Termodinaminės sistemos vidinę energiją galima keisti dviem būdais:
- dirba su sistema
- per šiluminę sąveiką.
Šilumos perdavimas kūnui nėra susijęs su makroskopinio kūno darbo atlikimu. Šiuo atveju vidinės energijos pokytį lemia tai, kad atskiros aukštesnės temperatūros kūno molekulės veikia kai kurias kūno molekules, kurių temperatūra žemesnė. Šiuo atveju šiluminė sąveika realizuojama dėl šilumos laidumo. Energijos perdavimas galimas ir spinduliuotės pagalba. Mikroskopinių procesų (susijusių ne su visu kūnu, o su atskiromis molekulėmis) sistema vadinama šilumos perdavimu. Energijos kiekį, kuris perduodamas iš vieno kūno į kitą dėl šilumos perdavimo, lemia šilumos kiekis, perduodamas iš vieno kūno į kitą.
Apibrėžimas
šiluma vadinama energija, kurią organizmas gauna (arba atiduoda) šilumos mainų su aplinkiniais kūnais (aplinka) procese. Šiluma paprastai žymima raide Q.
Tai vienas pagrindinių termodinamikos dydžių. Šiluma įtraukta į pirmojo ir antrojo termodinamikos dėsnių matematines išraiškas. Sakoma, kad šiluma yra molekulinio judėjimo forma.
Šiluma gali būti perduodama sistemai (kūnui) arba gali būti paimta iš jos. Manoma, kad jei šiluma perduodama sistemai, ji yra teigiama.
Formulė šilumos apskaičiavimui keičiantis temperatūrai
Elementarus šilumos kiekis žymimas kaip. Atkreipkite dėmesį, kad šilumos elementas, kurį sistema gauna (išduoda) šiek tiek pasikeitus jo būsenai, nėra visiškas skirtumas. Taip yra dėl to, kad šiluma yra sistemos būklės keitimo proceso funkcija.
Elementarus šilumos kiekis, apie kurį pranešama sistemai, ir temperatūros pokyčiai nuo T iki T + dT yra:
kur C yra kūno šiluminė talpa. Jei nagrinėjamas kūnas yra vienalytis, tada šilumos kiekio formulė (1) gali būti pavaizduota taip:
kur yra savitoji kūno šiluma, m yra kūno masė, yra molinė šiluminė talpa, yra medžiagos molinė masė, yra medžiagos molių skaičius.
Jei kūnas yra vienalytis, o šiluminė talpa laikoma nepriklausoma nuo temperatūros, tada šilumos kiekį (), kurį kūnas gauna, kai jo temperatūra pakyla reikšme, galima apskaičiuoti taip:
kur t 2, t 1 kūno temperatūra prieš ir po kaitinimo. Atkreipkite dėmesį, kad apskaičiuojant skirtumą () galima pakeisti temperatūras tiek Celsijaus laipsniais, tiek kelvinais.
Šilumos kiekio formulė fazių virsmų metu
Medžiagos perėjimą iš vienos fazės į kitą lydi tam tikro šilumos kiekio, vadinamo fazinio perėjimo šiluma, sugėrimas arba išsiskyrimas.
Taigi, norint perkelti medžiagos elementą iš kietos būsenos į skystį, jis turėtų būti informuotas apie šilumos kiekį (), lygų:
kur yra savitoji sintezės šiluma, dm yra kūno masės elementas. Šiuo atveju reikia atsižvelgti į tai, kad kūno temperatūra turi būti lygi atitinkamos medžiagos lydymosi temperatūrai. Kristalizacijos metu išsiskiria šiluma, lygi (4).
Šilumos kiekį (garavimo šilumą), reikalingą skysčiui paversti garais, galima rasti taip:
kur r yra savitoji garavimo šiluma. Kai garai kondensuojasi, išsiskiria šiluma. Garavimo šiluma lygi vienodų medžiagų masių kondensacijos šilumai.
Šilumos kiekio matavimo vienetai
Pagrindinis šilumos kiekio matavimo vienetas SI sistemoje yra: [Q]=J
Nesisteminis šilumos vienetas, kuris dažnai randamas techniniuose skaičiavimuose. [Q] = kalorijos (kalorijos). 1 cal = 4,1868 J.
