כל הנוסחאות לקביעת כמות החום. חישוב כמות החום בזמן העברת חום, קיבולת חום ספציפית של חומר

ניתן לשנות את האנרגיה הפנימית של מערכת תרמודינמית בשתי דרכים:

1. עושה עבודה על המערכת
2. באמצעות אינטראקציה תרמית.

העברת חום לגוף אינה קשורה לביצוע עבודה מקרוסקופית על הגוף. במקרה זה, השינוי באנרגיה הפנימית נגרם מהעובדה שמולקולות בודדות של הגוף עם טמפרטורה גבוהה יותר אכן עובדות על כמה מולקולות של הגוף, שהטמפרטורה שלהן נמוכה יותר. במקרה זה, אינטראקציה תרמית מתממשת עקב הולכה תרמית. העברת אנרגיה אפשרית גם בעזרת קרינה. מערכת התהליכים המיקרוסקופיים (שנוגעים לא לכל הגוף, אלא למולקולות בודדות) נקראת העברת חום. כמות האנרגיה המועברת מגוף אחד לאחר כתוצאה מהעברת חום נקבעת על פי כמות החום המועברת מגוף אחד לאחר.

הַגדָרָה

חוֹםנקראת האנרגיה המתקבלת (או ניתנת) על ידי הגוף בתהליך של חילופי חום עם הגופים שמסביב (הסביבה). חום מסומן, בדרך כלל באות Q.

זהו אחד הגדלים הבסיסיים בתרמודינמיקה. חום כלול בביטויים המתמטיים של החוק הראשון והשני של התרמודינמיקה. אומרים שחום הוא אנרגיה בצורה של תנועה מולקולרית.

ניתן להעביר חום למערכת (גוף), או לקחת ממנו. הוא האמין שאם מועבר חום למערכת, אז זה חיובי.

הנוסחה לחישוב חום עם שינוי בטמפרטורה

כמות החום היסודית מסומנת כ. שימו לב שאלמנט החום שהמערכת מקבלת (מוציאה) עם שינוי קטן במצבו אינו דיפרנציאל מוחלט. הסיבה לכך היא שחום הוא פונקציה של תהליך שינוי מצב המערכת.

כמות החום היסודית המדווחת למערכת, והטמפרטורה משתנה מ-T ל-T + dT, היא:

כאשר C הוא קיבולת החום של הגוף. אם הגוף הנדון הוא הומוגני, ניתן לייצג את הנוסחה (1) לכמות החום כך:

היכן הוא החום הסגולי של הגוף, m הוא מסת הגוף, הוא קיבולת החום הטוחנית, הוא המסה המולרית של החומר, הוא מספר השומות של החומר.

אם הגוף הומוגני, וקיבולת החום נחשבת בלתי תלויה בטמפרטורה, אזי ניתן לחשב את כמות החום () שהגוף מקבל כאשר הטמפרטורה שלו עולה בערך כך:

כאשר t 2, t 1 טמפרטורת הגוף לפני ואחרי החימום. שימו לב שכאשר מוצאים את ההבדל () בחישובים, ניתן להחליף טמפרטורות הן במעלות צלזיוס והן בקלווין.

הנוסחה לכמות החום במהלך מעברי פאזה

המעבר משלב אחד של חומר לאחר מלווה בספיגה או שחרור של כמות מסוימת של חום, הנקרא חום מעבר הפאזה.

לכן, כדי להעביר יסוד של חומר ממצב מוצק לנוזל, יש ליידע אותו על כמות החום () השווה ל:

איפה החום הספציפי של היתוך, dm הוא יסוד מסת הגוף. במקרה זה, יש לקחת בחשבון שהגוף חייבת להיות בעלת טמפרטורה השווה לנקודת ההתכה של החומר המדובר. במהלך ההתגבשות משתחרר חום שווה ל-(4).

כמות החום (חום האידוי) הדרושה להמרת נוזל לאדים יכולה להימצא כ:

כאשר r הוא חום האידוי הספציפי. כאשר אדים מתעבים, חום משתחרר. חום האידוי שווה לחום ההתעבות של מסות שוות של חומר.

יחידות למדידת כמות החום

היחידה הבסיסית למדידת כמות החום במערכת SI היא: [Q]=J

יחידת חום מחוץ למערכת שנמצאת לרוב בחישובים טכניים. [Q]=קלוריות (קלוריות). 1 cal = 4.1868 J.

