Внутрішня енергія речовини. Робота і теплопередача. Види теплопередачі

Тепловим рухом називається безперервний хаотичний рух молекул у речовині. Молекули рухаються й взаємодіють, тобто мають і кінетичну, і потенціальну енергію (Wk i Wp).
Сума енергій руху і взаємодії молекул речовини називається?внутрішньою енергієюUречовини.
При переході речовини з одного стану в інший (наприклад, з твердого в рідкий або з рідкого в газоподібний) внутрішня енергія змінюється, тому має назву функції стану речовини.
Зміна внутрішньої енергії речовини може відбуватись механічним способом — шляхом здійснення роботи над нею. Приклади: нагрівання повітря у велосипедній камері при його нагнітанні насосом; нагрівання цвяха при ударах по ньому молотка, нагрівання свердла і токарного різця. Але можна змінити внутрішню енергію речовини і тепловим способом — шляхом теплопередачі. Приклади: внаслідок дотику двох неоднаково нагрітих тіл 1 і 2 одне з них нагрівається (), а друге охолоджується ().
Для зручності зміну деякої фізичної величини будемо позначати грецькою буквою «?» (дельта), при цьому попередні нерівності набудуть вигляду та .
Можливі такі види теплопередачі.
1. Теплопровідність (або при безпосередньому дотику двох тіл різної температури, або через шар повітря між ними). Така теплопередача здійснюється завдяки хаотичному руху молекул.
2. Конвекція — це теплопередача, зумовлена напрямленим рухом шарів (струменів) газу чи рідини від нагрітого тіла. Так діє обігрівальна батарея в кімнаті: теплі шари повітря від неї за рахунок виштовхувальної сили підіймаються, перемішуючись із менш нагрітими шарами повітря.
3. Променистий теплообмін здійснюється електромагнітними хвилями (шляхом теплового випромінювання). Таким способом теплопередача може відбуватись і через безповітряний простір (зокрема, від Сонця).

Кількість теплоти та її порівняння з роботою

Подібно до того, як робота A є кількісною мірою зміни енергії тіла (чи системи тіл) механічним способом, кількість теплотиQ (від англ. quantity) є мірою зміни енергії тіла при теплообміні. І при виконанні над тілом зовнішньої роботи, і при теплообміні тіла з більш нагрітим тілом внутрішня енергія тіла зростає на ?U. Враховуючи, що в першому випадку зменшується механічна енергія «активного» тіла, а в другому випадку зменшується енергія теплового руху молекул більш нагрітого тіла, можна записати так: , , де DW?<?0.
Зрозуміло, що [Q] = [А] = [W] = Дж.
Кількість теплоти Q не може «міститися» в тілі, не може, як і робота, «витрачатися»; система може отримати або віддати Q.

Питома теплоємність речовин

Чим більша маса речовини, що нагрівається, і чим більшої зміни температури треба досягти, тим більше треба підвести тепла до речовини. Для різних речовин однакової маси m для досягнення однакових змін температури ?t потрібна різна кількість теплоти: Q = cm?t.
Коефіцієнт c (від англ. capacity — місткість, ємність) має назву питомої теплоємності:
.
У СІ однією з основних є одиниця температури не за шкалою Цельсія, а за шкалою Кельвіна. Ціна поділки в обох шкалах однакова, зміна температури ?t за шкалою Цельсія чисельно дорівнює зміні температури ?Т за шкалою Кельвіна. Враховуючи це, за шкалою Цельсія будемо виражати тільки окремі температури (наприклад t1 i t2), а різниці температур будемо позначати не ?t, а ?Т. Відповідно і в комбінованих одиницях вимірювання теплових фізичних величин повинен фігурувати кельвін (К), а не градус (^°С).
Отже: .

Таким чином, питома теплоємність с чисельно дорівнює кількості теплоти, яку одержує чи віддає 1 кг речовини при зміні його температури на 1 К.
Дуже велике значення c у води (, майже у 5 разів більше, ніж у багатьох металів). Цим пояснюється м’який клімат приморських місцевостей (влітку вода поглинає багато теплової енергії при своєму нагріванні, тож вона й віддає багато тепла навкіллю при охолодженні пізньої осені чи навіть взимку).

