يمكن تغيير الطاقة الداخلية للنظام الديناميكي الحراري بطريقتين:
- القيام بالعمل على النظام،
- باستخدام التفاعل الحراري.
لا يرتبط نقل الحرارة إلى الجسم بأداء العمل العياني على الجسم. في هذه الحالة، يحدث التغير في الطاقة الداخلية بسبب حقيقة أن الجزيئات الفردية لجسم ذي درجة حرارة أعلى تعمل على بعض جزيئات الجسم الذي له درجة حرارة أقل. في هذه الحالة، يتم تحقيق التفاعل الحراري بسبب التوصيل الحراري. يمكن أيضًا نقل الطاقة باستخدام الإشعاع. يسمى نظام العمليات المجهرية (التي لا تتعلق بالجسم كله، ولكن بالجزيئات الفردية) بنقل الحرارة. يتم تحديد كمية الطاقة التي تنتقل من جسم إلى آخر نتيجة لانتقال الحرارة بمقدار الحرارة التي تنتقل من جسم إلى آخر.
تعريف
الدفءهي الطاقة التي يتلقاها (أو يتخلى عنها) الجسم في عملية التبادل الحراري مع الأجسام المحيطة (البيئة). عادة ما يكون رمز الحرارة هو الحرف Q.
هذه هي واحدة من الكميات الأساسية في الديناميكا الحرارية. يتم تضمين الحرارة في التعبيرات الرياضية للقانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية. ويقال إن الحرارة هي طاقة في شكل حركة جزيئية.
يمكن نقل الحرارة إلى النظام (الجسم)، أو يمكن أخذها منه. ويعتقد أنه إذا تم نقل الحرارة إلى النظام، فهو إيجابي.
صيغة لحساب الحرارة عند تغير درجة الحرارة
نشير إلى الكمية الأولية للحرارة بـ . دعونا نلاحظ أن عنصر الحرارة الذي يستقبله (يعطيه) النظام مع تغير بسيط في حالته ليس تفاضلًا كاملاً. والسبب في ذلك هو أن الحرارة هي إحدى وظائف عملية تغيير حالة النظام.
كمية الحرارة الأولية التي يتم نقلها إلى النظام، وتغير درجة الحرارة من T إلى T+dT، تساوي:
حيث C هي السعة الحرارية للجسم. إذا كان الجسم المعني متجانسًا، فيمكن تمثيل الصيغة (1) لكمية الحرارة على النحو التالي:
حيث هي السعة الحرارية النوعية للجسم، m هي كتلة الجسم، هي السعة الحرارية المولية، هي الكتلة المولية للمادة، هو عدد مولات المادة.
إذا كان الجسم متجانساً، وتعتبر السعة الحرارية مستقلة عن درجة الحرارة، فإن كمية الحرارة () التي يتلقاها الجسم عندما ترتفع درجة حرارته بمقدار يمكن حسابها على النحو التالي:
حيث t 2، t 1 درجة حرارة الجسم قبل وبعد التسخين. يرجى ملاحظة أنه عند إيجاد الفرق () في الحسابات، يمكن استبدال درجات الحرارة بالدرجات المئوية وبالكلفن.
صيغة لكمية الحرارة خلال التحولات المرحلة
يكون الانتقال من مرحلة من مادة إلى أخرى مصحوبًا بامتصاص أو إطلاق كمية معينة من الحرارة، وهو ما يسمى حرارة انتقال الطور.
لذلك، لتحويل عنصر المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، يجب أن تعطى كمية من الحرارة () تساوي:
أين هي الحرارة النوعية للانصهار، dm هو عنصر كتلة الجسم. وينبغي أن يؤخذ في الاعتبار أن درجة حرارة الجسم يجب أن تساوي نقطة انصهار المادة المعنية. أثناء التبلور، يتم إطلاق حرارة تساوي (4).
يمكن العثور على كمية الحرارة (حرارة التبخر) اللازمة لتحويل السائل إلى بخار على النحو التالي:
حيث r هي الحرارة النوعية للتبخر. عندما يتكثف البخار، يتم إطلاق الحرارة. حرارة التبخر تساوي حرارة تكثيف كتل متساوية من المادة.
وحدات قياس كمية الحرارة
الوحدة الأساسية لقياس كمية الحرارة في نظام SI هي: [Q]=J
وحدة حرارية إضافية للنظام، والتي توجد غالبًا في الحسابات الفنية. [س]= كالوري (سعرة حرارية). 1 كال = 4.1868 ج.