דוגמאות לפתרון בעיות

דוגמא

תרגיל.אילו כמויות מים יש לערבב כדי לקבל 200 ליטר מים בטמפרטורה של t=40C, אם הטמפרטורה של מסה אחת של מים היא t 1 =10C, מסת המים השנייה היא t 2 =60C?

פִּתָרוֹן.אנו כותבים את משוואת מאזן החום בצורה:

כאשר Q=cmt - כמות החום שהוכנה לאחר ערבוב מים; Q 1 \u003d cm 1 t 1 - כמות החום של חלק מים עם טמפרטורה t 1 ומסה m 1; Q 2 \u003d cm 2 t 2 - כמות החום של חלק מים עם טמפרטורה t 2 ומסה m 2.

משוואה (1.1) מרמזת:

כאשר משלבים חלקים קרים (V 1) וחמים (V 2) של מים לנפח אחד (V), אנו יכולים לקבל את זה:

אז, אנחנו מקבלים מערכת משוואות:

כשפותרים את זה, אנחנו מקבלים:

האנרגיה הפנימית של הגוף יכולה להשתנות עקב עבודתם של כוחות חיצוניים. כדי לאפיין את השינוי באנרגיה הפנימית במהלך העברת חום, מוכנסת כמות הנקראת כמות החום ומסומנת ב-Q.

במערכת הבינלאומית, היחידה של כמות החום, כמו גם העבודה והאנרגיה, היא הג'ול: = = = 1 J.

בפועל, לפעמים משתמשים ביחידה מחוץ למערכת של כמות החום - קלוריה. 1 קל. = 4.2 J.

יש לציין שהמונח "כמות חום" הוא מצער. זה הוצג בתקופה שבה האמינו שגופות מכילות נוזל חסר משקל וחמקמק - קלורי. תהליך העברת החום מורכב לכאורה מהעובדה שקלוריות, שנשפכות מגוף אחד לאחר, נושאת איתה כמות מסוימת של חום. כעת, כשאנחנו מכירים את יסודות התיאוריה המולקולרית-קינטית של מבנה החומר, אנו מבינים שאין קלוריות בגופים, המנגנון לשינוי האנרגיה הפנימית של הגוף שונה. עם זאת, כוחה של המסורת הוא רב ואנו ממשיכים להשתמש במונח, המובא על בסיס רעיונות שגויים לגבי אופי החום. יחד עם זאת, בהבנת אופי העברת החום, אין להתעלם לחלוטין מתפיסות מוטעות לגביו. להיפך, על ידי יצירת אנלוגיה בין זרימת החום לזרימת נוזל היפותטי של קלורי, כמות החום וכמות הקלוריות, ניתן, כאשר פותרים כמה סוגים של בעיות, לדמיין את התהליכים המתמשכים ו לפתור בעיות בצורה נכונה. בסופו של דבר, המשוואות הנכונות המתארות את תהליכי העברת החום התקבלו בבת אחת על בסיס רעיונות שגויים לגבי קלוריות כמוביל חום.

הבה נבחן ביתר פירוט את התהליכים שיכולים להתרחש כתוצאה מהעברת חום.

שפכו מעט מים למבחנה וסגרו אותה בפקק. תלו את המבחנה על מוט קבוע בחצובה והביאו מתחתיו להבה פתוחה. מהלהבה המבחנה מקבלת כמות מסוימת של חום וטמפרטורת הנוזל בה עולה. ככל שהטמפרטורה עולה, האנרגיה הפנימית של הנוזל עולה. יש תהליך אינטנסיבי של אידוי שלו. אדי הנוזל המתרחבים עושים עבודה מכנית כדי לדחוף את הפקק החוצה מהצינור.

נערוך ניסוי נוסף עם דגם של תותח העשוי מחתיכת צינור פליז, המותקן על עגלה. בצד אחד, הצינור סגור היטב עם תקע אבוניט, שדרכו מועבר סיכה. חוטים מולחמים אל החתך והצינור, ומסתיימים במסופים שניתן להפעיל אותם מרשת התאורה. דגם האקדח הוא אפוא מעין דוד חשמלי.

