Energię wewnętrzną układu termodynamicznego można zmienić na dwa sposoby:
- wykonując pracę w systemie
- poprzez oddziaływanie termiczne.
Przekazywanie ciepła ciału nie jest związane z wykonywaniem pracy makroskopowej na ciele. W tym przypadku zmiana energii wewnętrznej jest spowodowana tym, że poszczególne cząsteczki ciała o wyższej temperaturze działają na niektóre cząsteczki ciała o niższej temperaturze. W tym przypadku interakcja termiczna jest realizowana dzięki przewodzeniu ciepła. Przekazywanie energii jest również możliwe za pomocą promieniowania. System procesów mikroskopowych (dotyczących nie całego ciała, ale poszczególnych cząsteczek) nazywa się przenoszeniem ciepła. Ilość energii przenoszona z jednego ciała do drugiego w wyniku wymiany ciepła jest określona przez ilość ciepła przenoszonego z jednego ciała do drugiego.
Definicja
ciepło zwana energią, którą organizm otrzymuje (lub oddaje) w procesie wymiany ciepła z otaczającymi go ciałami (środowiskiem). Ciepło oznacza się zwykle literą Q.
Jest to jedna z podstawowych wielkości w termodynamice. Ciepło jest zawarte w matematycznych wyrażeniach pierwszej i drugiej zasady termodynamiki. Mówi się, że ciepło jest energią w postaci ruchu molekularnego.
Ciepło może być przekazane do układu (ciała) lub może być z niego odebrane. Uważa się, że jeśli ciepło jest przekazywane do systemu, to jest dodatnie.
Wzór na obliczanie ciepła przy zmianie temperatury
Elementarna ilość ciepła jest oznaczona jako . Należy zauważyć, że element ciepła, który układ otrzymuje (oddaje) przy niewielkiej zmianie swojego stanu, nie jest różniczką całkowitą. Powodem tego jest to, że ciepło jest funkcją procesu zmiany stanu układu.
Elementarna ilość ciepła, która jest przekazywana do układu i zmiana temperatury od T do T + dT, wynosi:
gdzie C jest pojemnością cieplną ciała. Jeżeli rozważane ciało jest jednorodne, to wzór (1) na ilość ciepła można przedstawić jako:
gdzie jest ciepło właściwe ciała, m to masa ciała, to molowa pojemność cieplna, to masa molowa substancji, to liczba moli substancji.
Jeśli ciało jest jednorodne, a pojemność cieplna jest uważana za niezależną od temperatury, to ilość ciepła (), którą otrzymuje ciało, gdy jego temperatura wzrasta o wartość, można obliczyć ze wzoru:
gdzie t 2 , t 1 temperatura ciała przed i po ogrzaniu. Należy pamiętać, że przy znajdowaniu różnicy () w obliczeniach temperatury można zastąpić zarówno w stopniach Celsjusza, jak iw kelwinach.
Wzór na ilość ciepła podczas przemian fazowych
Przejściu z jednej fazy substancji do drugiej towarzyszy pochłanianie lub uwalnianie pewnej ilości ciepła, które nazywa się ciepłem przemiany fazowej.
Aby więc przenieść element materii ze stanu stałego do ciekłego, należy podać mu ilość ciepła () równą:
gdzie to ciepło właściwe topnienia, dm to element masy ciała. W takim przypadku należy wziąć pod uwagę, że ciało musi mieć temperaturę równą temperaturze topnienia danej substancji. Podczas krystalizacji uwalniane jest ciepło równe (4).
Ilość ciepła (ciepło parowania) wymaganego do przekształcenia cieczy w parę można znaleźć jako:
gdzie r jest ciepłem właściwym parowania. Podczas skraplania pary uwalniane jest ciepło. Ciepło parowania jest równe ciepłu skraplania równych mas materii.
Jednostki do pomiaru ilości ciepła
Podstawową jednostką miary ilości ciepła w układzie SI jest: [Q]=J
Pozasystemowa jednostka ciepła często stosowana w obliczeniach technicznych. [Q]=cal (kalorie). 1 cal = 4,1868 J.