أمثلة على حل المشكلات
مثال
يمارس.ما هي أحجام الماء التي يجب خلطها للحصول على 200 لتر من الماء عند درجة حرارة t = 40 درجة مئوية، إذا كانت درجة حرارة كتلة واحدة من الماء هي t 1 = 10 درجة مئوية، فإن درجة حرارة الكتلة الثانية من الماء هي t 2 = 60 درجة مئوية ؟
حل.لنكتب معادلة التوازن الحراري بالصيغة:
حيث Q=cmt هي كمية الحرارة المحضرة بعد خلط الماء؛ س 1 = سم 1 ر 1 - كمية حرارة جزء من الماء مع درجة الحرارة ر 1 والكتلة م 1؛ س 2 = سم 2 ر 2 - كمية حرارة جزء من الماء مع درجة الحرارة ر 2 والكتلة م 2.
ومن المعادلة (1.1) يلي:
عند دمج أجزاء الماء الباردة (V1) والساخنة (V2) في حجم واحد (V)، يمكننا أن نفترض أن:
وبذلك نحصل على نظام المعادلات:
وبعد حلها نحصل على:
يمكن أن تتغير الطاقة الداخلية للجسم بسبب عمل القوى الخارجية. لتوصيف التغير في الطاقة الداخلية أثناء نقل الحرارة، تم إدخال كمية تسمى كمية الحرارة ويشار إليها بـ Q.
في النظام الدولي، وحدة الحرارة، وكذلك الشغل والطاقة، هي الجول: = = = 1 J.
ومن الناحية العملية، يتم أحيانًا استخدام وحدة غير نظامية لكمية الحرارة - السعرات الحرارية. 1 كالوري. = 4.2 ج.
وتجدر الإشارة إلى أن مصطلح "كمية الحرارة" أمر مؤسف. تم تقديمه في وقت كان يُعتقد فيه أن الأجسام تحتوي على بعض السوائل عديمة الوزن والمراوغة - السعرات الحرارية. من المفترض أن عملية التبادل الحراري تتكون من حقيقة أن السعرات الحرارية المتدفقة من جسم إلى آخر تحمل معها كمية معينة من الحرارة. الآن، بعد معرفة أساسيات النظرية الحركية الجزيئية لبنية المادة، نفهم أنه لا يوجد سعر حراري في الأجسام، وأن آلية تغيير الطاقة الداخلية للجسم مختلفة. ومع ذلك، فإن قوة التقليد عظيمة ونحن مستمرون في استخدام مصطلح تم تقديمه على أساس أفكار غير صحيحة حول طبيعة الحرارة. في الوقت نفسه، لفهم طبيعة نقل الحرارة، لا ينبغي للمرء أن يتجاهل تماما المفاهيم الخاطئة حول هذا الموضوع. على العكس من ذلك، من خلال إجراء تشبيه بين تدفق الحرارة وتدفق سائل افتراضي من السعرات الحرارية، وكمية الحرارة وكمية السعرات الحرارية، عند حل فئات معينة من المشاكل، فمن الممكن تصور العمليات الجارية وبشكل صحيح حل المشاكل. في النهاية، تم الحصول على المعادلات الصحيحة التي تصف عمليات نقل الحرارة على أساس أفكار غير صحيحة حول السعرات الحرارية كحامل للحرارة.
دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في العمليات التي يمكن أن تحدث نتيجة للتبادل الحراري.
صب بعض الماء في أنبوب الاختبار وأغلقه بسدادة. نعلق أنبوب الاختبار من قضيب مثبت في حامل ونضع لهبًا مفتوحًا تحته. يتلقى أنبوب الاختبار كمية معينة من الحرارة من اللهب، فترتفع درجة حرارة السائل الموجود فيه. مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد الطاقة الداخلية للسائل. تحدث عملية تبخر مكثفة. يؤدي تمدد الأبخرة السائلة إلى إجراء عمل ميكانيكي لدفع السدادة خارج أنبوب الاختبار.
دعونا نجري تجربة أخرى مع نموذج لمدفع مصنوع من قطعة أنبوب نحاسي مثبت على عربة. على جانب واحد، يتم إغلاق الأنبوب بإحكام بسدادة من الإيبونيت يتم من خلالها تمرير الدبوس. يتم لحام الأسلاك في الدبوس والأنبوب، وتنتهي بأطراف يمكن توصيل الجهد الكهربائي من شبكة الإضاءة إليها. وبالتالي فإن نموذج المدفع هو نوع من الغلايات الكهربائية.
 |
صب بعض الماء في ماسورة المدفع وأغلق الأنبوب بسدادة مطاطية. دعونا نربط البندقية بمصدر الطاقة. التيار الكهربائي الذي يمر عبر الماء يسخنه. يغلي الماء، مما يؤدي إلى تكوين بخار كثيف. يزداد ضغط بخار الماء، وفي النهاية يقومون بدفع السدادة خارج ماسورة البندقية.