שפכו מעט מים לתוך קנה התותח וסגרו את הצינור עם פקק גומי. חבר את האקדח למקור מתח. זרם חשמלי העובר במים מחמם אותם. מים רותחים, מה שמוביל לאידוי האינטנסיבי שלהם. לחץ אדי המים עולה ולבסוף, הם עושים את העבודה של דחיפת הפקק מתוך קנה האקדח.

האקדח, עקב רתיעה, מתגלגל לאחור בכיוון המנוגד לשיגור הפקק.

שתי החוויות מאוחדות על ידי הנסיבות הבאות. בתהליך חימום הנוזל בדרכים שונות עלתה טמפרטורת הנוזל ובהתאם גם האנרגיה הפנימית שלו. כדי שהנוזל ירתח ויתאדה בצורה אינטנסיבית, היה צורך להמשיך ולחמם.

אדי הנוזל, בשל האנרגיה הפנימית שלהם, ביצעו עבודה מכנית.

אנו חוקרים את התלות של כמות החום הדרושה לחימום הגוף במסה שלו, שינויי טמפרטורה וסוג החומר. כדי ללמוד את התלות הללו, נשתמש במים ושמן. (כדי למדוד את הטמפרטורה בניסוי משתמשים במדחום חשמלי, העשוי מצמד תרמי המחובר לגלונומטר מראה. צומת צמד תרמי אחד מורידים לתוך כלי עם מים קרים כדי לוודא שהטמפרטורה שלו קבועה. צומת הצמד התרמי השני מודד את הטמפרטורה של הנוזל הנבדק).

החוויה מורכבת משלוש סדרות. בסדרה הראשונה, עבור מסה קבועה של נוזל מסוים (במקרה שלנו, מים), נלמדת התלות של כמות החום הנדרשת לחימום בשינויי טמפרטורה. כמות החום שמקבל הנוזל מהמחמם (כיריים חשמליות) תישפט לפי זמן החימום, בהנחה שיש ביניהם קשר יחסי ישיר. על מנת שתוצאת הניסוי תתאים להנחה זו, יש צורך להבטיח זרימה קבועה של חום מהכיריים החשמליות לגוף המחומם. לשם כך, הכיריים החשמליים חוברו לרשת מראש, כך שעד תחילת הניסוי הטמפרטורה של פני השטח שלו תחדל להשתנות. לחימום אחיד יותר של הנוזל במהלך הניסוי, נערבב אותו בעזרת הצמד התרמי עצמו. נרשום את קריאות המדחום במרווחים קבועים עד שנקודת האור תגיע לקצה הסקאלה.

בואו נסכם: יש קשר פרופורציונלי ישיר בין כמות החום הנדרשת לחימום גוף לבין שינוי בטמפרטורה שלו.

בסדרת הניסויים השנייה נשווה את כמות החום הנדרשת לחימום אותם נוזלים בעלי מסות שונות כאשר הטמפרטורה שלהם משתנה באותה כמות.

לנוחות השוואת הערכים שהתקבלו, מסת המים לניסוי השני תילקח פי שניים פחות מאשר בניסוי הראשון.

שוב, נרשום את קריאות מד החום במרווחי זמן קבועים.

בהשוואת תוצאות הניסוי הראשון והשני, נוכל להסיק את המסקנות הבאות.

בסדרת הניסויים השלישית נשווה את כמויות החום הנדרשות לחימום מסות שוות של נוזלים שונים כאשר הטמפרטורה שלהם משתנה באותה כמות.

נחמם שמן על כיריים חשמליות שהמסה שלו שווה למסת המים בניסוי הראשון. נרשום את קריאות מד החום במרווחי זמן קבועים.

תוצאת הניסוי מאשרת את המסקנה שכמות החום הנחוצה לחימום הגוף עומדת ביחס ישר לשינוי בטמפרטורה שלו ובנוסף מעידה על תלות כמות החום הזו בסוג החומר.

מכיוון שנעשה בניסוי שימוש בשמן שצפיפותו קטנה מצפיפות המים, ונדרשת כמות קטנה יותר של חום לחימום השמן לטמפרטורה מסוימת מאשר לחימום מים, ניתן להניח שכמות החום. הנדרש לחימום הגוף תלוי בצפיפות שלו.