Przykłady rozwiązywania problemów
Przykład
Ćwiczenia. Jakie objętości wody należy zmieszać, aby otrzymać 200 litrów wody o temperaturze t=40C, jeśli temperatura jednej masy wody wynosi t1=10C, a drugiej masy wody t2=60C?
Rozwiązanie. Piszemy równanie bilansu cieplnego w postaci:
gdzie Q=cmt - ilość ciepła przygotowanego po zmieszaniu wody; Q 1 \u003d cm 1 t 1 - ilość ciepła części wody o temperaturze t 1 i masie m 1; Q 2 \u003d cm 2 t 2 - ilość ciepła części wody o temperaturze t 2 i masie m 2.
Równanie (1.1) implikuje:
Łącząc zimną (V 1) i gorącą (V 2) część wody w jedną objętość (V), możemy przyjąć, że:
Otrzymujemy więc układ równań:
Rozwiązując go, otrzymujemy:
Energia wewnętrzna ciała może się zmieniać pod wpływem działania sił zewnętrznych. Aby scharakteryzować zmianę energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła, wprowadzono wielkość zwaną ilością ciepła i oznaczoną przez Q.
W systemie międzynarodowym jednostką ilości ciepła, pracy i energii jest dżul: = = = 1 J.
W praktyce czasami stosuje się pozasystemową jednostkę ilości ciepła - kalorię. 1 kal. = 4,2 J.
Należy zauważyć, że określenie „ilość ciepła” jest niefortunne. Wprowadzono ją w czasach, gdy wierzono, że ciała zawierają jakąś nieważką, nieuchwytną ciecz – kaloryczną. Proces wymiany ciepła rzekomo polega na tym, że kaloryczny, przelewając się z jednego ciała do drugiego, niesie ze sobą pewną ilość ciepła. Teraz, znając podstawy molekularno-kinetycznej teorii budowy materii, rozumiemy, że w ciałach nie ma kaloryczności, inny jest mechanizm zmiany energii wewnętrznej ciała. Siła tradycji jest jednak wielka i nadal używamy tego terminu, wprowadzonego na podstawie błędnych wyobrażeń o naturze ciepła. Jednocześnie, rozumiejąc naturę wymiany ciepła, nie należy całkowicie ignorować nieporozumień na ten temat. Wręcz przeciwnie, rysując analogię między przepływem ciepła a przepływem hipotetycznej cieczy kalorycznej, ilością ciepła i ilością kalorii, można, rozwiązując niektóre klasy problemów, zwizualizować zachodzące procesy i prawidłowo rozwiązywać problemy. W końcu poprawne równania opisujące procesy wymiany ciepła uzyskano kiedyś na podstawie błędnych wyobrażeń o kaloryczności jako nośniku ciepła.
Rozważmy bardziej szczegółowo procesy, które mogą wystąpić w wyniku wymiany ciepła.
Wlej trochę wody do probówki i zamknij ją korkiem. Zawieś probówkę na pręcie zamocowanym na statywie i umieść pod nią otwarty płomień. Z płomienia probówka otrzymuje pewną ilość ciepła, a temperatura cieczy w niej wzrasta. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia wewnętrzna cieczy. Następuje intensywny proces jego odparowania. Rozszerzające się opary cieczy wykonują pracę mechaniczną, aby wypchnąć korek z tuby.
Przeprowadźmy kolejny eksperyment z modelem armaty wykonanej z kawałka mosiężnej rurki, która jest zamontowana na wózku. Z jednej strony tuba jest szczelnie zamknięta ebonitowym korkiem, przez który przechodzi szpilka. Przewody są przylutowane do kołka i rurki, zakończone zaciskami, które można zasilić z sieci oświetleniowej. Model pistoletu jest więc rodzajem bojlera elektrycznego.
 |
Wlej trochę wody do lufy armaty i zamknij rurkę gumowym korkiem. Podłącz pistolet do źródła zasilania. Prąd elektryczny przepływający przez wodę podgrzewa ją. Woda wrze, co prowadzi do jej intensywnego odparowania. Ciśnienie pary wodnej wzrasta iw końcu wykonują pracę polegającą na wypchnięciu korka z lufy pistoletu.