تتدحرج البندقية بسبب الارتداد في الاتجاه المعاكس لإخراج القابس.
كلتا التجربتين متحدتان بالظروف التالية. في عملية تسخين السائل بطرق مختلفة، زادت درجة حرارة السائل، وبالتالي زادت طاقته الداخلية. لكي يغلي السائل ويتبخر بشكل مكثف، كان من الضروري الاستمرار في تسخينه.
تقوم الأبخرة السائلة بسبب طاقتها الداخلية بعمل ميكانيكي.
 |
نحن نتحقق من اعتماد كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم على كتلته وتغيرات درجة الحرارة ونوع المادة. لدراسة هذه التبعيات سوف نستخدم الماء والنفط. (لقياس درجة الحرارة في التجربة يتم استخدام ميزان حرارة كهربائي مصنوع من مزدوجة حرارية متصلة بجلفانومتر مرآة. ويتم إنزال إحدى الوصلات المزدوجة الحرارية في وعاء به ماء بارد لضمان ثبات درجة حرارته. والوصلة الحرارية الأخرى تقيس درجة حرارة السائل. قيد الدراسة).
تتكون التجربة من ثلاث سلاسل. في السلسلة الأولى، بالنسبة لكتلة ثابتة من سائل معين (في حالتنا، الماء)، تتم دراسة اعتماد كمية الحرارة اللازمة لتسخينه على التغيرات في درجات الحرارة. سوف نحكم على كمية الحرارة التي يتلقاها السائل من المدفأة (الموقد الكهربائي) من خلال زمن التسخين، على افتراض أن هناك علاقة طردية بينهما. لكي تتوافق نتيجة التجربة مع هذا الافتراض، من الضروري ضمان تدفق حرارة ثابت من الموقد الكهربائي إلى الجسم الساخن. للقيام بذلك، تم تشغيل الموقد الكهربائي مسبقًا، بحيث تتوقف درجة حرارة سطحه عن التغير مع بداية التجربة. لتسخين السائل بشكل متساوٍ أثناء التجربة، سنقوم بتقليبه باستخدام المزدوج الحراري نفسه. سوف نسجل قراءات الترمومتر على فترات منتظمة حتى تصل نقطة الضوء إلى حافة المقياس.
لنستنتج: أن هناك علاقة طردية طردية بين كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم والتغير في درجة حرارته.
في السلسلة الثانية من التجارب سوف نقوم بمقارنة كميات الحرارة اللازمة لتسخين سوائل متطابقة ذات كتل مختلفة عندما تتغير درجة حرارتها بنفس المقدار.
ولتسهيل مقارنة القيم التي تم الحصول عليها، سيتم اعتبار كتلة الماء في التجربة الثانية أقل بمرتين مما كانت عليه في التجربة الأولى.
سنقوم مرة أخرى بتسجيل قراءات مقياس الحرارة على فترات منتظمة.
وبمقارنة نتائج التجربتين الأولى والثانية يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية.
في السلسلة الثالثة من التجارب سوف نقوم بمقارنة كميات الحرارة اللازمة لتسخين كتل متساوية من السوائل المختلفة عندما تتغير درجة حرارتها بنفس المقدار.
سنقوم بتسخين الزيت على موقد كهربائي، كتلته تساوي كتلة الماء في التجربة الأولى. سوف نقوم بتسجيل قراءات مقياس الحرارة على فترات منتظمة.
تؤكد نتيجة التجربة الاستنتاج القائل بأن كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم تتناسب طرديًا مع التغير في درجة حرارته، بالإضافة إلى أنها تشير إلى اعتماد هذه الكمية من الحرارة على نوع المادة.
بما أن التجربة استخدمت زيتًا كثافته أقل من كثافة الماء، وتسخين الزيت إلى درجة حرارة معينة يتطلب حرارة أقل من تسخين الماء، فيمكن افتراض أن كمية الحرارة اللازمة لتسخين جسم ما تعتمد على طاقته. كثافة.
لاختبار هذا الافتراض، سنقوم في نفس الوقت بتسخين كتل متساوية من الماء والبارافين والنحاس على سخان طاقة ثابت.