כדי לבדוק הנחה זו, נחמם בו-זמנית מסות זהות של מים, פרפין ונחושת על תנור בעוצמה קבועה.

לאחר אותו זמן, טמפרטורת הנחושת היא בערך פי 10, והפרפין גבוה פי 2 בערך מטמפרטורת המים.

אבל לנחושת יש צפיפות גדולה יותר ופרפין פחות ממים.

הניסיון מלמד כי הכמות המאפיינת את קצב השינוי בטמפרטורה של החומרים מהם עשויים הגופים המעורבים בחילופי חום אינה הצפיפות. כמות זו נקראת קיבולת החום הספציפית של החומר והיא מסומנת באות c.

מכשיר מיוחד משמש להשוואת יכולות החום הספציפיות של חומרים שונים. המכשיר מורכב מתלים שבהם מחוברים צלחת פרפין דקה ומוט עם מוטות שעברו דרכו. גלילי אלומיניום, פלדה ופליז בעלי מסה שווה קבועים בקצות המוטות.

אנו מחממים את הצילינדרים לאותה טמפרטורה על ידי טבילתם בכלי מים העומד על כיריים חשמליות לוהטות. בואו נתקן את הצילינדרים החמים על המתלים ונשחרר אותם מהמחברים. הגלילים נוגעים בו זמנית בצלחת הפרפין, ומתוך הפרפין מתחילים לשקוע בתוכה. עומק הטבילה של גלילים מאותה מסה לצלחת פרפין, כאשר הטמפרטורה שלהם משתנה באותה כמות, מתברר כשונה.

הניסיון מלמד כי יכולות החום הספציפיות של אלומיניום, פלדה ופליז שונות.

לאחר שעשינו את הניסויים המקבילים בהתכה של מוצקים, אידוי של נוזלים ושריפת דלק, אנו מקבלים את התלות הכמותית הבאה.

כדי לקבל יחידות של כמויות ספציפיות, יש לבטא אותן מהנוסחאות המתאימות ויחידות החום - 1 J, מסה - 1 ק"ג, ולחום ספציפי - ויש להחליף את 1 K בביטויים המתקבלים.

אנו מקבלים יחידות: קיבולת חום ספציפית - 1 J / kg K, חום ספציפי אחר: 1 J / kg.

המוקד של המאמר שלנו הוא כמות החום. נשקול את המושג של אנרגיה פנימית, אשר משתנה כאשר ערך זה משתנה. כמו כן, נראה כמה דוגמאות ליישום חישובים בפעילות אנושית.

חוֹם

עם כל מילה בשפת האם, לכל אדם יש אסוציאציות משלו. הם נקבעים על ידי ניסיון אישי ורגשות לא רציונליים. מה מיוצג בדרך כלל על ידי המילה "חום"? שמיכה רכה, סוללת הסקה מרכזית עובדת בחורף, אור השמש הראשון באביב, חתול. או מבט של אמא, מילה מנחמת מחברה, תשומת לב בזמן.

פיזיקאים מתכוונים בכך למונח מאוד ספציפי. וחשוב מאוד, במיוחד בחלקים מסוימים של המדע המורכב אך המרתק הזה.

תֶרמוֹדִינָמִיקָה

לא כדאי להתייחס לכמות החום במנותק מהתהליכים הפשוטים ביותר שעליהם מבוסס חוק שימור האנרגיה – שום דבר לא יהיה ברור. לכן, מלכתחילה, אנו מזכירים לקוראים שלנו.

התרמודינמיקה מחשיבה כל דבר או עצם כשילוב של מספר גדול מאוד של חלקים יסודיים - אטומים, יונים, מולקולות. המשוואות שלו מתארות כל שינוי במצב הקולקטיבי של המערכת כולה וכחלק מהמכלול בעת שינוי פרמטרי מאקרו. אלה האחרונים מובנים כטמפרטורה (מסומנת כ-T), לחץ (P), ריכוז רכיבים (בדרך כלל C).

אנרגיה פנימית

אנרגיה פנימית היא מונח מסובך למדי, שצריך להבין את משמעותו לפני שמדברים על כמות החום. זה מציין את האנרגיה המשתנה עם עלייה או ירידה בערך של פרמטרי המאקרו של האובייקט ואינה תלויה במערכת הייחוס. זה חלק מהאנרגיה הכוללת. הוא חופף לו בתנאים שבהם מרכז המסה של הדבר הנחקר נמצא במנוחה (כלומר, אין מרכיב קינטי).