Problemų sprendimo pavyzdžiai
Pavyzdys
Pratimas. Kokius vandens tūrius reikia sumaišyti, kad gautųsi 200 litrų vandens, kurio temperatūra t=40C, jei vienos masės vandens temperatūra t 1 =10C, antros masės vandens t 2 =60C?
Sprendimas.Šilumos balanso lygtį įrašome tokia forma:
čia Q=cmt - šilumos kiekis, paruoštas sumaišius vandenį; Q 1 \u003d cm 1 t 1 - dalies vandens, kurio temperatūra t 1 ir masė m 1, šilumos kiekis; Q 2 \u003d cm 2 t 2 - vandens dalies, kurios temperatūra t 2 ir masė m 2, šilumos kiekis.
(1.1) lygtis reiškia:
Sujungiant šaltą (V 1) ir karštą (V 2) vandens dalis į vieną tūrį (V), galime sutikti, kad:
Taigi, gauname lygčių sistemą:
Išspręsdami, gauname:
Vidinė kūno energija gali keistis veikiant išorinėms jėgoms. Norint apibūdinti vidinės energijos pokytį šilumos perdavimo metu, įvedamas dydis, vadinamas šilumos kiekiu ir žymimas Q.
Tarptautinėje sistemoje šilumos kiekio, taip pat darbo ir energijos vienetas yra džaulis: = = = 1 J.
Praktikoje kartais naudojamas nesisteminis šilumos kiekio vienetas – kalorija. 1 kal. = 4,2 J.
Reikėtų pažymėti, kad terminas „šilumos kiekis“ yra apgailėtinas. Jis buvo pristatytas tuo metu, kai buvo manoma, kad kūnuose yra nesvarus, sunkiai pasiekiamas skystis - kaloringas. Tariamai šilumos perdavimo procesas susideda iš to, kad kalorijos, liedamos iš vieno kūno į kitą, neša tam tikrą šilumos kiekį. Dabar, žinodami molekulinės-kinetinės materijos sandaros teorijos pagrindus, suprantame, kad kūnuose nėra kalorijų, kitoks kūno vidinės energijos keitimo mechanizmas. Tačiau tradicijos galia yra didžiulė ir mes ir toliau vartojame terminą, įvestą remiantis neteisingomis mintimis apie šilumos prigimtį. Tuo pačiu metu, suprantant šilumos perdavimo prigimtį, nereikėtų visiškai ignoruoti klaidingų nuomonių apie tai. Priešingai, nubrėžus šilumos srauto ir hipotetinio kaloringo skysčio srauto, šilumos kiekio ir kalorijų kiekio analogiją, sprendžiant kai kurių klasių problemas galima vizualizuoti vykstančius procesus ir teisingai išspręsti problemas. Galų gale, remiantis neteisingomis mintimis apie kaloringumą kaip šilumos nešiklį, vienu metu buvo gautos teisingos lygtys, apibūdinančios šilumos perdavimo procesus.
Leiskite mums išsamiau apsvarstyti procesus, kurie gali atsirasti dėl šilumos perdavimo.
Į mėgintuvėlį įpilkite šiek tiek vandens ir uždarykite kamščiu. Pakabinkite mėgintuvėlį ant strypo, pritvirtinto prie trikojo, ir padėkite po juo atvirą ugnį. Iš liepsnos mėgintuvėlis gauna tam tikrą šilumos kiekį ir jame esančio skysčio temperatūra pakyla. Kylant temperatūrai, didėja skysčio vidinė energija. Vyksta intensyvus jo garinimo procesas. Besiplečiantys skysčio garai atlieka mechaninį darbą, kad išstumtų kamštį iš vamzdžio.
Atlikime dar vieną eksperimentą su patrankos modeliu, pagamintu iš žalvario vamzdžio gabalo, kuris sumontuotas ant vežimėlio. Vienoje pusėje vamzdis sandariai uždaromas ebonito kamščiu, per kurį perleidžiamas kaištis. Prie smeigės ir vamzdelio prilituojami laidai, kurie baigiasi gnybtais, kuriuos galima maitinti iš apšvietimo tinklo. Taigi pistoleto modelis yra tam tikras elektrinis katilas.
 |
Į patrankos vamzdį įpilkite šiek tiek vandens ir uždarykite vamzdelį guminiu kamščiu. Prijunkite pistoletą prie maitinimo šaltinio. Per vandenį einanti elektros srovė jį šildo. Vanduo užverda, dėl to jis intensyviai išgaruoja. Padidėja vandens garų slėgis ir galiausiai jie išstumia kamštį iš pistoleto vamzdžio.
