] = Дж.

В загальному випадку, теоретично визначати внутрішню енергію довільно взятого тіла ми не вміємо. Не вміємо головним чином тому, що на сьогоднішній день не існує тієї універсальної формули, яка б дозволяла визначати потенціальну енергію молекул речовини. А оскільки Еп = ? то              U = ∑Екі + ∑Епі = ?

Однак, якщо мова йде про ідеальний газ, то для нього енергією взаємодії молекул можна знехтувати, тобто вважати, що Еп = 0. А це означає, що для ідеального газу  U = ∑Екі = NЕк = (3/2)NkT  (1),

де N – загальна кількість молекул газу;

k = 1,38·10-23Дж/К – стала Больцмана;

Т – абсолютна температура газу.

Зважаючи на те, що для одного моля газу N = NA = 6,02·1023(1/моль), можна записати  Uмоль= (3/2)NAkT = (3/2)RT,   де R = NAk = 8,31Дж/К·моль – молярна газова стала.

Для довільної кількості молей газу (ν= m/М), рівняння (1) набуває вигляду  U=(3/2)mRT/M     (2),      де m – маса газу, М – молярна маса газу.

Теоретично обгрунтовуючи формулу (2), ми виходили з того, що молекули газу, це пружні кульки. А це означає, що визначаючи кінетичну енергію цих кульок ми не враховували енергію їх обертального руху. Не враховували тому, що енергетичний результат взаємодії пружних кульок, практично не залежить від того обертаються ці кульки чи не обертаються. В загальному ж випадку молекули є багатоатомними, а отже такими, які не надто схожі на круглі кульки. Тому, визначаючи кінетичну енергію багатоатомних молекул потрібно враховувати як кінетичну енергію їх поступального руху Ек=mv2/2, так і кінетичну енергію їх обертального руху Ек=J0ω2/2.

Враховуючи ці обставини, можна довести що внутрішня енергія двохатомних молекул (О2, N2, Н2, СО, тощо), має визначатись за формулою U = (5/2)mRT/M. Якщо ж мова йде про гази, молекули яких є трьох і більше атомними (СО2, СН4, С2Н2, тощо), то їх внутрішня енергія має визначатись за формулою U = (6/2)mRT/M.

Таким чином, в залежності від того з яких молекул складається газ, величину його внутрішньої енергії можна визначити за однією з наступних формул:

– для одноатомних молекул                    U = 1,5mRT/M ;

– для двохатомних молекул                     U = 2,5mRT/M ;

– для трьох і більше атомних молекул  U = 3,0mRT/M .

Говорячи про внутрішню енергію тіла та про ту її складову яка називається потенціальною енергією, потрібно мати на увазі, що ці енергії є відносними величинами. Наприклад, коли ми стверджуємо, що потенціальна енергія молекул газу дорівнює нулю, то це зовсім не означає що вона дійсно дорівнює нулю. Це навіть не означає, що ця енергія дійсно мала. Більше того, це навіть не означає, що потенціальна енергія молекул газу дійсно менша за їх кінетичну енергію. Твердження про те, що потенціальна енергія молекул газу дорівнює нулю, означає лише те, що підсумковий результат взаємодії молекул газу є нулевим – швидкість молекули до взаємодії, дорівнює її швидкості після взаємодії. А це означає, що описуючи кінематичну поведінку молекул газу, енергією їх взаємодії можна знехтувати і вважати, що Еп=0.

Взагалі, коли ми говоримо про потенціальну енергію, то маємо усвідомлювати факт того, що мова йде про надзвичайно складний вид прихованої енергії, по відношенню до якої будь які категоричні заяви можуть виявитись хибними. Зважаючи на ці обставини зробимо декілька зауважень.

По перше, ви маєте завжди пам’ятати, що потенціальна енергія є відносною величиною. Наприклад, якщо перебуваючи в кімнаті третього поверху, ви піднімаєте над столом тіло і стверджуєте, що воно має потенціальну енергію величина якої Еп = mgh, де h – висота тіла над рівнем стола, то маєте на увазі не потенціальну енергію тіла “взагалі”, а ту її різновидність яка називається потенціальною енергією сили тяжіння і ту частину цієї енергії, яка визначена по відношенню до рівня поверхні стола. Адже по відношенню до інших рівнів, скажімо рівнів полу першого, другого і третього поверхів, ця енергія буде іншою.

По друге, визначаючись з тим, в якій ситуації потенціальної енергії більше, а в якій менше, потрібно керуватись не своїми емоціями, а законом збереження енергії. От наприклад, нам здається очевидним, що потенціальна енергія молекул льоду більша за потенціальну енергію молекул води. Адже в твердому льоду ці молекули міцно з’єднані, тобто такі що сильно взаємодіють між собою. А оскільки потенціальна енергія – це енергія взаємодії, то здається очевидним, що сильно взаємодіючі молекули льоду, мають і відповідно більшу кількість потенціальної енергії.

Однак не поспішайте з висновками. Бо коли мова йде про потенціальну енергію, то навіть очевидні речі можуть виявитись хибними. Дійсно. Для того щоб лід з температурою 0?С перетворити на воду такої ж температури, цьому льоду потрібно надати певну кількість енергії (ту енергію яка піде на плавлення льоду Qпл). При цьому, згідно з законом збереження енергії, має виконуватись співвідношення  Uл + Qпл = Uв. А тепер зважте на факт того, що при одній і тій же температурі, кінетична енергія молекул льоду і кінетична енергія молекул води є однаковою. І що в такому випадку можна сказати про потенціальну енергію цих молекул? Правильно, потенціальна енергія молекул води є значно більшою за потенціальну енергію молекул льоду.

Тому, коли ми стверджуємо, що потенціальною енергією молекул газу можна знехтувати і вважати що вона дорівнює нулю, то це зовсім не означає, що ця енергія дійсно гранично мала. Адже насправді потенціальна енергія молекул газу набагато більша за потенціальну енергію молекул відповідної рідини і ще більша за потенціальну енергію молекул відповідного твердого тіла. Твердження ж про те, що потенціальна енергія молекул газу є такою, величиною якої можна знехтувати, фактично означає лише те, що на рівні тих процесів які відбуваються в газі, вплив потенціальної енергії молекул на ці процеси є не суттєвим.

Ситуація нагадує таку, коли ви, перебуваючи на рівні третього поверху, проводите експерименти з тими пружними кульками які рухаються гладенькою підлогою цього поверху. Аналізуючи кінематичну поведінку цих кульок, ви робите висновок про те, що ця поведінка не залежить від факту того, що по відношенню до рівнів першого та другого поверхів, кожна з кульок має певний запас потенціальної енергії. Та от в підлозі з’являється отвір, потрапляючи в який кульки опиняються на рівні підлоги другого поверху. При цьому неминуче з’ясовується що та прихована потенціальна енергія, яка на рівні третього поверху жодним чином не проявляла себе, на рівні другого поверху, перетворюється на відповідну кількість кінетичної енергії та відповідним чином впливає на кінематичну поведінку кульок.

Зважаючи на вище сказане, не дивуйтесь тому, що в процесі конденсації виділяється величезна кількість теплової енергії. Просто в процесі конденсації молекули речовини “падають” з більш високого енергетичного поверху (рівня) на більш низький. При цьому та прихована потенціальна енергія яка на рівні поверху “газ” практично не проявляла себе, на рівні більш низького поверху “рідина” перетворюється на відповідну кількість кінетичної енергії (теплоти).

Завершуючи розмову про внутрішню енергію тіла та про ту її частину яка називається потенціальною енергією молекул, буде не зайвим сказати наступне. Коли ми стверджуємо, що потенціальна енергія молекул, це надзвичайно складний вид прихованої енергії, величину якої ми не вміємо визначати, то це зовсім не означає, що не існує методів визначення потенціальної енергії молекул в тій чи іншій конкретній ситуації. Мова йде лише про те, що цю енергію не можна визначити на основі певної універсальної формули, на кшталт  Ек = mv2/2.