כאשר אדם מרגיש שאובייקט כלשהו (נגיד, אופניים) התחמם או התקרר, זה מראה שכל המולקולות והאטומים המרכיבים את המערכת הזו חוו שינוי באנרגיה הפנימית. עם זאת, קביעות הטמפרטורה אינה אומרת שימור אינדיקטור זה.

עבודה וחום

ניתן לשנות את האנרגיה הפנימית של כל מערכת תרמודינמית בשתי דרכים:

• על ידי ביצוע עבודה עליו;
• במהלך חילופי חום עם הסביבה.

הנוסחה לתהליך זה נראית כך:

dU=Q-A, כאשר U היא אנרגיה פנימית, Q היא חום, A היא עבודה.

אל הקורא יתעתע בפשטות הביטוי. התמורה מראה ש-Q=dU+A, אבל הכנסת האנטרופיה (S) מביאה את הנוסחה לצורה dQ=dSxT.

מכיוון שבמקרה זה המשוואה לובשת צורה של משוואה דיפרנציאלית, הביטוי הראשון דורש אותו דבר. יתרה מכך, בהתאם לכוחות הפועלים באובייקט הנחקר ולפרמטר שמחושב, נגזר היחס הדרוש.

הבה ניקח כדור מתכת כדוגמה למערכת תרמודינמית. אם תפעילו עליו לחץ, זורקים אותו למעלה, זורקים אותו לבאר עמוקה, זה אומר שתעבוד עליו. כלפי חוץ, כל הפעולות הלא מזיקות הללו לא יגרמו נזק לכדור, אבל האנרגיה הפנימית שלו תשתנה, אם כי מעט מאוד.

הדרך השנייה היא העברת חום. כעת הגענו למטרה העיקרית של מאמר זה: תיאור מהי כמות החום. זהו שינוי כזה באנרגיה הפנימית של מערכת תרמודינמית המתרחש במהלך העברת חום (ראה את הנוסחה לעיל). זה נמדד בג'אול או קלוריות. ברור שאם מחזיקים את הכדור מעל מצית, בשמש או פשוט ביד חמה, הוא יתחמם. ואז, על ידי שינוי הטמפרטורה, אתה יכול למצוא את כמות החום שהועברה אליו באותו הזמן.

מדוע גז הוא הדוגמה הטובה ביותר לשינוי באנרגיה הפנימית, ולמה תלמידים לא אוהבים פיזיקה בגלל זה

לעיל, תיארנו שינויים בפרמטרים התרמודינמיים של כדור מתכת. הם לא בולטים במיוחד ללא מכשירים מיוחדים, ולקורא נותר לקחת מילה על התהליכים המתרחשים עם האובייקט. דבר נוסף הוא אם המערכת היא גז. לחץ עליו - זה יהיה גלוי, תחמם אותו - הלחץ יעלה, יוריד מתחת לאדמה - ואת זה ניתן לתקן בקלות. לכן, בספרי לימוד, גז הוא שנלקח לרוב כמערכת תרמודינמית ויזואלית.

אבל, אבוי, לא הרבה תשומת לב מוקדשת לניסויים אמיתיים בחינוך המודרני. מדען שכותב מדריך מתודולוגי מבין היטב מה עומד על הפרק. נראה לו שבדוגמה של מולקולות גז, כל הפרמטרים התרמודינמיים יודגמו בצורה מספקת. אבל לסטודנט שרק מגלה את העולם הזה, משעמם לשמוע על בקבוק אידיאלי עם בוכנה תיאורטית. אילו היו לבית הספר מעבדות מחקר אמיתיות ושעות מוקדשות לעבוד בהן, הכל היה שונה. עד כה, למרבה הצער, הניסויים הם רק על הנייר. וסביר להניח שזה בדיוק מה שגורם לאנשים לראות בענף הפיזיקה הזה כמשהו תיאורטי בלבד, רחוק מהחיים ומיותר.