بعد نفس الوقت، تكون درجة حرارة النحاس حوالي 10 مرات، والبارافين حوالي 2 مرات أعلى من درجة حرارة الماء.
لكن كثافة النحاس أعلى وكثافة البارافين أقل من كثافة الماء.
تظهر التجربة أن الكمية التي تميز معدل التغير في درجة حرارة المواد التي تتكون منها الأجسام المشاركة في التبادل الحراري ليست الكثافة. تسمى هذه الكمية بالسعة الحرارية النوعية للمادة ويشار إليها بالحرف c.
 |
يتم استخدام جهاز خاص لمقارنة السعات الحرارية المحددة للمواد المختلفة. يتكون الجهاز من رفوف يتم فيها ربط لوحة بارافين رفيعة وشريط بقضبان تمر عبره. يتم تثبيت أسطوانات الألمنيوم والفولاذ والنحاس ذات الكتلة المتساوية في نهايات القضبان.
دعونا نقوم بتسخين الأسطوانات إلى نفس درجة الحرارة عن طريق غمرها في وعاء به ماء على موقد ساخن. نقوم بتأمين الأسطوانات الساخنة على الرفوف وتحريرها من التثبيت. تلمس الأسطوانات صفيحة البارافين في نفس الوقت وتبدأ في ذوبان البارافين في الغرق فيها. يختلف عمق غمر الأسطوانات من نفس الكتلة في صفيحة البارافين عندما تتغير درجة حرارتها بنفس المقدار.
تظهر التجربة أن السعات الحرارية المحددة للألمنيوم والصلب والنحاس مختلفة.
بعد إجراء التجارب المناسبة مع ذوبان المواد الصلبة، وتبخير السوائل، واحتراق الوقود، حصلنا على التبعيات الكمية التالية.
للحصول على وحدات كميات محددة، يجب التعبير عنها من الصيغ المقابلة وفي التعبيرات الناتجة وحدات بديلة للحرارة - 1 ي، الكتلة - 1 كجم، وللسعة الحرارية المحددة - 1 ك.
نحصل على الوحدات التالية: السعة الحرارية النوعية – 1 جول/كجم·ك، درجات الحرارة النوعية الأخرى: 1 جول/كجم.
محور مقالتنا هو كمية الحرارة. وسنتناول مفهوم الطاقة الداخلية التي تتحول عندما تتغير هذه الكمية. وسنعرض أيضًا بعض الأمثلة على استخدام الحسابات في النشاط البشري.
حرارة
كل شخص لديه ارتباطاته الخاصة بأي كلمة في لغته الأم. يتم تحديدها من خلال التجربة الشخصية والمشاعر غير العقلانية. ما الذي يخطر ببالك عادة عندما تسمع كلمة "الدفء"؟ بطانية ناعمة، تدفئة مركزية تعمل في الشتاء، أول ضوء شمس في الربيع، قطة. أو نظرة الأم، أو كلمة الصديق المطمئنة، أو الاهتمام في الوقت المناسب.
يقصد الفيزيائيون مصطلحًا محددًا جدًا بهذا. وهو مهم جدًا، خاصة في بعض أقسام هذا العلم المعقد ولكن الرائع.
الديناميكا الحرارية
لا يستحق النظر في كمية الحرارة بمعزل عن أبسط العمليات التي يقوم عليها قانون الحفاظ على الطاقة - فلن يكون هناك شيء واضح. لذلك، دعونا أولاً نذكر قرائنا بها.
تعتبر الديناميكا الحرارية أي شيء أو جسم بمثابة مزيج من عدد كبير جدًا من الأجزاء الأولية - الذرات والأيونات والجزيئات. تصف معادلاتها أي تغيير في الحالة الجماعية للنظام ككل وكجزء من الكل عندما تتغير المعلمات الكلية. ويشير الأخير إلى درجة الحرارة (يشار إليها بـ T)، والضغط (P)، وتركيز المكونات (عادة C).
الطاقة الداخلية
الطاقة الداخلية مصطلح معقد إلى حد ما، ومعناه يستحق الفهم قبل الحديث عن كمية الحرارة. يشير إلى الطاقة التي تتغير عندما تزيد أو تنقص قيمة المعلمات الكلية لجسم ما ولا تعتمد على النظام المرجعي. إنه جزء من الطاقة الإجمالية. ويتزامن معها في الظروف التي يكون فيها مركز كتلة الشيء قيد الدراسة في حالة سكون (أي لا يوجد مكون حركي).