Потенціальна енергія молекул речовини визначається не на основі певної універсальної теоретичної формули, а на основі певних експериментальних досліджень. Наприклад, якщо у вас є шматок льоду і ви хочете визначити потенціальну енергію його молекул, тобто ту енергію завдяки якій молекули води утворюють тверде тіло (лід) то вам зовсім не обов’язково знати певну заумну формулу. Достатньо розплавити лід і визначити ту енергію яка була витрачена на процес плавлення (Qпл). Ця енергія і буде загальною потенціальною енергією молекул льоду. А точніше, тією частиною потенціальної енергії молекул, яка суттєво проявляє себе на енергетичному поверсі “лід”.

 

Словник фізичних термінів.

Внутрішня енергія – це та енергія яка зосереджена всередині даного тіла і яка чисельно дорівнює сумі кінетичних і потенціальних енергій всіх молекул цього тіла.

Позначається: U

Визначальне рівняння:  U = ∑Екі + ∑Епі

Одиниця вимірювання: [U] = Дж.

Контрольні запитання.

1.Що означає твердження: визначальне рівняння потенціальної енергії має вигляд Еп = ?

2. Чи означає цей факт (Еп=?), що ми не вміємо визначати величину потенціальної енергії молекул в тій чи іншій конкретній ситуації?

3. Що означає твердження: потенціальна енергія, це відносна величина?

4. Що означає твердження: внутрішня енергія тіла, це відносна величина?

5. Як визначають середню кінетичну енергію однієї молекули речовини?

6. Чи можна за визначальним рівнянням внутрішньої енергії визначити внутрішню енергію: а) твердого тіла; б) рідини; в) газу? Чому?

7. Потенціальна енергія яких молекул більша: а)твердого тіла чи відповідної рідини; б) твердого тіла чи відповідного пару? Чому?

Вправа 10.

1.На скільки джоулів зміниться внутрішні енергія одного моля ідеального газу, при його нагріванні на 1,5°С ?

2. На скільки джоулів зміниться внутрішня енергія 200г азоту, при зміні його температури на 20°С ?

3. Порівняйте внутрішні енергії однакових мас гелію і кисню, якщо температури цих газів однакові.

4. Визначте внутрішню енергію того азоту що знаходиться в балоні ємністю 60літрів при тиску 5атм.

5. При зменшенні об’єму одноатомного газу в 3,6 рази, його тиск збільшився на 20% У скільки разів змінилася внутрішня енергія газу?

6. Як зміниться внутрішня енергія одноатомного газу при його: а) ізобарному нагріванні; б) ізохорному охолодженні; в) ізотермічному стиснені.

7. Визначте внутрішню енергію того повітря що знаходиться в класній кімнаті, якщо відомо: температура повітря 20°С, густина повітря 1,29кг/м3, молярна маса повітря 29г/моль, об’єм кімнати 150м3.

 

§27. Теплообмін. Види теплообміну.

 

         Теплові процеси нерозривно повязані зі зміною внутрішньої енергії тіта, тобто зі зміною загальної кількості кінетичної та потенціальної енергії його молекул. Зазвичай ці зміни є результитом виконання механічної роботи, проходження електричного струму або теплообміну.

Теплообмін, це такий самовільний незворотній процес, при якому теплова енергія передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого, або від більш нагрітої частини тіла до менш нагрітої і який не супроводжується виконанням механічної роботи. Існує три різновидності теплообміну: теплопровідність, конвекція та променевий теплообмін.

Теплопровідність, це такий теплообмін, при якому обмін тепловою енергією відбувається в процесі взаємодії мікрочастинок речовини і який не супроводжується переносом самої речовини. Наприклад, якщо мідний стержень нагрівати в одному місці, то ця нагрітість поступово розповсюдиться на увесь стержень. Розповсюдиться тому, що джерело теплової енергії змушує атоми міді коливатись інтенсивніше, а ті в свою чергу змушують інтенсивніше коливатись сусідні атоми і т.д. Ситуація нагадує таку, коли в ланцюгу пружно пов’язаних кульок, примушують коливатись одну з них, і це коливання поступово розповсюджується на увесь ланцюг. Втім, теплопровідність це надзвичайно складний процес, який лише віддалено нагадує взаємодію пружно з’єднаних кульок.

  

 

Мал.72. а) Розрізняють три види теплообміну: теплопровідність, конвекція, променевий теплообмін; б) теплопровідність різних матеріалів є різною.

Теплопровідність матеріалу оцінюють параметром який називається коефіцієнтом теплопровідності. Фізична суть та визначальне рівняння цього коефіцієнту досить складні. Тому на практиці теплопровідні властивості матеріалу, часто виражають в одиницях теплопровідності води (табл.) Наприклад, якщо в такій оцінювальній шкалі, теплопровідність алюмінію 370, а повітря 0,04, то це означає що теплопровідність алюмінію в 370 разів більша, а води в 25 разів менша за теплопровідність води.                             Таблиця

Відносні теплопровідності деяких речовин. (в одиницях теплопровідності води).

Речовина     k Речовина     k
вода   1 цегла   1,05
срібло   755 скло   0,98
мідь   677 папір   0,23
золото   516 береза   0,27
алюміній   370 сосна   0,18
вольфрам   234 пробкове дерево   0,07
залізо   118 вовняна тканина   0,09
лід   3,5 повітря   0,04
фарфор   1,7 вакуум   0,0000

Теплопровідність, це надзвичайно складний процес, хід якого залежить від багатьох обставин: розмірів, маси та форми молекул, характеру зв’язків між ними, відстані між молекулами, наявності в речовині мікродефектів, домішок, сторонніх включень, тощо. Скажімо висока теплопровідність металів, обумовлена рухливістю і щільністю розташування їх атомів, а також фактом того, що ці атоми постійно обмінюються колективізованими та надзвичайно рухливими електронами. Низька теплопровідність матеріалів органічного походження (деревина, папір, вовна, тощо) пояснюється фактом того, що ці матеріали мають рихлу структуру і складаються з величезних, неповоротких та переплетених макромолекул, які надзвичайно складно “розгойдати”.

Якщо ж говорити про наднизьку теплопровідність повітря та інших газів, то вона пояснюється тим, що молекули газоподібних речовин знаходяться на відносно великих відстанях і тому в процесі хаотичного руху повільно передають теплову інформацію. Умовно кажучи, якщо пружні кульки знаходяться в щільному контакті та утворюють довгий ланцюг, то той ударний імпульс який ви надасте першій кульці ланцюга, практично миттєво буде переданий його останній кульці. Якщо ж ті ж кульки будуть розташовані на відносно великих відстанях, то передача ударного імпульсу від кульки до кульки буде відбуватись повільно. А враховуючи факт того, що реальний рух молекул – кульок є криволінійно хаотичним, не важко зрозуміти, чому в газах передача теплової інформації відбувається надзвичайно повільно.

Факт надзвичайно низької теплопровідності повітря по суті означає, що якби його нагрівання відбувалось лише за рахунок теплопровідності, то увімкнувши батарею опалення в жовтні, ми б нагріли кімнату лише у березні. Однак ви знаєте, що система опалювання нагріває повітря кімнати в сотні, а то й тисячі разів швидше. Цю швидкість нагрівання забезпечує той вид  теплообміну який називається конвекцією.

Конвекція, це такий теплообмін, при якому обмін тепловою енергією відбувається в процесі перемішування різнонагрітих частин рідини або газу. Фізична суть конвекції полягає в наступному. Якщо посудину з водою поставити на полум’я, то її нижній приповерхневий шар швидко нагрівається і відповідно розширюється. А це означає, що нагріта вода під дією сили Архімеда піднімається вгору, а її місце займає більш холодна вода. При цьому гарячі і холодні шари води перемішуються, що сприяє швидкому нагріванні всієї маси рідини.

Оскільки рушійною силою конвекційного теплообміну є направлена вгору сила Архімеда, то цей теплообмін буде ефективно нагрівати рідину або газ лише в тому випадку коли джерело енергії знаходиться в нижніх шарах відповідного середовища. Саме тому батареї системи опалювання розташовують як найнижче.

 

Мал.73.  Конвекційний теплообмін є ефективним лише в тому випадку коли джерело енергії нагріває нижні шари середовища (рідини або газу).