לכן, החלטנו לתת את האופניים שכבר הוזכרו לעיל כדוגמה. אדם לוחץ על הדוושות - אכן עובד עליהם. בנוסף להעברת מומנט למנגנון כולו (שבגללו נעים האופניים בחלל), משתנה האנרגיה הפנימית של החומרים מהם עשויים המנופים. רוכב האופניים דוחף את הידיות כדי להסתובב, ושוב עושה את העבודה.

האנרגיה הפנימית של הציפוי החיצוני (פלסטיק או מתכת) מוגברת. אדם הולך לקרחת יער תחת השמש הבהירה - האופניים מתחממים, כמות החום שלו משתנה. עוצר לנוח בצל עץ אלון ותיק והמערכת מתקררת, מבזבזת קלוריות או ג'אול. מגביר מהירות - מגביר את חילופי האנרגיה. עם זאת, חישוב כמות החום בכל המקרים הללו יראה ערך קטן מאוד, בלתי מורגש. לכן, נראה כי אין ביטויים של פיזיקה תרמודינמית בחיים האמיתיים.

יישום חישובים לשינויים בכמות החום

כנראה, הקורא יגיד שכל זה מאוד אינפורמטיבי, אבל למה אנחנו כל כך מעונים בבית הספר עם הנוסחאות האלה. וכעת ניתן דוגמאות באילו תחומי פעילות אנושיים הם נחוצים באופן ישיר וכיצד זה חל על כל אחד בחיי היומיום שלו.

מלכתחילה, הביטו סביבכם וספרו: כמה חפצי מתכת מקיפים אתכם? כנראה יותר מעשרה. אבל לפני שהופכים לאטב נייר, עגלה, טבעת או כונן הבזק, כל מתכת מותכת. כל מפעל שמעבד, למשל, עפרות ברזל חייב להבין כמה דלק נדרש כדי לייעל את העלויות. ובחישוב זה יש צורך לדעת את כושר החום של חומרי הגלם המכילים מתכת ואת כמות החום שיש להקנות לו על מנת שיתרחשו כל התהליכים הטכנולוגיים. מכיוון שהאנרגיה המשתחררת מיחידת דלק מחושבת בג'אול או קלוריות, יש צורך בנוסחאות ישירות.

או דוגמה אחרת: ברוב הסופרמרקטים יש מחלקה עם מוצרים קפואים - דגים, בשר, פירות. כאשר חומרי גלם מבשר בעלי חיים או פירות ים מומרים למוצרים מוגמרים למחצה, עליהם לדעת כמה חשמל ישתמשו ביחידות קירור והקפאה לטון או יחידת מוצר מוגמר. כדי לעשות זאת, עליך לחשב כמה חום מאבד קילוגרם של תותים או דיונונים בקירור מעלה אחת צלזיוס. ובסופו של דבר, זה יראה כמה חשמל יוציא מקפיא בקיבולת מסוימת.

מטוסים, ספינות, רכבות

למעלה, הראינו דוגמאות של עצמים סטטיים ונטילים יחסית שנלקחים מהם מידע או להיפך, כמות מסוימת של חום נלקחת מהם. עבור עצמים הנעים בתהליך הפעולה בתנאים של טמפרטורה משתנה כל הזמן, חישובים של כמות החום חשובים מסיבה נוספת.

יש דבר כזה "עייפות מתכת". זה כולל גם את העומסים המרביים המותרים בקצב מסוים של שינוי טמפרטורה. דמיינו מטוס ממריא מהאזורים הטרופיים הלחים אל האטמוספירה העליונה הקפואה. מהנדסים צריכים לעבוד קשה כדי שלא יתפרק בגלל סדקים במתכת המופיעים בשינוי הטמפרטורה. הם מחפשים הרכב סגסוגת שיכול לעמוד בעומסים אמיתיים ויהיה בעל מרווח בטיחות גדול. וכדי לא לחפש בצורה עיוורת, בתקווה להיתקל בטעות בהרכב הרצוי, צריך לעשות הרבה חישובים, כולל כאלה הכוללים שינויים בכמות החום.

תהליך העברת האנרגיה מגוף אחד לאחר מבלי לעשות עבודה נקרא חילופי חוםאוֹ העברת חום. העברת חום מתרחשת בין גופים בעלי טמפרטורות שונות. כאשר נוצר מגע בין גופים עם טמפרטורות שונות, חלק מהאנרגיה הפנימית מועבר מגוף עם טמפרטורה גבוהה יותר לגוף עם טמפרטורה נמוכה יותר. האנרגיה המועברת לגוף כתוצאה מהעברת חום נקראת כמות חום.