عندما يشعر الشخص أن جسمًا ما (على سبيل المثال، دراجة) قد أصبح دافئًا أو باردًا، فهذا يشير إلى أن جميع الجزيئات والذرات التي يتكون منها هذا النظام قد شهدت تغيراً في الطاقة الداخلية. إلا أن ثبات درجة الحرارة لا يعني الحفاظ على هذا المؤشر.
العمل والحرارة
يمكن تحويل الطاقة الداخلية لأي نظام ديناميكي حراري بطريقتين:
- من خلال القيام بالعمل عليه؛
- أثناء التبادل الحراري مع البيئة.
تبدو صيغة هذه العملية كما يلي:
dU=Q-A، حيث U هي الطاقة الداخلية، Q هي الحرارة، A هي الشغل.
ولا ينخدع القارئ ببساطة التعبير. تظهر إعادة الترتيب أن Q=dU+A، ومع ذلك، فإن إدخال الإنتروبيا (S) يجعل الصيغة dQ=dSxT.
وبما أن المعادلة في هذه الحالة تأخذ شكل تفاضلي، فإن التعبير الأول يتطلب نفس الشيء. بعد ذلك، اعتمادًا على القوى المؤثرة في الجسم قيد الدراسة والمعلمة التي يتم حسابها، يتم اشتقاق النسبة المطلوبة.
لنأخذ كرة معدنية كمثال للنظام الديناميكي الحراري. إذا ضغطت عليه، رميته، أسقطته في بئر عميق، فهذا يعني بذل شغل عليه. ظاهريًا، كل هذه التصرفات غير الضارة لن تسبب أي ضرر للكرة، لكن طاقتها الداخلية ستتغير ولو بشكل طفيف جدًا.
الطريقة الثانية هي التبادل الحراري. نأتي الآن إلى الهدف الرئيسي من هذه المقالة: وصف كمية الحرارة. هذا هو التغير في الطاقة الداخلية للنظام الديناميكي الحراري الذي يحدث أثناء التبادل الحراري (انظر الصيغة أعلاه). ويقاس بالجول أو السعرات الحرارية. من الواضح أنك إذا حملت الكرة فوق ولاعة أو في الشمس أو ببساطة في يد دافئة، فسوف تسخن. ومن ثم يمكنك استخدام التغير في درجة الحرارة للعثور على كمية الحرارة التي تم نقلها إليه.
لماذا يعتبر الغاز أفضل مثال على التغير في الطاقة الداخلية، ولماذا لا يحب أطفال المدارس الفيزياء بسبب هذا؟
أعلاه وصفنا التغييرات في المعلمات الديناميكية الحرارية للكرة المعدنية. إنها ليست ملحوظة للغاية بدون أجهزة خاصة، ويمكن للقارئ أن يأخذ الكلمة فقط حول العمليات التي تحدث مع الكائن. إنها مسألة أخرى إذا كان النظام غازًا. اضغط عليه - سيكون مرئيًا، قم بتسخينه - سيرتفع الضغط، ويخفضه تحت الأرض - ويمكن تسجيله بسهولة. لذلك، في الكتب المدرسية، غالبا ما يستخدم الغاز كنظام ديناميكي حراري مرئي.
ولكن، للأسف، في التعليم الحديث لا يتم إيلاء الكثير من الاهتمام للتجارب الحقيقية. إن العالم الذي يكتب الدليل المنهجي يفهم تمامًا ما هو على المحك. ويبدو له أنه باستخدام مثال جزيئات الغاز، سيتم توضيح جميع المعلمات الديناميكية الحرارية بشكل صحيح. لكن الطالب الذي اكتشف هذا العالم للتو يشعر بالملل عندما يسمع عن دورق مثالي بمكبس نظري. ولو كان لدى المدرسة مختبرات بحثية حقيقية وخصصت ساعات للعمل فيها لكان الأمر مختلفا. وحتى الآن، ولسوء الحظ، فإن التجارب لا تزال على الورق فقط. وعلى الأرجح، هذا هو السبب الذي يجعل الناس يعتبرون هذا الفرع من الفيزياء شيئًا نظريًا بحتًا، بعيدًا عن الحياة وغير ضروري.
ولذلك قررنا استخدام الدراجة المذكورة أعلاه كمثال. يضغط أحد الأشخاص على الدواسات ويؤدي شغلًا عليها. بالإضافة إلى نقل عزم الدوران إلى الآلية بأكملها (التي بفضلها تتحرك الدراجة في الفضاء)، تتغير الطاقة الداخلية للمواد التي تُصنع منها الرافعات. يضغط راكب الدراجة على المقابض ليقوم بالعمل مرة أخرى.