Конвекційний теплообмін є основним способом нагрівання великих мас рідин та газів. Результатом конвекційних процесів є не лише швидке нагрівання повітря в квартирах та шкільних приміщеннях і не тільки швидке нагрівання води в каструлях та чайниках, а й потужні вітри, потужні океанські течії, тощо.

Передача теплоти як шляхом теплопровідності так і шляхом конвекції, передбачає наявність певного речовинного середовища, яке і забезпечує відповідний теплообмін. А це означає, що а ні теплопровідність, а ні конвекція не можуть забезпечити передачу теплоти через безповітряний простір. При цьому виникає питання: а яким чином величезна кількість теплової енергії від Сонця передається на Землю? Відповідь на це запитання дає ще одна різновидність теплообміну яка називається променевим теплообміном.

Променевий теплообмін, це такий теплообмін, при якому тіла обмінюються тепловою енергією шляхом випромінювання та поглинання електромагнітних хвиль (фотонів електромагнітного випромінювання).

Сьогодні ми не готові до серйозної розмови про фізичну суть та спосіб розповсюдження електромагнітних хвиль. Сьогодні ми просто констатуємо той факт, що інтенсивний тепловий рух частинок речовини породжує електромагнітні хвилі, які при взаємодії з частинками іншої речовини, змушують їх рухатись інтенсивніше. Зауважимо також, що однією з різновидностей електромагнітних хвиль є видиме світло і що такі хвилі випромінюють практично всі нагріті тіла, будь то Сонце, батарея системи опалювання чи організм людини. Просто параметри тих електромагнітних хвиль які випромінюються різнонагрітими тілами є різними і тому відповідно різними є наші відчуття. А от що дійсно об’єднує всі електромагнітні хвилі, так це здатність розповсюджуватись в безповітряному просторі, та здатність при взаємодії з речовиною віддавати їй свою енергію.

Дослідження показують, що тіла можуть поглинати, відбивати або пропускати електромагнітні хвилі. І що при поглинанні хвиль, внутрішня енергія тіла збільшується, а при відбиванні та пропусканні – залишається практично незмінною. Наприклад, якщо в потік сонячного світла внести шматок чорної тканини, дзеркало та прозоре скло, то неодмінно з’ясується, що тканина швидко та суттєво нагріється, а нагрітість дзеркала і скла залишиться практично незмінною. І це закономірно. Адже чорна тканина тому і чорна, що практично повністю поглинає енергію того видимого світла що на неї потрапляє. Якщо ж говорити про дзеркальну та прозору поверхні, то перша практично повністю відбиває світло, а друга – безперешкодно пропускає його. При цьому, енергетичний результат обох процесів однаковий – тіло не поглинає світлову енергію і тому кількість його внутрішньої енергії залишається незмінною.

Увесь спектр сучасних знань про теплопровідність, конвекцію та променевий теплообмін застосовують при облаштуванні ефективних систем опалювання, ефективних теплоізоляційних систем, ефективних водо та газо нагрівних приладів, тощо. Прикладами такого застосування з сучасні термоси та калориметри.

Термос, це прилад, який забезпечує ефективну теплоізоляцію тієї речовини яка в ньому знаходиться. Основним теплоізоляційним елементом термосу (мал.61а) є спеціальна скляна або металева посудина. Особливість цієї посудини в тому, що вона має подвійні стінки, між якими створено безповітряний простір (вакуум). Крім цього, стінки цієї посудини є дзеркальними, тобто такими, що відбивають електромагнітні хвилі. Принцип дії термосу очевидно простий. Той безповітряний простір що існує між подвійними стінками термосу, протидіє теплопровідному та конвекційному теплообміну з навколишнім середовищем. А дзеркальні поверхні стінок, забезпечують захист від променевих втрат.

  

Мал.74. Загальний устрій термосу (а) та калориметра (б).

Калориметр (від лат. calor – теплота і грец. metreo – вимірюю), це прилад, за допомогою якого вимірюють кількість тієї теплоти що виділяється або поглинається в результаті того чи іншого теплового процесу.

Сучасні калориметри мають достатньо складну будову. Однак принциповий устрій та принцип дії калориметра є досить простими. В максимально енергоізольованій посудині (мал.74б) міститься відома кількість відомої рідини, наприклад води. В цю рідину опускають об’єкт теплового дослідження. При цьому, та теплова енергія яка виділяється або поглинається цим об’єктом, передається рідині. Знаючи масу рідини (m), її теплоємність (с) і те на скільки збільшилась або зменшилась температура рідини (?t) в процесі теплообміну, визначають величину відповідної енергії (теплоти): Q=cm?t. Ясно, що при подібних розрахунках потрібно враховувати і ту енергію яку отримують або віддають інші елементи системи, зокрема посудина калориметра, термометр, тощо.

 

Словник фізичних термінів.

Теплообмін, це такий самовільний незворотній процес, при якому теплова енергія передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого, або від більш нагрітої частини тіла до менш нагрітої і який не супроводжується виконанням механічної роботи.

Теплопровідність, це такий теплообмін, при якому обмін тепловою енергією відбувається в процесі взаємодії мікрочастинок речовини і який не супроводжується переносом самої речовини.

Конвекція, це такий теплообмін, при якому обмін тепловою енергією відбувається в процесі перемішування різнонагрітих частин рідини або газу.

Променевий теплообмін, це такий теплообмін, при якому тіла обмінюються тепловою енергією шляхом випромінювання та поглинання електромагнітних хвиль (фотонів електромагнітного випромінювання).

Контрольні запитання.

1.Поясніть суть теплопровідності.

2. Чому метали мають високу теплопровідність, а гази – низьку?

3. На прикладі системи опалювання поясніть суть конвекції.

4. Яким чином енергія Сонці передається на Землю?

5. Як ви думаєте, чому в потоці сонячного світла, чорні тіла нагріваються на багато сильніше аніж білі?

6. Поясніть будову та принцип дії термосу.

7. Поясніть будову та принцип дії калориметра.

 

§28. Кількість теплоти. Питома теплоємність речовини. Рівняння теплового балансу.

 

В § 24 ми наголошували на тому, що в загальному випадку теоретично визначати внутрішню енергію тіла (U) ми не вміємо:   оскільки  Еп = ? то  U = ∑Екі + ∑Епі = ? Однак на практиці, нас майже завжди цікавить не внутрішня енергія тіла, а те, на скільки вона змінюється в результаті того чи іншого теплового процесу. Іншими словами, на практиці нас цікавить не U, а ΔU. Наприклад, нас не цікавить та загальна кількість тієї внутрішньої енергії що зосереджена в певній кількості води, пару, заліза чи вугілля. Нас цікавить, скільки енергії потрібно для того, щоб нагріти дану воду на задану кількість градусів. Нас цікавить, скільки енергії потрібно для того, щоб перетворити задану кількість води в пар. Нас цікавить, скільки енергії ми отримаємо при перетворенні пару в рідину та охолодженні цієї рідини до певної температури. Нас цікавить, скільки енергії потрібно для того, щоб розплавити певну кількість заліза. Нас цікавить, скільки енергії ми отримаємо при згоранні певної кількості вугілля. Іншими словами, практичне значення має не внутрішня енергія тіла (U), а те на скільки вона змінюється в результаті того чи іншого теплового процесу. Цю зміну внутрішньої енергії тіла (ΔU = Uк–Uп) називають кількістю теплоти.

Кількість теплоти – це фізична величина, яка показує на скільки джоулів змінюється внутрішня енергія тіла в результаті того чи іншого теплового процесу.

Позначається: Q

Визначальне рівняння:  Q = ΔU

Одиниця вимірювання: [Q] = Дж.