Pistoletas dėl atatrankos rieda atgal priešinga kamštienos paleidimui kryptimi.
Abi patirtis vienija šios aplinkybės. Kaitinant skystį įvairiais būdais, pakilo skysčio temperatūra ir atitinkamai jo vidinė energija. Kad skystis užvirtų ir intensyviai išgaruotų, reikėjo jį toliau kaitinti.
Skysčio garai dėl savo vidinės energijos atliko mechaninį darbą.
 |
Tiriame kūnui sušildyti reikalingos šilumos kiekio priklausomybę nuo jo masės, temperatūros pokyčių ir medžiagos rūšies. Norėdami ištirti šias priklausomybes, naudosime vandenį ir aliejų. (Temperatūros matavimui eksperimente naudojamas elektrinis termometras, pagamintas iš termoporos, sujungtos su veidrodiniu galvanometru. Viena termoporos jungtis nuleidžiama į indą su šaltu vandeniu, kad jo temperatūra būtų pastovi. Kita termoporos jungtis matuoja temperatūrą. tiriamo skysčio).
Patirtis susideda iš trijų serijų. Pirmoje serijoje, esant pastoviai konkretaus skysčio (mūsų atveju vandens) masei, tiriama šilumos kiekio, reikalingo jam pašildyti, priklausomybė nuo temperatūros pokyčių. Šilumos kiekis, kurį skystis gauna iš šildytuvo (elektrinės viryklės), bus vertinamas pagal šildymo laiką, darant prielaidą, kad tarp jų yra tiesiogiai proporcingas ryšys. Kad eksperimento rezultatas atitiktų šią prielaidą, būtina užtikrinti pastovų šilumos srautą iš elektrinės viryklės į šildomą korpusą. Norėdami tai padaryti, elektrinė viryklė buvo iš anksto prijungta prie tinklo, kad iki eksperimento pradžios jos paviršiaus temperatūra nustotų keistis. Kad skystis eksperimento metu būtų vienodesnis, jį maišysime pačios termoporos pagalba. Termometro rodmenis fiksuosime reguliariais intervalais, kol šviesos taškas pasieks skalės kraštą.
Darykime išvadą: yra tiesioginis proporcingas ryšys tarp šilumos kiekio, reikalingo kūnui sušildyti, ir jo temperatūros pokyčio.
Antroje eksperimentų serijoje lyginsime šilumos kiekį, reikalingą tiems patiems skirtingos masės skysčiams pašildyti, kai jų temperatūra pasikeičia vienodai.
Kad būtų lengviau palyginti gautas vertes, vandens masė antrajam eksperimentui bus paimta du kartus mažesnė nei pirmojo eksperimento metu.
Vėlgi, mes reguliariai registruosime termometro rodmenis.
Palyginę pirmojo ir antrojo eksperimentų rezultatus, galime padaryti tokias išvadas.
Trečiojoje eksperimentų serijoje lyginsime šilumos kiekius, kurių reikia vienodoms skirtingų skysčių masėms pašildyti, kai jų temperatūra pasikeičia vienodai.
Ant elektrinės viryklės kaitinsime aliejų, kurio masė lygi vandens masei pirmajame eksperimente. Reguliariai fiksuosime termometro rodmenis.
Eksperimento rezultatas patvirtina išvadą, kad šilumos kiekis, reikalingas kūnui sušildyti, yra tiesiogiai proporcingas jo temperatūros pokyčiui ir, be to, rodo šio šilumos kiekio priklausomybę nuo medžiagos rūšies.
Kadangi eksperimente buvo naudojamas aliejus, kurio tankis mažesnis už vandens tankį, o alyvai pašildyti iki tam tikros temperatūros reikėjo mažesnio šilumos kiekio nei vandens pašildymui, galima daryti prielaidą, kad šilumos kiekis reikalingas kūnui sušildyti, priklauso nuo jo tankio.