تزداد الطاقة الداخلية للطلاء الخارجي (البلاستيك أو المعدن). يخرج شخص إلى منطقة خالية تحت أشعة الشمس الساطعة - ترتفع درجة حرارة الدراجة، وتتغير كمية الحرارة فيها. يتوقف للراحة في ظل شجرة بلوط قديمة ويبرد النظام ويفقد السعرات الحرارية أو الجول. يزيد من السرعة - يزيد من تبادل الطاقة. ومع ذلك، فإن حساب كمية الحرارة في كل هذه الحالات سيظهر قيمة صغيرة جدًا وغير محسوسة. لذلك، يبدو أنه لا توجد مظاهر للفيزياء الديناميكية الحرارية في الحياة الواقعية.
تطبيق الحسابات للتغيرات في كمية الحرارة
ربما يقول القارئ أن كل هذا تعليمي للغاية، ولكن لماذا نتعذب في المدرسة بهذه الصيغ؟ والآن سنقدم أمثلة في مجالات النشاط البشري التي يحتاجون إليها بشكل مباشر وكيف يتعلق الأمر بأي شخص في حياته اليومية.
أولاً، انظر حولك وقم بالعد: كم عدد الأشياء المعدنية المحيطة بك؟ ربما أكثر من عشرة. ولكن قبل أن يصبح مشبك ورق، أو عربة، أو حلقة، أو محرك أقراص محمول، يخضع أي معدن للصهر. ويتعين على كل مصنع يقوم بمعالجة خام الحديد، على سبيل المثال، أن يفهم مقدار الوقود المطلوب من أجل تحسين التكاليف. وعند حساب ذلك من الضروري معرفة السعة الحرارية للمادة الخام التي تحتوي على المعدن وكمية الحرارة التي يجب نقلها إليها حتى تحدث جميع العمليات التكنولوجية. وبما أن الطاقة المنطلقة من وحدة الوقود يتم حسابها بالجول أو السعرات الحرارية، فإن الصيغ مطلوبة مباشرة.
أو مثال آخر: يوجد في معظم محلات السوبر ماركت قسم للبضائع المجمدة - الأسماك واللحوم والفواكه. عندما يتم تحويل المواد الخام من اللحوم الحيوانية أو المأكولات البحرية إلى منتجات نصف نهائية، يجب معرفة مقدار الكهرباء التي ستستهلكها وحدات التبريد والتجميد لكل طن أو وحدة من المنتج النهائي. للقيام بذلك، تحتاج إلى حساب مقدار الحرارة التي يفقدها كيلوغرام من الفراولة أو الحبار عند تبريده بدرجة مئوية واحدة. وفي النهاية، سيوضح هذا مقدار الكهرباء التي سيستهلكها الفريزر بقوة معينة.
الطائرات والسفن والقطارات
لقد أظهرنا أعلاه أمثلة على الأجسام الساكنة غير المتحركة نسبيًا والتي يتم نقل كمية معينة من الحرارة إليها أو، على العكس من ذلك، يتم أخذ كمية معينة من الحرارة منها. بالنسبة للأشياء التي تتحرك في ظروف درجة الحرارة المتغيرة باستمرار أثناء التشغيل، فإن حسابات كمية الحرارة مهمة لسبب آخر.
هناك شيء مثل "التعب المعدني". ويشمل أيضًا الحد الأقصى للأحمال المسموح بها عند معدل معين من تغير درجة الحرارة. تخيل طائرة تقلع من المناطق الاستوائية الرطبة إلى الغلاف الجوي العلوي المتجمد. وعلى المهندسين أن يبذلوا قصارى جهدهم لضمان عدم تفككه بسبب الشقوق في المعدن التي تظهر عند تغير درجة الحرارة. إنهم يبحثون عن تركيبة من السبائك يمكنها تحمل الأحمال الحقيقية ولها هامش أمان كبير. ولكي لا تبحث بشكل أعمى، على أمل أن تتعثر بطريق الخطأ على التركيبة المرغوبة، عليك القيام بالكثير من الحسابات، بما في ذلك تلك التي تتضمن تغيرات في كمية الحرارة.
تسمى عملية نقل الطاقة من جسم إلى آخر دون بذل شغل التبادل الحراريأو انتقال الحرارة. يحدث التبادل الحراري بين الأجسام التي لها درجات حرارة مختلفة. عند حدوث اتصال بين الأجسام ذات درجات الحرارة المختلفة، يتم نقل جزء من الطاقة الداخلية من الجسم الذي درجة حرارته أعلى إلى الجسم الذي تكون درجة حرارته أقل. تسمى الطاقة التي تنتقل إلى الجسم نتيجة التبادل الحراري كمية من الحرارة.