Оскільки в загальному випадку, теоретично визначати внутрішню енергію тіла ми не вміємо, то відповідно не вміємо теоретично визначати і кількість тієї теплоти що виділяється або поглинається при тому чи іншому тепловому процесі. В подібних ситуаціях, на допомогу теорії завжди приходить експеримент. От наприклад, ми говоримо  про той тепловий процес який називається нагріванням. Нагрівання, це такий тепловий процес який відбувається з поглинанням енергії, супроводжується підвищенням температури речовини і не супроводжується зміною її агрегатного стану. Очевидно, що кількість тієї теплоти яку потрібно витратити на те, щоб певне тіло нагріти на певну кількість градусів (кельвінів), залежить від: 1) маси тіла (m); 2) різниці початкової та кінцевої температур тіла (ΔТ=Δt); 3) теплових властивостей самого тіла. Цю залежність можна записати у вигляді Qн = сmΔT, або Qн = сmΔt, де  с – питома теплоємність речовини.

Питома теплоємність речовини – це фізична величина, яка характеризує теплові властивості даної речовини і яка показує скільки енергії потрібно витратити на те, щоб один кілограм відповідної речовини нагріти на один кельвін (на один градус Цельсія).

Позначається: с

Визначальне рівняння: с = Qн/mΔT

Одиниця вимірювання: [с] = Дж/кг·К.

Теоретично визначити питому теплоємність довільно взятої речовини практично не можливо. Натомість її можна визначити експериментально. З цією метою, виготовлене із даного матеріалу тіло відомої маси (m) нагрівають на задану кількість кельвінів (ΔТ=Δt) і визначають ту кількість енергії Qн яка була витрачена на відповідне нагрівання. А потім, за формулою  с = Qн/mΔT визначають числове значення питомої теплоємності відповідної речовини і записують його у відповідну таблицю (див. табл. ).                            Таблиця

Питомі теплоємності деяких речовин.

Речовина с (Дж/кгК) Речовина с (Дж/кгК)
                                      Тверді    речовини
алюміній   880 платина   125
залізо, сталь   460 свинець   120
золото   125 срібло   250
лід   2090 скло   840
мідь   380 цегла   750
оливо   250 цинк   400
пісок   970 чавун   550
                                              Рідини
вода  4187 ртуть   130
гас  2140 спирт   2430
залізо  830 нафта   2100
                                        Гази   ( р = const )
азот   1000 гелій   5200
аміак   2100 кисень   920
водень   14300 повітря  1000
водяний пар   2200 вуглекислий газ   830

 

Таким чином, маючи у своєму розпорядженні результати попередніх експериментальних досліджень, ту кількість теплоти яку отримує тіло в процесі нагрівання, можна визначити за формулою Qн = сmΔT, або Qн = сmΔt

Дослідження показують, що величина тієї кількості теплоти яку отримує тіло при його нагріванні (Qн), в точності дорівнює тій кількості теплоти яку воно віддає при аналогічному охолодженні Qох= Qн = сmΔT. Охолодження, це такий тепловий процес, який відбувається з виділенням енергії, супроводжується зниженням температури речовини і не супроводжується зміною її агрегатного стану.

Застосовуючи формули  Qн = сmΔT; Qох= сmΔT, потрібно мати на увазі, що мова йде про взаємно протилежні процеси, які повинні характеризуватись відповідно протилежними знаками. Власне, ця протилежність міститься в самих формулах. Дійсно. При нагріванні Ткп і тому ΔТ=Тк – Тп > 0, а отже  Qн має знак «+». При охолодженні  Тк < Тп і тому ΔТ=Тк – Тп < 0, а отже  Qох має знак «−».

Потрібно зауважити, що коли ми стверджували: теоретично визначити питому теплоємність довільно взятої речовини практично неможливо, то мали на увазі саме довільно взяту речовину. Адже, якщо такою речовиною є газ, а особливо газ ідеальний, то в цьому випадку теоретичні розрахунки є можливими. Дійсно.

Задача. Визначити питому теплоємність азоту (N2) при його ізохоричному (m=const, V=const)  та ізобаричному (m=const, p=const) нагріванні: сv = ?; ср = ?.

Рішення.

Питома теплоємність речовини визначається за формулою с = Qн/mΔT , де Qн – кількість теплоти (енергії) яку потрібно витратити на те щоб тіло масою m нагріти на ΔТ кельвінів. Не важко довести, що для газів, величина цієї кількості теплоти (Qн) залежить не лише від маси газу, а й від того яким буде процес нагрівання: ізохоричним (m=const, V=const) чи ізобаричним (m=const, p=const).

Дійсно. Якщо в процесі нагрівання, об’єм газу залишається незмінним (мал.75а) то та енергія Qн що надається газу, повністю йде на збільшення його внутрішньої енергії, тобто Qн = ΔU. Якщо ж процес нагрівання є ізобаричним (мал.75б), то при такому нагріванні, газ розширюється. А це означає, що надана газу енергія Qн  йде не лише на збільшення внутрішньої енергії газу ΔU, а й на виконання механічної роботи: Qн = ΔU + Амех.

  

.            Qн = ΔU                                                 Qн = ΔU + Амех.

Мал.75. Кількість тієї теплоти яка йде на нагрівання одного й того ж газу при ізохоричному (а) та ізобаричному (б) процесах є суттєво різною.

В §24 було теоретично доведено, що внутрішня енергія двохатомного газу визначається за формулою U=2,5mRT/M. А це означає, що при зміні температури газу на ΔТ, його внутрішня енергія зміниться на ΔU=2,5mRΔT/M. Враховуючи вище сказане, питому теплоємність двохатомного газу при його ізохоричному нагріванні (сv) можна визначити за формулою: cv=Q/mΔT= =ΔU/mΔT = 2,5R/M,  де R=8,31Дж/К·моль – молярна газова стала, М – молярна маса газу. Оскільки для азоту (N2): М=28г/моль=28·10-3кг/моль, то сv(N2)=740Дж/кг·К.

Таким чиним, питома теплоємність азоту (N2) при його ізохоричному нагріванні (m=const, V=const) становить сv(N2)=740Дж/кг·К.

Визначаючи питому теплоємність газу при його ізобаричному нагріванні (m=const, p=const), потрібно врахувати і ту механічну роботу, яку виконує газ в процесі цього нагрівання. А величину цієї роботи можна визначити із наступних міркувань. Оскільки механічну роботу виконує сила тиску газу, та враховуючи що р=F/S, а отже F=pS, можна записати Амех=FΔl=рSΔl=pΔV.

Зважаючи на вище сказане, можна  записати:

cp = Q/mΔT = (ΔU+Aмех)/mΔT = ΔU/mΔT + Aмех/mΔT = cv + pΔV/mΔT.

Визначаючи величину співвідношення pΔV/mΔT, розглянемо термодинамічний стан газу до ізобаричного нагрівання (p, V, T) та після цього нагрівання (p, ΔV, ΔT). Згідно з об’єднаним газовим законом:

pV/T = p(V+ΔV)/(T+ΔT), або V/T = (V+ΔV)/(T+ΔT), або  (V+ΔV)/V = (T+ΔT)/T,

або  1 + ΔV/V = 1 + ΔT/T, або   ΔV/V = ΔT/T, або   ΔV/ΔT = V/T.

Таким чином pΔV/mΔT = pV/mT, а враховуючи що m=ΔV, можна записати:  pV/mT = pV/ΔVT = p/ΔT. У підсумку: ср = сv + p/ΔT.

Якщо виходити з того, що теплоємність газу, в даному випадку азоту, визначається за нормальних умов (р=1,013·105Па, Т=273К, ρ=1,25кг/м3), то p/ΔT = … = 236Дж/кг·К

Таким чиним, питома теплоємність азоту (N2) при його ізобаричному нагріванні (m=const, р=const) становить ср(N2)=740+236=1036Дж/кг·К.

Відповідь: сv(N2)=740Дж/кг·К ;  ср(N2)=1036Дж/кг·К.

Отримані нами теоретичні результати достатньо точно співпадають з експериментально визначеною величиною питомої теплоємності азоту при його ізохоричному та ізобаричному нагріванні. А це означає, що відповідна теорія є правильною.

Узагальнюючи рішення задачі, можна сказати наступне. Питома теплоємність газу при його ізохоричному (сv) та ізобаричному (ср) нагріванні є різною. При цьому, величини цих питомих теплоємностей можна визначити за формулами:

– для одноатомних газів:                   cv=1,5R/M;    ср = сv + p/ΔT;

– для двохатомних газів:                   cv=2,5R/M;     ср = сv + p/ΔT;

– для трьох і більше атомних газів:  cv=3,0R/M;    ср = сv + p/ΔT.