קיבולת חום ספציפית של חומר:

אם תהליך העברת החום אינו מלווה בעבודה, אז בהתבסס על החוק הראשון של התרמודינמיקה, כמות החום שווה לשינוי באנרגיה הפנימית של הגוף: .

האנרגיה הממוצעת של תנועת התרגום האקראי של מולקולות היא פרופורציונלית לטמפרטורה המוחלטת. השינוי באנרגיה הפנימית של הגוף שווה לסכום האלגברי של השינויים באנרגיה של כל האטומים או המולקולות, שמספרם פרופורציונלי למסה של הגוף, כך שהשינוי באנרגיה הפנימית, וכתוצאה מכך, כמות החום פרופורציונלית למסה ולשינוי הטמפרטורה:

גורם המידתיות במשוואה זו נקרא קיבולת חום ספציפית של חומר. קיבולת החום הספציפית מציינת כמה חום נדרש כדי להעלות את הטמפרטורה של 1 ק"ג של חומר ב-1 K.

עבודה בתרמודינמיקה:

במכניקה, עבודה מוגדרת כתוצר של מודולי הכוח והתזוזה והקוסינוס של הזווית ביניהם. העבודה נעשית כאשר כוח פועל על גוף נע ושווה לשינוי באנרגיה הקינטית שלו.

בתרמודינמיקה, תנועת הגוף בכללותו אינה נחשבת, אנו מדברים על תנועה של חלקי גוף מקרוסקופי ביחס זה לזה. כתוצאה מכך, נפח הגוף משתנה, ומהירותו נשארת שווה לאפס. עבודה בתרמודינמיקה מוגדרת באותו אופן כמו במכניקה, אך היא שווה לשינוי לא באנרגיה הקינטית של הגוף, אלא באנרגיה הפנימית שלו.

כאשר מתבצעת עבודה (דחיסה או התרחבות), האנרגיה הפנימית של הגז משתנה. הסיבה לכך היא כדלקמן: במהלך התנגשויות אלסטיות של מולקולות גז עם בוכנה נעה, האנרגיה הקינטית שלהן משתנה.

הבה נחשב את עבודת הגז במהלך ההרחבה. הגז פועל על הבוכנה בכוח
, איפה הוא הלחץ של הגז, ו - שטח פנים בּוּכנָה. כשהגז מתרחב, הבוכנה נעה לכיוון הכוח למרחק קצר
. אם המרחק קטן, לחץ הגז יכול להיחשב קבוע. עבודת הגז היא:

איפה
- שינוי בנפח הגז.

בתהליך הרחבת הגז הוא עושה עבודה חיובית, שכן כיוון הכוח והתזוזה חופפים. בתהליך ההתפשטות, הגז פולט אנרגיה לגופים שמסביב.

העבודה שעושים גופים חיצוניים על גז שונה מעבודה של גז רק בסימן
, כי הכוח הפועל על הגז מנוגד לכוח , שבו פועל הגז על הבוכנה, ושווה לה בערכו המוחלט (החוק השלישי של ניוטון); והתנועה נשארת זהה. לכן, העבודה של כוחות חיצוניים שווה ל:

.

החוק הראשון של התרמודינמיקה:

החוק הראשון של התרמודינמיקה הוא חוק שימור האנרגיה, מורחב לתופעות תרמיות. חוק שימור האנרגיה: אנרגיה בטבע אינה נובעת יש מאין ואינה נעלמת: כמות האנרגיה אינה משתנה, היא משתנה רק מצורה אחת לאחרת.

בתרמודינמיקה נחשבים גופים, מיקומו של מרכז הכובד שלהם כמעט ואינו משתנה. האנרגיה המכנית של גופים כאלה נשארת קבועה, ורק האנרגיה הפנימית יכולה להשתנות.