Norėdami patikrinti šią prielaidą, vienu metu šildysime identiškas vandens, parafino ir vario mases ant pastovios galios šildytuvo.
Po to paties laiko vario temperatūra yra apie 10 kartų, o parafino - apie 2 kartus aukštesnė už vandens temperatūrą.
Tačiau vario tankis yra didesnis, o parafinas mažesnis nei vandens.
Patirtis rodo, kad kiekis, apibūdinantis medžiagų, iš kurių susidaro šilumos mainuose dalyvaujantys kūnai, temperatūros kitimo greitį, nėra tankis. Šis dydis vadinamas specifine medžiagos šilumine talpa ir žymimas raide c.
 |
Įvairių medžiagų savitosios šiluminės talpos palyginimui naudojamas specialus prietaisas. Prietaisas susideda iš stelažų, prie kurių pritvirtinta plona parafino plokštė ir strypas su per ją perkeltais strypais. Strypų galuose tvirtinami vienodos masės aliuminio, plieno ir žalvariniai cilindrai.
Balionus įkaitiname iki tokios pat temperatūros panardindami į vandens indą, stovintį ant karštos elektrinės viryklės. Įkaitusius cilindrus pritvirtinkime prie stelažų ir atlaisvinkime nuo tvirtinimo detalių. Cilindrai vienu metu liečiasi su parafino plokštele ir, ištirpdydami parafiną, pradeda į ją skęsti. Tos pačios masės cilindrų panardinimo į parafino plokštę gylis, kai jų temperatūra pasikeičia vienodai, pasirodo, yra skirtingas.
Patirtis rodo, kad aliuminio, plieno ir žalvario savitosios šiluminės talpos skiriasi.
Atlikę atitinkamus kietųjų medžiagų lydymosi, skysčių garinimo ir kuro deginimo eksperimentus, gauname tokias kiekybines priklausomybes.
Norint gauti konkrečių dydžių vienetus, jie turi būti išreikšti atitinkamomis formulėmis ir į gautas išraiškas pakeisti šilumos vienetus - 1 J, masė - 1 kg, o specifinei šilumai - ir 1 K.
Gauname vienetus: savitoji šiluminė galia - 1 J / kg K, kitos specifinės šilumos: 1 J / kg.
Mūsų straipsnyje pagrindinis dėmesys skiriamas šilumos kiekiui. Apsvarstysime vidinės energijos sąvoką, kuri transformuojasi pasikeitus šiai vertei. Taip pat parodysime keletą skaičiavimų taikymo žmogaus veikloje pavyzdžių.
Šiluma
Su bet kokiu gimtosios kalbos žodžiu kiekvienas žmogus turi savo asociacijas. Jas lemia asmeninė patirtis ir neracionalūs jausmai. Ką dažniausiai reiškia žodis „šiluma“? Minkšta antklodė, veikiantis centrinio šildymo akumuliatorius žiemą, pirmas saulės spindulys pavasarį, katinas. Arba mamos žvilgsnis, paguodžiantis draugo žodis, laiku atkreiptas dėmesys.
Fizikai turi omenyje labai specifinį terminą. Ir labai svarbu, ypač kai kuriose šio sudėtingo, bet patrauklaus mokslo srityse.
Termodinamika
Neverta svarstyti šilumos kiekio atskirai nuo paprasčiausių procesų, kuriais grindžiamas energijos tvermės dėsnis – niekas nebus aišku. Todėl pirmiausia primename savo skaitytojams.
Termodinamika bet kurį daiktą ar objektą laiko labai daug elementariųjų dalių – atomų, jonų, molekulių – deriniu. Jo lygtys apibūdina bet kokius visos sistemos kolektyvinės būsenos pokyčius ir kaip visumos dalį keičiant makroparametrus. Pastarieji suprantami kaip temperatūra (žymima T), slėgis (P), komponentų koncentracija (dažniausiai C).
Vidinė energija
Vidinė energija yra gana sudėtingas terminas, kurio reikšmę reikėtų suprasti prieš kalbant apie šilumos kiekį. Ji žymi energiją, kuri kinta didėjant arba mažėjant objekto makroparametrų reikšmei ir nepriklauso nuo atskaitos sistemos. Tai yra visos energijos dalis. Jis sutampa su juo sąlygomis, kai tiriamo daikto masės centras yra ramybės būsenoje (tai yra, nėra kinetinės komponentės).