При всьому різноманітті тих процесів що відбуваються при теплообміні,  виконується закон який називається рівнянням теплового балансу. Рівняння теплового балансу – це закон, в якому стверджується: при теплообміні, загальна кількість теплоти втраченої одними тілами замкнутої (енерго ізольованої) системи, дорівнює загальній кількості теплоти отриманої іншими тілами цієї системи. Іншими словами: ∑Qвтр = ∑Qотр .

Наприклад, якщо нагріте тіло опустити в посудину з холодною водою, то тіло втратить певну кількість теплової енергії, а вода і посудина аналогічну кількість енергії отримає. А якщо в результаті точних вимірювань з’ясується, що та загальна кількість тієї теплоти яку отримала вода і посудина дещо менша за ту кількість теплоти яку втратило нагріте тіло, то це означатиме лише те, що відповідна система є не замкнутою, і що розв’язуючи задачу ми чогось не врахували. Наприклад того, що частина енергії нагрітого тіла пішла на випаровування рідини.

Не важко збагнути, що рівняння теплового балансу є частковим випадком більш загального закону – закону збереження енергії.

 

Словник фізичних термінів.

Кількість теплоти – це фізична величина, яка показує на скільки джоулів змінюється внутрішня енергія тіла в результаті того чи іншого теплового процесу.

Позначається: Q

Визначальне рівняння:  Q = ΔU

Одиниця вимірювання: [Q] = Дж.

Нагрівання, це такий тепловий процес, який відбувається з поглинанням енергії, супроводжується підвищенням температури речовини і не супроводжується зміною її агрегатного стану. При нагріванні, надана речовині теплова енергія йде на збільшення кінетичної енергії її молекул, при цьому потенціальна енергія цих молекул залишається практично незмінною: Q → Eк↑; Еп = const.

Охолодження, це такий тепловий процес, який відбувається з виділенням енергії, супроводжується зниженням температури речовини і не супроводжується зміною її агрегатного стану. При охолодженні, виділення енергії відбувається за рахунок зменшення кінетичної енергії молекул речовини, при цьому потенціальна енергія цих молекул залишається практично незмінною: Q ← Eк↓; Еп = const.

Питома теплоємність речовини – це фізична величина, яка характеризує теплові властивості даної речовини і яка показує скільки енергії потрібно витратити на те, щоб один кілограм відповідної речовини нагріти на один кельвін (на один градус Цельсія).

Позначається: с

Визначальне рівняння: с = Qн/mΔT

Одиниця вимірювання: [с] = Дж/кг·К.

Рівняння теплового балансу – це закон, в якому стверджується: при теплообміні, загальна кількість теплоти втраченої одними тілами замкнутої (енерго ізольованої) системи, дорівнює загальній кількості теплоти отриманої іншими тілами цієї системи. Іншими словами: ∑Qвтр = ∑Qотр .

Контрольні запитання.

1.Визначальне рівняння кількості теплоти має вигляд Q=ΔU. який недолік цього рівняння?

2. Чи можна теоретично визначити питому теплоємність: а) рідини; б)газу?

3. Як визначають питому теплоємність речовини?

4. Відомо, що питома теплоємність води 4200Дж/кгК. Що це означає?

5. На яку енергію перетворюється та енергія яка надається тілу в процесі його нагрівання?

6. Звідки береться та енергія яка виділяється в процесі охолодження тіла?

7. Чому питома теплоємність газу виміряна при постійному об’ємі завжди менша за питому теплоємність того ж газу виміряній при постійному тиску?

Вправа 11.

1.Щоб нагріти 110г алюмінію на 90°С знадобилось 9,1Дж енергії. Визначити питому теплоємність алюмінію.

2. З якої висоти має впасти трьох кілограмова цеглина, щоб своєю кінетичною енергією нагріти літр води на 1°С?

3. На скільки нагріється при штампуванні сталева деталь масою 1кг від удару молота масою 100кг, якщо швидкість молота в момент удару 20м/с, а на нагрівання деталі йде 40% його енергії?

4. Склянку ємністю 200см3 на три чверті заповнили окропом, а рештою водою з температурою 20°С. Якою буде температура води в склянці?

5. В скляну посудину масою 100г в якій знаходиться 300г води при 20°С, опустили 400г заліза з температурою 5°С і 300г міді з температурою 25°С. Визначити кінцеву температуру системи.

6. Визначити питому теплоємність гелію та вуглекислого газу при постійному об’ємі та постійному тиску.

7. За нормальних умов повітря займає об’єм 0,50м3. Коли повітрю надали певну кількість теплоти, воно ізобарично розширилось до об’єму 0,55м3. Визначити: виконану повітрям роботу, зміну його температури, кількість поглинутої ним теплоти та зміну його внутрішньої енергії.

 

§29. Теплота плавлення, пароутворення та згорання.

 

До числа найбільш розповсюджених теплових процесів, окрім нагрівання та охолодження, відносяться плавлення, кристалізація, пароутворення, конденсація, горіння. Про фізичну суть більшості з цих процесів ви вже знаєте. Тому наразі стисло зупинимся лише на кількісній оцінці енергетичних параметрів цих процесів.

Плавлення, це процес переходу речовини з кристалічного стану в рідкий, який відбувається при певній постійній температурі та супроводжується поглинанням енергії. Кристалізація, це процес переходу речовини з рідкого стану в кристалічний, який відбувається при певній постійній температурі та супроводжується виділенням енергії.

Оскільки в процесі плавлення, температура речовини залишається незмінною, то це означає, що надана цій речовині енергія йде на збільшення потенціальної енергії її молекул. При кристалізації ж навпаки, та енергія яку віддає речовина є результатом відповідного зменшення потенціальної енергії її молекул.

На практиці кількість тієї теплоти що поглинається в процесі плавлення, або виділяється в процесі кристалізації, визначається за формулою

Qпл = λm

де  m – маса розплавленої (кристалізованої) речовини,

λ – питома теплота плавлення речовини.

Питома теплота плавлення – це фізична величина, яка характеризує теплові властивості даної речовини і яка показує скільки енергії потрібно витратити на те, щоб розплавити один кілограм відповідної речовини, за умови що вона вже знаходиться при температурі плавлення.

Позначається:  λ

Визначальне рівняння:  λ = Qпл/m

Одиниця вимірювання:  [λ] = Дж/кг

Теоретично визначити питому теплоту плавлення речовини, практично не можливо. Не можливо тому, що в процесі плавлення практично вся надана тілу енергія йде на збільшення потенціальної енергії його молекул. А як відомо, теоретично визначати величину цієї енергії ми не вміємо. Тому, величину питомої теплоти плавлення  кожної окремо взятої речовини визначають експериментально. А результати цих експериментів записують у відповідну таблицю.                                                                           Таблиця.

Температура плавлення та питома теплота плавлення деяких речовин.

Речовина tпл (°C) λ (Дж/кг) Речовина tпл (°C) λ (Дж/кг)
алюміній 659 3,8·105 олово 232 0,58·105
вода, лід 0 3,35·105 ртуть – 39 0,13·105
вольфрам 3410 0,26·105 свинець 327 0,25·105
залізо 1530 2,5·105 срібло 960 0,88·105
золото 1063 0,66·105 чавун білий 1200 1,3·105
мідь 1083 1,8·105 чавун сірий 1150 0,97·105

 

Пароутворення, це такий тепловий процес, який відбувається з поглинанням енергії і супроводжується переходом речовини з рідкого стану в газоподібний. Конденсація, це такий тепловий процес, який відбувається з виділенням енергії та супроводжується переходом речовини з газоподібного стану в рідкий.

На відміну від процесу плавлення, якай відбувається при постійній температурі, пароутворення може відбуватися при будь якій температурі рідини. При цьому, дослідження показують, що при різних температурах кількість тієї теплоти яку потрібно витратити для випаровування однієї і тієї ж кількості рідини є суттєво різною. Наприклад, для випаровування одного літра води при температурі 20°С потрібно 24,5·105Дж енергії, а при температурі 100°С – 22,6·105Дж. Втім, зазвичай, енергетичні параметри процесів нагрівання та конденсації визначають по відношенню до температури кипіння відповідної рідини.