Питома теплота згоряння палива (теплотворна здатність)

Чим більше згоряє палива, тим більше тепловиділення. Для різних речовин кількість теплоти Q, що виділяється при згорянні, різна:
, , .
Питома теплота згоряння q чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється при згорянні 1 кг речовини.

Плавлення і тверднення тіл. Температура плавлення. Питома теплота плавлення

Тіла, які зовні здаються твердими, не завжди є такими з точки зору фізики. Істинно тверді тіла мають кристалічну структуру, з упорядкованістю молекул чи атомів у межах всього кристалу (з дальнім порядком).
При нагріванні кристалічної речовини зростає хаотичність руху її молекул, і за досить високої температури зникає дальній порядок (відбувається процес плавлення). Хімічно прості кристали плавляться за цілком визначеної температури. Зворотний процес — тверднення (кристалізація). Температура кристалізації збігається з температурою плавлення. Від початку плавлення (і тверднення) і до закінчення кожного з цих процесів температура речовини залишається незмінною.

Чим більша маса речовини, яку треба розплавити, тим більша кількість теплоти для цього потрібна:
, , , .
Питома теплота плавлення чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати одному кілограму кристалічної речовини, нагрітої до температури плавлення, щоб перетворити її на рідину тієї ж температури.
Для процесу кристалізації ; у цьому випадку — питома теплота кристалізації.

Випаровування і конденсація. Кипіння. Температура кипіння. Питома теплота пароутворення

Внаслідок хаотичності теплового руху деякі молекули рідини при будь-якій температурі випадково можуть рухатись у напрямі поверхні рідини і вилітати за її межі. Чим вища температура рідини, тим більше молекул в одиницю часу вилітають з неї.
Пароутворення з поверхні речовини називається випаровуванням. Рідини випаровуються при будь-якій температурі, і навіть тверді речовини можуть слабко випаровуватись.
За досить високої температури до випаровування приєднується кипіння, тобто пароутворення зсередини рідини. У цьому процесі беруть участь повітряні бульбашки, що є в рідині. Молекули рідини, що оточують бульбашки, проникають у них, бульбашки збільшуються в об’ємі і під дією сили Архімеда випливають, викидаючи назовні пару рідини.
Кипіння кожної рідини при незмінному тиску відбувається при цілком певній незмінній температурі. Чим більший тиск над рідиною, тим вища температура кипіння.
Процес переходу речовини з газоподібного стану у стан з більшою густиною називається конденсацією(ущільненням).
Шляхом конденсації пари утворюється ранкова роса (наприклад, на листі рослин), іній (на поверхні ґрунту, рослинах, будівлях тощо).
Фізична величина L, що має назву питомої теплоти пароутворення, вводиться подібно до вже розглянутих величини q і : чим більше рідини в якійсь посудині, тим довше триває повне перетворення її на пару, і тим більша потрібна для цього кількість теплоти.
Отже: , , ,.
Питома теплота пароутворення L чисельно дорівнює кількості теплоти, необхідній для перетворення на пару 1 кг речовини при незмінній температурі.
Для процесу конденсації ; у цьому випадку L — питома теплота конденсації.

Перетворення енергії в механічних і теплових процесах. Двигун внутрішнього згоряння

Уже розглянуто приклади нагрівання тіл внаслідок виконання над ними механічної роботи (прийнято казати: робота перетворюється у теплоту).
Але можлива і зворотна ситуація: виконання роботи за рахунок теплової енергії. Побутовий приклад — кришка чайника, яка підстрибує при кипінні води (ця система — немов би прообраз парової машини).
Тепловими двигунами називаються періодично діючі пристрої, що перетворюють теплову енергію на механічну. Широко розповсюджені теплові двигуни, що мають назву двигунів внутрішнього згоряння. У 1867 р. німецький конструктор Ніколаус Отто винайшов 4-тактний двигун (принцип дії цього технічного пристрою детально викладено в підручнику). Крім двигуна Отто (карбюраторного двигуна) широке застосування знайшли двигуни, які винайшов у 1897 р. німецький інженер Рудольф Дизель (дизельні двигуни). Їх перевагою є використання для спалювання не розпиленого бензину, а рідких дизельних палив (наприклад соляру).

• Правила: Теплові явища