Kai žmogus jaučia, kad koks nors objektas (tarkime, dviratis) sušilo arba atvėso, tai rodo, kad visos molekulės ir atomai, sudarantys šią sistemą, patyrė vidinės energijos pasikeitimą. Tačiau temperatūros pastovumas nereiškia šio rodiklio išsaugojimo.
Darbas ir šiluma
Bet kurios termodinaminės sistemos vidinė energija gali būti transformuojama dviem būdais:
- dirbdami su juo;
- šilumos mainų su aplinka metu.
Šio proceso formulė atrodo taip:
dU=Q-A, kur U – vidinė energija, Q – šiluma, A – darbas.
Tegul skaitytojo neapgauna posakio paprastumas. Permutacija rodo, kad Q=dU+A, bet įvedus entropiją (S), formulė gaunama į formą dQ=dSxT.
Kadangi šiuo atveju lygtis įgauna diferencialinės lygties formą, pirmoji išraiška reikalauja to paties. Be to, priklausomai nuo tiriamame objekte veikiančių jėgų ir skaičiuojamo parametro, išvedamas reikiamas santykis.
Paimkime metalinį rutulį kaip termodinaminės sistemos pavyzdį. Jei darote spaudimą, išmetate, įmetate į gilų šulinį, vadinasi, reikia dirbti su juo. Išoriškai visi šie nekenksmingi veiksmai nepadarys kamuoliui jokios žalos, tačiau jo vidinė energija pasikeis, nors ir labai nežymiai.
Antrasis būdas yra šilumos perdavimas. Dabar einame prie pagrindinio šio straipsnio tikslo: aprašymo, koks yra šilumos kiekis. Tai toks termodinaminės sistemos vidinės energijos pokytis, atsirandantis šilumos perdavimo metu (žr. aukščiau pateiktą formulę). Jis matuojamas džauliais arba kalorijomis. Akivaizdu, kad jei kamuolys bus laikomas virš žiebtuvėlio, saulėje ar tiesiog šiltoje rankoje, jis įkais. Ir tada, pakeitus temperatūrą, galite rasti šilumos kiekį, kuris jam buvo praneštas tuo pačiu metu.
Kodėl dujos yra geriausias vidinės energijos pasikeitimo pavyzdys ir kodėl studentai dėl to nemėgsta fizikos
Aukščiau aprašėme metalinio rutulio termodinaminių parametrų pokyčius. Be specialių prietaisų jie nelabai pastebimi, o apie procesus, vykstančius su objektu, belieka pasikalbėti skaitytojui. Kitas dalykas, jei sistema yra dujinė. Paspauskite ant jo - bus matoma, įkaitinkite - slėgis pakils, nuleiskite po žeme - ir tai bus nesunkiai sutvarkyta. Todėl vadovėliuose būtent dujos dažniausiai laikomos vizualine termodinamine sistema.
Tačiau, deja, šiuolaikiniame ugdyme realiems eksperimentams neskiriama daug dėmesio. Mokslininkas, rašantis metodinį vadovą, puikiai supranta, kas yra ant kortos. Jam atrodo, kad, naudojant dujų molekulių pavyzdį, visi termodinaminiai parametrai bus tinkamai parodyti. Tačiau studentui, kuris tik atranda šį pasaulį, nuobodu girdėti apie idealią kolbą su teoriniu stūmokliu. Jeigu mokykloje būtų tikros tyrimų laboratorijos ir jose būtų skirtos valandos darbui, viskas būtų kitaip. Deja, kol kas eksperimentai tik popieriuje. Ir, greičiausiai, būtent dėl to žmonės šią fizikos šaką laiko grynai teoriniu, toli nuo gyvybės ir nereikalingu.
Todėl nusprendėme kaip pavyzdį pateikti jau minėtą dviratį. Žmogus spaudžia pedalus – dirba ant jų. Be sukimo momento perdavimo visam mechanizmui (dėl kurio dviratis juda erdvėje), kinta medžiagų, iš kurių gaminamos svirtys, vidinė energija. Dviratininkas stumia rankenas, kad pasisuktų, ir vėl dirba.