На практиці, кількість тієї теплоти що поглинається в процесі пароутворення, або виділяється в процесі конденсації, визначають за формулою:  Qпар= rm, де m – маса випаруваної (сконденсованої) рідини; r – питома теплота пароутворення речовини.

Питома теплота пароутворення – це фізична величина, яка характеризує теплові властивості даної речовини і яка показує, скільки енергії потрібно витратити на те, щоб при певній постійній температурі (зазвичай при температурі кипіння) випарувати один кілограм відповідної речовини.

Позначається:  r

Визначальне рівняння:  r = Qпар/m

Одиниця вимірювання: [r] = Дж/кг.

Питома теплота пароутворення кожної конкретної речовини визначається експериментально. А результати цих експериментів записуються у відповідну таблицю.                                                                    Таблиця

Температура кипіння та питома теплота пароутворення деяких речовин.

Речовина t (°С) r (Дж/кг) Речовина t (°С) r (Дж/кг)
аміак -33,4  13,7·105 ртуть  357  2,85·105
ацетон  56,2   5,2·105 спирт  78  8,57·105
бензин  150   3,0·105 фреон -12 -29,8  16,8·105
вода  100  22,6·105 ефір етиловий  35  3,52·105
залізо  3050   0,6·105      

 

Горіння, це такий тепловий процес, який супроводжується певними хімічними реакціями та інтенсивним виділенням великої кількості теплової і певної кількості світлової енергії.

Зазвичай, горіння це досить складний процес, який представляє собою сукупність великої кількості екзотермічних, ланцюгових хімічних реакцій, протіканню яких сприяє низка суто фізичних явищ, як-то нагрівання, випаровування, дифузія, конвекційний теплообмін, тощо. Однак, якщо говорити про фізичну суть горіння, то вона досить проста. І ця суть полягає в тому, що в процесі горіння потенціальна енергія хімічних зв’язків, або  хімічно взаємодіючих речовин, перетворюється в кінетичну енергію продуктів згорання (Еп → Ек).

На практиці кількість тієї теплоти що виділяється в процесі горіння, визначають за формулою:  Qгор = qm, де m – маса того палива, q – питома теплота згорання палива.

Питома теплота згорання – це фізична величина, яка характеризує теплові властивості даного виду палива і яка показує скільки енергії виділиться в процесі повного згорання одного кілограма відповідного палива.

Позначається:  q

Визначальне рівняння: q = Qгор/m

Одиниця вимірювання:  [q] = Дж/кг.

Питома теплота згорання кожного виду палива визначається експериментально та записується до відповідної таблиці (дивись табл. ).

Таблиця

       Речовина q (Дж/кг)      Речовина q (Дж/кг)
.                                                                                 Тверде   паливо
буре вугілля 9,3·106 кам’яне вугілля марки А1 20·106
деревне вугілля 30·106 кам’яне вугілля марки А2 30·106
дрова сухі 8,5·106 торф 15·106
.                                                                                    Рідке  паливо
бензин, нафта 46·106 мазут 40·106
дизельне паливо 42·106 спирт 27·106
гас 43·106    
.                                                                        Газоподібне  паливо

.                                                               (для 1м3 за нормальних умов)

коксовий газ 16·106 ацетилен 48·106
природний газ 40·106 водень 120·106

 

Потрібно зауважити, що та кількість тієї теплоти яка виділяється в процесі горіння, практично не залежить від режиму цього горінні. Наприклад шматок деревини, в одних умовах може згоріти за дві хвилини, в інших – за десять хвилин, а в третіх (в процесі гниття) – за десять років. При цьому кількість тієї теплоти що виділяються в процесі відповідних згорань буде практично однаковою. Звичайно за умови що згорання буде повним.

Таким чином, кількість тієї теплоти що виділяється або поглинається при нагріванні-охолоджені, плавленні-кристалізації, пароутворенні-конденсації та горінні, можна визначити за однією із наступних формул:

·                                          Qн = cmΔT

·                              Q         Qпл = λm

·                                          Qпар = rm

·                                          Qгор = qm

де c, λ, r, q – постійні для кожної речовини величини, значення яких визначається експериментально та записується у відповідну таблицю.

*)      На певно ви звернули увагу на те, що природні явища симетричні. Симетричні в тому сенсі, що кожному природному процесу можна поставити у відповідність певний зворотній процес. Нагрівання та охолодження, плавлення та кристалізація, пароутворення та конденсація, сублімація та десублімація – ось лише деякі приклади симетричності Природи. А от горіння. Чи існує процес зворотній до нього? Виявляється, існує. І цей процес називають фотосинтезом (від грец. photos – світло; synthesis – з’єднувати, створювати).

Фотосинтез, це складний багатоступеневий фотохімічний процес, суть якого полягає в тому, що в клітинах рослин та деяких бактерій, під дією енергії сонячного світла, із води та вуглекислого газу синтезуються енергоємні молекули простих вуглеводнів, зокрема глюкози. Фізичну суть фотосинтезу можна представити у вигляді наступної підсумкової формули:

6СО2 + 6Н2О + Е∗ → С6Н12О6 + 6О2.

Не дивлячись на те, що фотосинтез це надзвичайно складний фізико-хімічно-біологічний процес, його фізична суть дуже проста: в процесі фотосинтезу, кінетична енергія електромагнітних хвиль (фотонів світла) перетворюється на потенціальну енергію хімічних зв’язків продуктів фотосинтезу: Ек → Еп. При цьому, в результаті фотосинтезу утворюються два компоненти: енергоємні молекули глюкози (С6Н12О6) та молекули хімічно активного окислювача – кисню (О2). Власне ці компоненти і є джерелом тієї енергії, яку ми називаємо енергією горіння. Енергією, яка виділяється в процесі наступної узагальнюючої реакції:  С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + Н2О + Qгор.

Таким чином, в процесі фотосинтезу кінетична енергія фотонів світла перетворюється на потенціальну енергію молекул палива та окислювача (Ек → Еп). В процесі ж горіння, відбувається зворотнє перетворення. Перетворення потенціальної енергії молекул системи паливо-окислювач в кінетичну енергію продуктів згорання, тобто в ту енергію яку прийнято називати енергією горіння (Еп → Ек = Qгор).

Ви можете запитати: “А яке відношення до фотосинтезу має вугілля, нафта, торф, природний газ, горючі сланці, тощо?”. Втім, напевно ви чули, що колись, всі ці горючі матеріали були деревами, кущами, папоротниками, травою та іншою рослинністю. А це означає, що та енергія яка акумульована в вугіллі, нафті, природному газі та інших подібних матеріалах, по суті є законсервованою енергією фотосинтезу.

 

Словник фізичних термінів.

Питома теплота плавлення – це фізична величина, яка характеризує теплові властивості даної речовини і яка показує скільки енергії потрібно витратити на те, щоб розплавити один кілограм відповідної речовини, за умови що вона вже знаходиться при температурі плавлення.

Позначається:  λ

Визначальне рівняння:  λ = Qпл/m

Одиниця вимірювання:  [λ] = Дж/кг.

Питома теплота пароутворення – це фізична величина, яка характеризує теплові властивості даної речовини і яка показує, скільки енергії потрібно витратити на те, щоб при певній постійній температурі (зазвичай при температурі кипіння) випарувати один кілограм відповідної речовини.

Позначається:  r

Визначальне рівняння:  r = Qпар/m

Одиниця вимірювання: [r] = Дж/кг.

Питома теплота згорання – це фізична величина, яка характеризує теплові властивості даного виду палива і яка показує скільки енергії виділиться в процесі повного згорання одного кілограма відповідного палива.

Позначається:  q

Визначальне рівняння: q = Qгор/m

Одиниця вимірювання:  [q] = Дж/кг.

Контрольні запитання.

1.Молекули води чи льоду мають більшу потенціальну енергію? Чому?

2. Молекули води чи пару мають більшу потенціальну енергію? Чому?

3. На яку енергію перетворюється та енергія яка надається тілу в процесі плавлення?