אנרגיה פנימית ניתנת לשינוי בשתי דרכים: העברת חום ועבודה. במקרה הכללי, האנרגיה הפנימית משתנה הן עקב העברת חום והן עקב ביצוע העבודה. החוק הראשון של התרמודינמיקה מנוסח בדיוק עבור מקרים כלליים כאלה:

השינוי באנרגיה הפנימית של המערכת במהלך מעברה ממצב אחד למשנהו שווה לסכום עבודת הכוחות החיצוניים וכמות החום המועברת למערכת:

אם המערכת מבודדת, אז לא מתבצעת עליה עבודה והיא לא מחליפה חום עם הגופים שמסביב. לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה האנרגיה הפנימית של מערכת מבודדת נשארת ללא שינוי.

בהתחשב בכך ש
, ניתן לכתוב את החוק הראשון של התרמודינמיקה באופן הבא:

כמות החום המועברת למערכת עוברת לשינוי האנרגיה הפנימית שלה ולביצוע עבודה על גופים חיצוניים על ידי המערכת.

החוק השני של התרמודינמיקה: אי אפשר להעביר חום ממערכת קרה יותר למערכת חמה יותר בהיעדר שינויים בו-זמניים אחרים בשתי המערכות או בגופים שמסביב.

מה מתחמם מהר יותר על הכיריים - קומקום או דלי מים? התשובה ברורה - קומקום. ואז השאלה השנייה היא למה?

התשובה ברורה לא פחות - כי מסת המים בקומקום פחותה. גדול. ועכשיו אתה יכול לעשות את החוויה הפיזית האמיתית ביותר בעצמך בבית. לשם כך תזדקק לשני סירים קטנים זהים, כמות שווה של מים ושמן צמחי, למשל, חצי ליטר כל אחד וכיריים. שים סירים עם שמן ומים על אותה אש. ועכשיו רק צפו מה יתחמם מהר יותר. אם יש מדחום לנוזלים אפשר להשתמש בו, אם לא אפשר פשוט לנסות מדי פעם את הטמפרטורה עם האצבע, רק שימו לב לא לשרוף. בכל מקרה, בקרוב תראו שהשמן מתחמם מהר משמעותית ממים. ועוד שאלה, שאפשר ליישם גם בצורת התנסות. מה רותח יותר מהר - מים חמים או קרים? הכל שוב ברור - החם יהיה הראשון שיסיים. למה כל השאלות והניסויים המוזרים האלה? על מנת לקבוע את הכמות הפיזית הנקראת "כמות החום".

כמות חום

כמות החום היא האנרגיה שהגוף מאבד או צובר במהלך העברת החום. זה ברור מהשם. בעת הקירור הגוף יאבד כמות מסוימת של חום, ובחימום הוא יספוג. והתשובות לשאלות שלנו הראו לנו במה תלויה כמות החום?ראשית, ככל שהמסה של הגוף גדולה יותר, כך כמות החום שיש להוציא כדי לשנות את הטמפרטורה שלו במעלה אחת גדולה יותר. שנית, כמות החום הדרושה לחימום גוף תלויה בחומר ממנו הוא מורכב, כלומר בסוג החומר. ושלישית, ההבדל בטמפרטורת הגוף לפני ואחרי העברת חום חשוב גם לחישובים שלנו. בהתבסס על האמור לעיל, אנחנו יכולים קבע את כמות החום לפי הנוסחה:

Q=cm(t_2-t_1) ,

כאשר Q הוא כמות החום,
מ' - משקל גוף,
(t_2-t_1) - ההבדל בין טמפרטורת הגוף הראשונית והסופית,
c - קיבולת חום סגולית של החומר, מצויה מהטבלאות הרלוונטיות.

באמצעות נוסחה זו, ניתן לחשב את כמות החום הדרושה לחימום כל גוף או שגוף זה ישחרר כאשר יתקרר.

כמות החום נמדדת בג'אול (1 J), כמו כל צורת אנרגיה אחרת. עם זאת, ערך זה הוצג לא כל כך מזמן, ואנשים החלו למדוד את כמות החום הרבה קודם לכן. והשתמשו ביחידה שנמצאת בשימוש נרחב בזמננו - קלוריה (1 קלורית). 1 קלוריה היא כמות החום הנדרשת להעלאת הטמפרטורה של 1 גרם מים ב-1 מעלות צלזיוס. בהנחיית הנתונים הללו, חובבי ספירת קלוריות במזון שהם אוכלים יכולים, לצורך העניין, לחשב כמה ליטר מים ניתן להרתיח באנרגיה שהם צורכים עם האוכל במהלך היום.