Padidėja išorinės dangos (plastiko ar metalo) vidinė energija. Žmogus eina į proskyną po ryškia saule – dviratis įkaista, keičiasi jo šilumos kiekis. Sustoja pailsėti seno ąžuolo pavėsyje ir sistema atšąla, eikvodama kalorijas ar džaulius. Padidina greitį – padidina energijos mainus. Tačiau šilumos kiekio apskaičiavimas visais šiais atvejais parodys labai mažą, nepastebimą reikšmę. Todėl atrodo, kad realiame gyvenime termodinaminės fizikos apraiškų nėra.
Šilumos kiekio pokyčių skaičiavimų taikymas
Ko gero, skaitytojas pasakys, kad visa tai labai informatyvu, bet kodėl mus taip kankina mokykloje su šiomis formulėmis. O dabar pateiksime pavyzdžių, kuriose žmogaus veiklos srityse jie yra tiesiogiai reikalingi ir kaip tai taikoma kiekvienam jo kasdieniame gyvenime.
Pirmiausia apsidairykite aplinkui ir suskaičiuokite: kiek metalinių daiktų jus supa? Tikriausiai daugiau nei dešimt. Tačiau prieš tapdamas sąvaržėlę, vagoną, žiedą ar „flash drive“ bet koks metalas išlydomas. Kiekviena gamykla, apdirbanti, tarkime, geležies rūdą, turi suprasti, kiek kuro reikia, kad būtų optimizuotos sąnaudos. O tai skaičiuojant būtina žinoti metalo turinčių žaliavų šiluminę talpą ir šilumos kiekį, kuris jai turi būti atiduodamas, kad vyktų visi technologiniai procesai. Kadangi kuro vieneto išskiriama energija apskaičiuojama džauliais arba kalorijomis, formulės reikalingos tiesiogiai.
Arba kitas pavyzdys: daugumoje prekybos centrų yra skyrius su šaldytomis prekėmis – žuvimi, mėsa, vaisiais. Kai žaliavos iš gyvulinės mėsos ar jūros gėrybių paverčiamos pusgaminiais, jie turi žinoti, kiek elektros energijos sunaudos šaldymo ir šaldymo įrenginiai vienai tonai ar gatavo produkto vienetui. Norėdami tai padaryti, turėtumėte paskaičiuoti, kiek šilumos praranda kilogramas braškių ar kalmarų, atvėsusių vienu laipsniu Celsijaus. Ir galiausiai tai parodys, kiek elektros išleis tam tikros talpos šaldiklis.
Lėktuvai, laivai, traukiniai
Aukščiau parodėme santykinai nejudančių, statiškų objektų, kurie yra informuojami arba, priešingai, iš jų atimamas tam tikras šilumos kiekis, pavyzdžius. Objektams, judantiems eksploatacijos procese nuolat kintančios temperatūros sąlygomis, šilumos kiekio skaičiavimai svarbūs ir dėl kitos priežasties.
Yra toks dalykas kaip „metalo nuovargis“. Tai taip pat apima didžiausias leistinas apkrovas esant tam tikram temperatūros pokyčio greičiui. Įsivaizduokite lėktuvą, kylantį iš drėgnų tropikų į užšalusius viršutinius atmosferos sluoksnius. Inžinieriai turi sunkiai dirbti, kad jis nesuirtų dėl metalo įtrūkimų, atsirandančių kintant temperatūrai. Jie ieško lydinio kompozicijos, kuri galėtų atlaikyti tikras apkrovas ir turėtų didelę saugos ribą. O norint neieškoti aklai, tikintis netyčia užkliūti ant norimos kompozicijos, tenka atlikti daugybę skaičiavimų, įskaitant tuos, kurie apima šilumos kiekio pokyčius.
Energijos perdavimo iš vieno kūno į kitą neatliekant darbo procesas vadinamas šilumos mainai arba šilumos perdavimas. Šilumos perdavimas vyksta tarp skirtingų temperatūrų kūnų. Užmezgus kontaktą tarp skirtingos temperatūros kūnų, dalis vidinės energijos iš aukštesnės temperatūros kūno perduodama žemesnės temperatūros kūnui. Energija, perduodama kūnui dėl šilumos perdavimo, vadinama šilumos kiekis.