4. Звідки береться та енергія яка виділяється в процесі кристалізації?

5. На яку енергію перетворюється та енергія яка надається тілу в процесі кипіння?

6. Які енергетичні перетворення відбуваються в процесі горінні?; в процесі фотосинтезу?

7. Як ви розумієте твердження: природні явища симетричні?

Вправа 12.

1.Яку максимальну кількість льоду з температурою 0°С потрібно покласти в 1,5кг води з температурою 30°С, щоб лід повністю розтанув?

2. З якої висоти має впасти трьох кілограмова цеглина, щоб своєю кінетичною енергією а) розплавити 1кг льоду; б) випарувати 1кг води? Що можна сказати з цього приводу?

3. Скільки водяного пару з температурою 100°С потрібно ввести в мідний стакан масою 200г в якому знаходиться 150г льоду з температурою -20°С щоб увесь лід розтанув?

4. До якої температури потрібно нагріти алюмінієвий куб, щоб він будучи покладеним на лід, повністю занурився в нього? Температура льоду 0°С.

5. В каструлю налили воду з температурою 10°С і поставили на плиту. Через 10хв вода закипіла. Через який час ця вода повністю випарується?

6. В посудину, яка містить 1,5кг води при температурі 20°С, поклали 1кг льоду температура якого -10°С. Якою буде температура теплової рівноваги системи?

7. В колбі знаходиться 518г води при 0°С. Викачуючи з колби повітря і водяну пару, воду заморозили. Яка кількість води при цьому випарувалась?

Вправа 13.

1.Яку кількість гасу потрібно спалити щоб 50л води нагріти від 20°С до кипіння? К.к.д. процесу 35%

2. Яку білого чавуну можна розплавити в печі з к.к.д. 25% витративши 3,0т кам’яного вугілля марки А2? Початкова температура чавуну 20°С.

3. Визначити к.к.д. двигуна автомобіля, який маючи середню потужність 70кВт витрачає 17кг бензину за годину.

4. На скільки кілометрів шляху вистачить 8л бензину для двигуна мотоцикла, який маючи к.к.д. 25% при швидкості 72км/год розвиває потужність 9кВт? Густина бензину 0,7кг/м3.

5. Двигун реактивного літака з к.к.д. 30% при швидкості польоту 1800км/год розвиває тягове зусилля 90кН. Визначити витрати гасу за годину польоту та потужність двигуна. Густина гасу 0,8кг/м3.

 

§30. Молекулярна фізика. Узагальнююче повторення.

 

Молекулярна фізика, це розділ фізики, в якому вивчаються загальні властивості твердих, рідких і газоподібних речовин та ті теплові процеси які відбуваються з ними. Основним поняттям та основним об’єктом досліджень молекулярної фізики є речовина. Речовина – це вид матерії який складається з тих чи інших частинок і має масу (масу спокою). В загальному сенсі речовинами є не лише хімічно прості об’єкти, як то залізо, вода, сіль, вапно чи нітрат амонію і не лише хімічно складні полімери, а й об’єкти органічного походження як то деревина, шкіра, бавовна, а з рештою і самі живі структури. Втім, в молекулярній фізиці вивчають загальні властивості лише тих хімічно простих речовин які складаються з атомів, молекул, іонів або їх сумішей. При цьому ті частинки (структурні одиниці) з яких складається речовина, в молекулярній фізиці прийнято називати молекулами.

Теоретичною основою молекулярної фізики є три базові твердження, які називаються основними положеннями молекулярно – кінетичної теорії і виходячи з яких пояснюється широке різноманіття фізичних властивостей речовин та суть тих теплових процесів які відбуваються з ними. Ось ці твердження:

1.Всі речовини складаються з молекул (молекул, атомів, іонів).

2. Молекули в речовині безперервно і безладно рухаються.

3. На невеликих відстанях (~10-9м), молекули взаємодіють між собою – в залежності від відстані, притягуються або відштовхуються.

Методологічною основою молекулярної фізики є статистичний метод досліджень. Суть цього методу полягає в тому, що поведінку і властивості надскладної системи молекул, описують на основі законів ньютонівської механіки та статистично усереднених характеристик цих молекул.

В молекулярній фізиці, загальні властивості речовин характеризують великою кількістю фізичних величин. Серед різноманіття цих величин можна виділити дві великі групи: 1) величини які характеризують кількість речовини; 2) величини які характеризують енергетичні параметри речовини.

1. Величини які характеризують кількість речовини.

               Фізична величина Визначальне рівняння Одиниця вимірювання
Маса речовини     m        нема  [m] = кг
Кількість структурних одиниць     N       N = m/m0  [N] = ст.од.
Кількість речовини     ν       ν = m/M  [ν] = моль
Маса однієї молекули    m0 m0r·1,66·10-27кг  [m0] = кг
Молярна маса    M       M = m0NA

NA=6·1023(1/моль)

[M]= кг/моль
Густина речовини    ρ       ρ = m/V  [ρ] = кг/м3
Концентрація молекул    n0       n0 = N/V  [n0] = 1/м3
Молярна концентрація    c        c = ν/V  [c] =моль/м3

2. Величини які характеризують енергетичні параметри речовини.

               Фізична величина Визначальне рівняння Одиниця вимірювання
Середня кінетична енергія мол.   Ек       Ек = mv2/2  [Eк] = Дж
Середня потенціальна ен. мол.   Еп       Еп = ?  [Eп] = Дж
Температура речовини   Т       Т = Ек/1,5k

k=1,3810-23Дж/К

t = T – 273

 [T] = К

 

[t] = °C

Внутрішня енергія тіла   U   U = ∑Ек + ∑Еп  [U] = Дж
Кількість теплоти   Q         Q = ΔU

Qн = сmΔT

Qпл  = λm

Qпар = rm

Qгор = qm

 [Q] = Дж
Питома теплоємність    c    c = Qн/mΔT  [c] = Дж/кгК
Питома теплота плавлення    λ    λ = Qпл/m  [λ] = Дж/кг
Питома теплота пароутворення    r    r = Qпар/m  [r] = Дж/кг
Питома теплота згорання   q      q = Qгор/m  [q] = Дж/кг

Все різноманіття хімічно простих речовин умовно розділяють на три групи: тверді, рідкі та газоподібні. Тими ж зовнішніми ознаками за якими речовини поділяються на тверді, рідкі та газоподібні, є наявність або відсутність певного сталого об’єму і певної сталої форми. Внутрішніми ж критеріями такого поділу, є певне співвідношення між середньою кінетичною і середньою потенціальною енергіями молекул речовини. Базуючись на цих критеріях, можна дати наступні визначення. Твердими називають такі речовинні об’єкти (тіла), які мають певну сталу форму і певний сталий об’єм, і в яких, середня потенціальна енергія молекул значно більша за їх середню кінетичну енергію. Іншими словами, для твердих речовин: Ф=const; V=const; Еп > Ек. Рідинами називають такі речовинні об’єкти, які мають певний сталий об’єм але не мають певної сталої форми, і в яких середня, потенціальна енергія молекул мінімально більша за їх середню кінетичну енергію. Іншими словами, для рідин: Ф≠const; V=const; Еп ≥ Ек. Газоподібними називають такі речовинні об’єкти, які не мають а ні певної сталої форми, а ні певного сталого об’єму, і в яких, середня потенціальна енергія молекул значно менша за їх середню кінетичну енергію. Іншими словами, для газоподібних речовин: Ф≠const ; V≠const ; Еп < Ек.

Потрібно зауважити, що в процесі обміну енергією з навколишнім середовищем, стан даного речовинного об’єкту (тіла) може змінюватись і бути твердим, рідким чи газоподібним. По суті це означає, що в фізиці, термінами “твердий”, “рідкий”, “газоподібний” позначають як певну групу речовинних об’єктів які характеризуються певним набором визначальних ознак, так і той агрегатний стан конкретної речовини якому ці ознаки притаманні.