السعة الحرارية النوعية للمادة:
إذا لم تكن عملية انتقال الحرارة مصحوبة بشغل، فبناء على القانون الأول للديناميكا الحرارية فإن كمية الحرارة تساوي التغير في الطاقة الداخلية للجسم: .
يتناسب متوسط طاقة الحركة الانتقالية العشوائية للجزيئات مع درجة الحرارة المطلقة. إن التغير في الطاقة الداخلية لجسم ما يساوي المجموع الجبري للتغيرات في طاقة جميع الذرات أو الجزيئات التي يتناسب عددها مع كتلة الجسم، وبالتالي التغير في الطاقة الداخلية، وبالتالي، تتناسب كمية الحرارة مع الكتلة والتغير في درجة الحرارة:
ويسمى عامل التناسب في هذه المعادلة السعة الحرارية النوعية للمادة. توضح السعة الحرارية النوعية مقدار الحرارة اللازمة لتسخين 1 كجم من المادة بمقدار 1 ك.
العمل في الديناميكا الحرارية:
في الميكانيكا، يتم تعريف الشغل على أنه حاصل ضرب معاملي القوة والإزاحة وجيب تمام الزاوية بينهما. يتم الشغل عندما تؤثر قوة على جسم متحرك وتكون مساوية للتغير في طاقته الحركية.
في الديناميكا الحرارية، لا تؤخذ في الاعتبار حركة الجسم ككل، فنحن نتحدث عن حركة أجزاء الجسم العيانية بالنسبة لبعضها البعض. ونتيجة لذلك يتغير حجم الجسم، لكن سرعته تظل مساوية للصفر. يتم تعريف العمل في الديناميكا الحرارية بنفس الطريقة كما هو الحال في الميكانيكا، ولكنه يساوي التغيير ليس في الطاقة الحركية للجسم، ولكن في طاقته الداخلية.
عند تنفيذ شغل (ضغط أو تمدد)، تتغير الطاقة الداخلية للغاز. السبب في ذلك هو: أثناء التصادمات المرنة لجزيئات الغاز مع مكبس متحرك، تتغير طاقتها الحركية.
دعونا نحسب الشغل الذي يبذله الغاز أثناء التمدد. يؤثر الغاز بقوة على المكبس 
، أين 
- ضغط الغاز، و 
- مساحة السطح 
مكبس عندما يتمدد الغاز، يتحرك المكبس في اتجاه القوة 
مسافة قصيرة 
. إذا كانت المسافة صغيرة، فيمكن اعتبار ضغط الغاز ثابتا. الشغل الذي يبذله الغاز هو:
أين 
- التغير في حجم الغاز.
وفي عملية تمدد الغاز، فإنه يقوم بعمل إيجابي، لأن اتجاه القوة والإزاحة يتطابقان. أثناء عملية التمدد، يطلق الغاز الطاقة إلى الأجسام المحيطة.
يختلف الشغل الذي تبذله الأجسام الخارجية على الغاز عن الشغل الذي يبذله الغاز فقط بالإشارة 
، منذ القوة 
، المؤثر على الغاز، معاكس للقوة 
، الذي يعمل به الغاز على المكبس، ويساويه في المعامل (قانون نيوتن الثالث)؛ وتبقى الحركة على حالها. وبالتالي فإن عمل القوى الخارجية يساوي:
.
القانون الأول للديناميكا الحرارية:
القانون الأول للديناميكا الحرارية هو قانون حفظ الطاقة، ويمتد ليشمل الظواهر الحرارية. قانون حفظ الطاقة: الطاقة في الطبيعة لا تنشأ من لا شيء ولا تختفي: كمية الطاقة لا تتغير، إنها فقط تنتقل من شكل إلى آخر.
تدرس الديناميكا الحرارية الأجسام التي يظل مركز ثقلها دون تغيير تقريبًا. وتظل الطاقة الميكانيكية لمثل هذه الأجسام ثابتة، ولا يمكن أن تتغير إلا الطاقة الداخلية.
يمكن أن تتغير الطاقة الداخلية بطريقتين: نقل الحرارة والشغل. في الحالة العامة، تتغير الطاقة الداخلية بسبب انتقال الحرارة وبسبب الشغل المبذول. تمت صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية خصيصًا لمثل هذه الحالات العامة:
إن التغير في الطاقة الداخلية للنظام أثناء انتقاله من حالة إلى أخرى يساوي مجموع عمل القوى الخارجية وكمية الحرارة المنقولة إلى النظام:
وإذا كان النظام معزولاً فلا يتم بذل أي شغل عليه ولا يتبادل الحرارة مع الأجسام المحيطة به. وفقا للقانون الأول للديناميكا الحرارية تظل الطاقة الداخلية لنظام معزول دون تغيير.