Specifinė medžiagos šiluminė talpa:
Jeigu šilumos perdavimo proceso nelydi darbas, tai, remiantis pirmuoju termodinamikos dėsniu, šilumos kiekis lygus kūno vidinės energijos pokyčiui: .
Vidutinė molekulių atsitiktinio transliacinio judėjimo energija yra proporcinga absoliučiai temperatūrai. Kūno vidinės energijos pokytis yra lygus visų atomų ar molekulių, kurių skaičius proporcingas kūno masei, energijos pokyčių algebrinei sumai, todėl vidinės energijos pokytis ir atitinkamai šilumos kiekis proporcingas masės ir temperatūros pokyčiui:
Proporcingumo koeficientas šioje lygtyje vadinamas specifinė medžiagos šiluminė talpa. Savitoji šiluminė talpa rodo, kiek šilumos reikia 1 kg medžiagos temperatūrai pakelti 1 K.
Darbas termodinamikos srityje:
Mechanikoje darbas apibrėžiamas kaip jėgos ir poslinkio modulių sandauga ir kampo tarp jų kosinusas. Darbas atliekamas, kai judantį kūną veikia jėga ir yra lygi jo kinetinės energijos pokyčiui.
Termodinamikoje į viso kūno judėjimą neatsižvelgiama, mes kalbame apie makroskopinio kūno dalių judėjimą viena kitos atžvilgiu. Dėl to keičiasi kūno tūris, o jo greitis išlieka lygus nuliui. Darbas termodinamikoje apibrėžiamas taip pat, kaip ir mechanikoje, tačiau jis lygus ne kūno kinetinės, o vidinės energijos pokyčiui.
Atliekant darbą (suspaudimą ar išsiplėtimą), pasikeičia vidinė dujų energija. To priežastis yra tokia: elastingų dujų molekulių susidūrimų su judančiu stūmokliu metu jų kinetinė energija kinta.
Apskaičiuokime dujų darbą plėtimosi metu. Dujos stūmoklį veikia jėga 
, Kur 
yra dujų slėgis ir 
- paviršiaus plotas 
stūmoklis. Dujoms plečiantis, stūmoklis juda jėgos kryptimi 
trumpam atstumui 
. Jei atstumas mažas, tada dujų slėgis gali būti laikomas pastoviu. Dujų darbas yra toks:
Kur 
- dujų kiekio pasikeitimas.
Plečiant dujas, tai daro teigiamą darbą, nes jėgos ir poslinkio kryptis sutampa. Plėtimosi procese dujos atiduoda energiją aplinkiniams kūnams.
Išorinių kūnų darbas su dujomis skiriasi nuo dujų darbo tik ženklu 
, nes stiprybė 
veikiantis dujas yra priešingas jėgai 
, su kuria dujos veikia stūmoklį, ir yra jam lygios absoliučia verte (trečiasis Niutono dėsnis); ir judėjimas išlieka toks pat. Todėl išorinių jėgų darbas yra lygus:
.
Pirmasis termodinamikos dėsnis:
Pirmasis termodinamikos dėsnis yra energijos tvermės dėsnis, išplečiamas šiluminiams reiškiniams. Energijos tvermės dėsnis: energija gamtoje neatsiranda iš nieko ir neišnyksta: energijos kiekis nekinta, ji tik keičiasi iš vienos formos į kitą.
Termodinamikoje laikomi kūnai, kurių svorio centro padėtis praktiškai nekinta. Tokių kūnų mechaninė energija išlieka pastovi, o keistis gali tik vidinė energija.
Vidinę energiją galima keisti dviem būdais: šilumos perdavimo ir darbo. Bendru atveju vidinė energija kinta ir dėl šilumos perdavimo, ir dėl darbų atlikimo. Pirmasis termodinamikos dėsnis suformuluotas būtent tokiems bendriems atvejams:
Sistemos vidinės energijos pokytis pereinant iš vienos būsenos į kitą yra lygus išorinių jėgų darbo ir sistemai perduodamos šilumos kiekio sumai:
Jei sistema izoliuota, tai joje nedirbama ir ji nekeičia šilumos su aplinkiniais kūnais. Pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį izoliuotos sistemos vidinė energija išlieka nepakitusi.