Дослідження показують, що в межах одного і того ж агрегатного стану речовини, можуть існувати певні різновидності цього стану. Наприклад, розрізняють три різновидності газоподібного стану речовини (пар, газ, плазма) та дві різновидності твердого стану (кристалічна, аморфна). Парами називають такі газоподібні речовини які знаходяться при до критичних температурах (t < tкр). Це означає що: а) середня кінетична енергія молекул пару не набагато більша за їх середню потенціальну енергію (Еп < Ек);  б) пар можна перетворити на відповідну рідину шляхом його ізотермічного стиснення. Газами називають такі газоподібні речовини які знаходяться при за критичних температурах (t > tкр). Це означає що: а) середня кінетична енергія молекул газу набагато більша за їх середню потенціальну енергію (Еп << Ек); б) газ не можливо перетворити на відповідну рідину шляхом його ізотермічного стиснення. Плазмою називають такі газоподібні речовини, які складаються з частково або повністю іонізованих атомів і в якому концентрація вільних позитивних та негативних зарядів є усереднено однаковою. Кристалічними називають такі тверді речовини, структурні одиниці яких розташовані в певному періодичному порядку. Основною ознакою кристалічності речовини є наявність певної температури плавлення (плавлення, сублімації чи хімічної руйнації). Аморфними називають такі умовно тверді речовини, структурні одиниці яких, розташовані без певного періодично повторюваного порядку. Аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Вони не плавляться, а розм’ягчуються, не кристалізуються, а тверднуть.

Поділ речовинних об’єктів на тверді, рідкі та газоподібні є досить умовним. Умовним по-перше тому, що самі класифікаційні ознаки цього поділу є умовними і такими що не мають чітких кількісних критеріїв оцінювання. По-друге, існує велика кількість об’єктів, класифікаційна приналежність яких однозначно визначити майже не можливо. Скажімо, аморфні тіла можна вважати як твердими так і рідинами з надзвичайно великою в’язкістю. По-третє, в межах одного і того ж агрегатного стану, часто існують певні перехідні фазові стани, які поєднують властивості суміжних фаз. Наприклад рідкі кристали, поєднують властивості рідин і кристалічних тіл. Полімери, часто поєднують властивості кристалічних, аморфних та рідких речовин.

Загальні фізичні, а по суті механічно-теплові, властивості речовинних об’єктів визначальним чином залежать від співвідношення між середньою кінетичною та середньою потенціальною енергіями їх молекул. При цьому, визначити величину середньої кінетичної енергії молекул речовини не складно. Для цього достатньо виміряти температуру (Т) відповідної речовини, а потім, за формулою  Ек = (3/2)kT,  де  k = 1,38·10-23Дж/К, визначити середню кінетичну енергію її молекул. Якщо ж мова йде про середню потенціальну енергію молекул, то теоретично визначати цю енергію ми не вміємо: Еп = ? Це звичайно не означає, що сучасна наука не вміє визначати потенціальну енергію молекул в тій чи іншій конкретній ситуації. Мова йде лише про те, що цю енергію не можливо визначити на основі певної універсальної формули на кшталт Ек = mv2/2  або  Ек = (3/2)kT.

Оскільки фізичні властивості твердих (Еп >> Ек) та рідких (Еп ≥ Ек) речовин, визначальним чином залежать від величини потенціальної енергії їх молекул, та зважаючи на те, що теоретично визначати величину цієї енергії ми не вміємо (Еп = ?), то по суті це означає, шо: 1) фізичні властивості різних рідин та різних твердих тіл є суттєво різними; 2) ці властивості практично не можливо описати в межах цілісної теорії. Це звичайно не означає, що сучасна молекулярна фізика не може пояснити та спрогнозувати властивості твердих та рідких тіл. Мова йде лише про те, що фізичні властивості твердих та рідких речовин є індивідуальними і тому такими, різноманіття яких практично не можливо втиснути в рамки простої теоретичної схеми, подібної до тієї що існує для газів.

Інша справа гази (Еп << Ек). Для них потенціальною енергією молекул можна знехтувати і вважати Еп = 0. А це означає, що 1) загальні фізичні властивості різних газів є практично однаковими; 2) ці властивості можна описати цілісною науковою теорією – теорією ідеального газу. В цій теорії, виходячи з того, що потенціальна енергія молекул газу дорівнює нулю (Еп = 0) та спираючись на визначальні рівняння тих фізичних величин які описують термодинамічний стан газу (p=F/S; T=Ek/(3/2)k; V=Sl; n0=N/V; тощо), теоретично “відкривається” все різноманіття відомих газових законів, теоретично визначається внутрішня енергія газу, кількість отриманої або втраченої газом теплоти, його теплоємність, тощо.

Молекулярна фізика вивчає та пояснює не лише загальні властивості твердих рідких та газоподібних речовин, а й все різноманіття теплових процесів. Основними з цих процесів є: нагрівання-охолодження, плавлення-кристалізація, пароутворення-конденсація, горіння-фотосинтез.

Нагрівання, це такий тепловий процес, який відбувається з поглинанням енергії, супроводжується підвищенням температури речовини і не супроводжується зміною її агрегатного стану. При нагріванні, надана речовині теплова енергія йде на збільшення кінетичної енергії її молекул, при цьому потенціальна енергія цих молекул залишається практично незмінною: Q → Eк↑; Еп = const.

Охолодження, це такий тепловий процес, який відбувається з виділенням енергії, супроводжується зниженням температури речовини і не супроводжується зміною її агрегатного стану. При охолодженні, виділення енергії відбувається за рахунок зменшення кінетичної енергії молекул речовини, при цьому потенціальна енергія цих молекул залишається практично незмінною: Q ← Eк↓; Еп = const.

Плавлення – це такий тепловий процес, який відбувається з поглинанням енергії, не супроводжується підвищенням температури речовини та супроводжується переходом речовини з кристалічного стану в рідкий. При плавленні, надана речовині теплова енергія йде на збільшення потенціальної енергії молекул речовини, при цьому їх кінетична енергія залишається практично незмінною: Q → Еп↑; Ек = const.

Кристалізація – це такий тепловий процес, який відбувається з виділенням енергії, не супроводжується зниженням температури речовини та супроводжується переходом речовини з рідкого стану кристалічний. При кристалізації виділення енергії відбувається за рахунок зменшення потенціальної енергії молекул речовини, при цьому їх кінетична енергія залишається практично незмінною: Q ?← Еп↓; Ек = const.

Пароутворення – це такий тепловий процес, який відбувається з поглинанням енергії та супроводжується переходом речовини з рідкого стану в газоподібний. При пароутворенні, надана речовині теплова енергія йде на збільшення потенціальної енергії молекул речовини, при цьому їх кінетична енергія залишається практично незмінною: Q → Еп↑; Ек = const.  Розрізняють дві різновидності пароутворення: випаровування та кипіння. Випаровування – це таке пароутворення, яке відбувається при будь якій температурі рідини і при якому перехід речовини з рідкого стану в газоподібний здійснюється лише з вільної поверхні рідини. Кипіння – це таке пароутворення, яке відбувається при певній постійній температурі (температурі кипіння) і при якому утворення пару відбувається в усьому об’ємі рідини.

Конденсація – це такий тепловий процес, який відбувається з виділенням енергії та супроводжується переходом речовини з газоподібного стану в рідкий. При конденсації виділення енергії відбувається за рахунок зменшення потенціальної енергії молекул речовини, при цьому їх кінетична енергія залишається практично незмінною: Q ← Еп↓; Ек = const.

Горіння, це такий тепловий процес, який супроводжується певними хімічними реакціями та інтенсивним виділенням великої кількості теплової і певної кількості світлової енергії. В процесі горіння потенціальна енергія хімічних зв’язків, перетворюється на кінетичну енергію продуктів згорання: Еп → Ек.= Q

Фотосинтез, це складний багатоступеневий фотохімічний процес, суть якого полягає в тому, що в клітинах рослин та деяких бактерій, під дією енергії сонячного світла, із води та вуглекислого газу синтезуються енергоємні молекули простих вуглеводнів, зокрема глюкози. В процесі фотосинтезу, кінетична енергія електромагнітних хвиль (фотонів світла) перетворюється на потенціальну енергію хімічних зв’язків продуктів фотосинтезу: Q =Ек → Еп.

Подобається