معتبرا أن 
، يمكن كتابة القانون الأول للديناميكا الحرارية على النحو التالي:
تذهب كمية الحرارة المنقولة إلى النظام لتغيير طاقته الداخلية ولأداء العمل على الأجسام الخارجية بواسطة النظام.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية: من المستحيل نقل الحرارة من نظام أكثر برودة إلى نظام أكثر سخونة في غياب تغييرات أخرى متزامنة في كلا النظامين أو في الأجسام المحيطة.
ما الذي سيسخن بشكل أسرع على الموقد - غلاية أم دلو من الماء؟ الجواب واضح - إبريق الشاي. ثم السؤال الثاني لماذا؟
الجواب ليس أقل وضوحا - لأن كتلة الماء في الغلاية أقل. عظيم. والآن يمكنك القيام بتجربة بدنية حقيقية بنفسك في المنزل. للقيام بذلك، ستحتاج إلى قدرين صغيرين متطابقين، وكمية متساوية من الماء والزيت النباتي، على سبيل المثال، نصف لتر وموقد. ضعي القدر الذي به الزيت والماء على نفس النار. الآن فقط شاهد ما سوف يسخن بشكل أسرع. إذا كان لديك مقياس حرارة للسوائل، فيمكنك استخدامه، وإذا لم يكن الأمر كذلك، فيمكنك ببساطة اختبار درجة الحرارة بإصبعك من وقت لآخر، فقط احرص على عدم التعرض للحرق. على أية حال، ستلاحظ قريبًا أن الزيت يسخن بشكل أسرع بكثير من الماء. وسؤال آخر يمكن تنفيذه أيضًا على شكل خبرة. ما الذي سيغلي بشكل أسرع - الماء الدافئ أم البارد؟ كل شيء واضح مرة أخرى - الشخص الدافئ سيكون الأول عند خط النهاية. لماذا كل هذه الأسئلة والتجارب الغريبة؟ لتحديد الكمية الفيزيائية التي تسمى "كمية الحرارة".
كمية الحرارة
كمية الحرارة هي الطاقة التي يفقدها الجسم أو يكتسبها أثناء نقل الحرارة. وهذا واضح من الاسم. عند التبريد، سيفقد الجسم كمية معينة من الحرارة، وعند التسخين، سوف يمتصها. وأظهرت لنا إجابات أسئلتنا على ماذا تعتمد كمية الحرارة؟أولاً، كلما زادت كتلة الجسم، زادت كمية الحرارة التي يجب إنفاقها لتغيير درجة حرارته بمقدار درجة واحدة. ثانيًا، تعتمد كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم على المادة التي يتكون منها، أي على نوع المادة. وثالثًا، الفرق في درجة حرارة الجسم قبل وبعد نقل الحرارة مهم أيضًا لحساباتنا. وبناء على ما سبق نستطيع تحديد كمية الحرارة باستخدام الصيغة:
س=سم(t_2-t_1) ,
حيث Q هي كمية الحرارة،
م - وزن الجسم،
(t_2-t_1) - الفرق بين درجة حرارة الجسم الأولية والنهائية،
ج هي السعة الحرارية النوعية للمادة، ويمكن العثور عليها في الجداول المقابلة.
باستخدام هذه الصيغة، يمكنك حساب كمية الحرارة اللازمة لتسخين أي جسم أو التي سيطلقها هذا الجسم عند تبريده.
يتم قياس كمية الحرارة بالجول (1J)، مثل أي نوع من الطاقة. ومع ذلك، فقد تم تقديم هذه القيمة منذ وقت ليس ببعيد، وبدأ الناس في قياس كمية الحرارة في وقت مبكر جدًا. واستخدموا الوحدة المستخدمة على نطاق واسع في عصرنا - السعرات الحرارية (1 كالوري). 1 سعرة حرارية هي كمية الحرارة اللازمة لتسخين 1 جرام من الماء بمقدار 1 درجة مئوية. واسترشادًا بهذه البيانات، يمكن لأولئك الذين يحبون حساب السعرات الحرارية في الطعام الذي يتناولونه، من أجل المتعة فقط، حساب عدد لترات الماء التي يمكن غليها مع الطاقة التي يستهلكونها مع الطعام خلال اليوم.