Turint omenyje 
, pirmąjį termodinamikos dėsnį galima parašyti taip:
Šilumos kiekis, perduotas sistemai, eina pakeisti jos vidinę energiją ir atlikti sistemos darbus išoriniuose kūnuose.
Antrasis termodinamikos dėsnis: neįmanoma perduoti šilumos iš šaltesnės sistemos į karštesnę, jei abiejose sistemose ar aplinkiniuose kūnuose nevyksta kiti vienu metu vykstantys pokyčiai.
Kas greičiau įkaista ant viryklės – virdulys ar kibiras vandens? Atsakymas akivaizdus – virdulys. Tada antras klausimas yra kodėl?
Atsakymas ne mažiau akivaizdus – nes vandens masė virdulyje mažesnė. Puiku. O dabar patys tikriausią fizinę patirtį galite atlikti namuose. Norėdami tai padaryti, jums reikės dviejų vienodų mažų puodų, vienodo kiekio vandens ir augalinio aliejaus, pavyzdžiui, po pusę litro, ir viryklės. Ant tos pačios ugnies uždėkite puodus su aliejumi ir vandeniu. O dabar tik žiūrėkite, kas greičiau įkais. Jei yra termometras skysčiams, galite jį naudoti, jei ne, galite tiesiog karts nuo karto pabandyti temperatūrą pirštu, tik būkite atsargūs, kad nesusidegintumėte. Bet kuriuo atveju greitai pamatysite, kad aliejus įkaista žymiai greičiau nei vanduo. Ir dar vienas klausimas, kurį taip pat galima įgyvendinti patirties pavidalu. Kas užverda greičiau – šiltas vanduo ar šaltas? Vėl viskas aišku – pirmas finišuos šiltasis. Kodėl visi šie keisti klausimai ir eksperimentai? Norint nustatyti fizinį dydį, vadinamą "šilumos kiekiu".
Šilumos kiekis
Šilumos kiekis – tai energija, kurią organizmas praranda arba įgyja perduodant šilumą. Tai aišku iš pavadinimo. Vėsdamas kūnas praras tam tikrą šilumos kiekį, o kaitinamas – sugers. Ir atsakymai į mūsų klausimus mums parodė nuo ko priklauso šilumos kiekis? Pirma, kuo didesnė kūno masė, tuo didesnis šilumos kiekis turi būti išleistas, kad jo temperatūra pasikeistų vienu laipsniu. Antra, šilumos kiekis, reikalingas kūnui sušildyti, priklauso nuo medžiagos, iš kurios jis sudarytas, tai yra, nuo medžiagos rūšies. Ir trečia, mūsų skaičiavimams svarbus ir kūno temperatūros skirtumas prieš ir po šilumos perdavimo. Remdamiesi tuo, kas išdėstyta pirmiau, galime šilumos kiekį nustatykite pagal formulę:
Q=cm(t_2-t_1) ,
kur Q yra šilumos kiekis,
m - kūno svoris,
(t_2-t_1) – skirtumas tarp pradinės ir galutinės kūno temperatūros,
c - medžiagos savitoji šiluminė talpa, pateikiama atitinkamose lentelėse.
Naudodami šią formulę galite apskaičiuoti šilumos kiekį, kurio reikia bet kuriam kūnui sušildyti arba kurį šis kūnas išskirs vėsdamas.
Šilumos kiekis matuojamas džauliais (1 J), kaip ir bet kuri kita energijos rūšis. Tačiau ši vertė buvo įvesta ne taip seniai, o šilumos kiekį žmonės pradėjo matuoti daug anksčiau. Ir jie naudojo mūsų laikais plačiai naudojamą vienetą - kaloriją (1 cal). 1 kalorija – tai šilumos kiekis, reikalingas 1 gramo vandens temperatūrai pakelti 1 laipsniu Celsijaus. Vadovaudamiesi šiais duomenimis, mėgstantys skaičiuoti kalorijas valgomame maiste, įdomumo dėlei gali paskaičiuoti, kiek litrų vandens galima užvirti su energija, kurią jie suvartoja su maistu per dieną.