Pistolet na skutek odrzutu cofa się w kierunku przeciwnym do wystrzelenia korka.
Oba doświadczenia łączą następujące okoliczności. W procesie ogrzewania cieczy na różne sposoby wzrosła temperatura cieczy i odpowiednio jej energia wewnętrzna. Aby płyn intensywnie się gotował i odparowywał, konieczne było dalsze jego podgrzewanie.
Pary cieczy dzięki swojej energii wewnętrznej wykonały pracę mechaniczną.
 |
Badamy zależność ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała od jego masy, zmian temperatury oraz rodzaju substancji. Aby zbadać te zależności, użyjemy wody i oleju. (Do pomiaru temperatury w eksperymencie używany jest termometr elektryczny składający się z termopary połączonej z lustrzanym galwanometrem. Jedno złącze termopary zanurza się w naczyniu z zimną wodą, aby zapewnić stałą temperaturę. Drugie złącze termopary mierzy temperaturę badanej cieczy).
Doświadczenie składa się z trzech serii. W pierwszej serii, dla stałej masy określonej cieczy (w naszym przypadku wody), badana jest zależność ilości ciepła potrzebnego do jej ogrzania od zmian temperatury. Ilość ciepła odbieranego przez płyn z grzałki (kuchenki elektrycznej) będzie oceniana na podstawie czasu nagrzewania, przy założeniu, że istnieje między nimi wprost proporcjonalna zależność. Aby wynik eksperymentu odpowiadał temu założeniu, konieczne jest zapewnienie stałego przepływu ciepła z kuchenki elektrycznej do ogrzewanego ciała. W tym celu piec elektryczny został wcześniej podłączony do sieci, aby na początku eksperymentu temperatura jego powierzchni przestała się zmieniać. Aby uzyskać bardziej równomierne ogrzewanie cieczy podczas eksperymentu, będziemy ją mieszać za pomocą samej termopary. Będziemy rejestrować odczyty termometru w regularnych odstępach czasu, aż plamka świetlna dotrze do krawędzi skali.
Podsumujmy: istnieje wprost proporcjonalna zależność między ilością ciepła potrzebną do ogrzania ciała a zmianą jego temperatury.
W drugiej serii doświadczeń porównamy ilość ciepła potrzebną do ogrzania tych samych cieczy o różnej masie, gdy ich temperatura zmieni się o tę samą wartość.
Dla wygody porównania uzyskanych wartości, do drugiego eksperymentu przyjmiemy masę wody dwa razy mniejszą niż w pierwszym eksperymencie.
Ponownie będziemy rejestrować odczyty termometru w regularnych odstępach czasu.
Porównując wyniki pierwszego i drugiego eksperymentu, możemy wyciągnąć następujące wnioski.
W trzeciej serii doświadczeń porównamy ilości ciepła potrzebne do ogrzania równych mas różnych cieczy, gdy ich temperatura zmieni się o tę samą wartość.
Podgrzejemy olej na kuchence elektrycznej, której masa jest równa masie wody w pierwszym doświadczeniu. Będziemy rejestrować odczyty termometru w regularnych odstępach czasu.
Wynik eksperymentu potwierdza wniosek, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała jest wprost proporcjonalna do zmiany jego temperatury, a ponadto wskazuje na zależność tej ilości ciepła od rodzaju substancji.
Ponieważ w eksperymencie użyto oleju, którego gęstość jest mniejsza od gęstości wody, a do podgrzania oleju do określonej temperatury potrzeba było mniejszej ilości ciepła niż do podgrzania wody, można przyjąć, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy od jego gęstości.
Aby sprawdzić to założenie, będziemy jednocześnie podgrzewać identyczne masy wody, parafiny i miedzi na grzejniku o stałej mocy.
Po tym samym czasie temperatura miedzi jest około 10 razy wyższa, a parafiny około 2 razy wyższa niż temperatura wody.
Ale miedź ma większą, a parafina mniejszą gęstość niż woda.
Doświadczenie pokazuje, że wielkością charakteryzującą szybkość zmian temperatury substancji, z których zbudowane są ciała biorące udział w wymianie ciepła, nie jest gęstość. Ta wielkość nazywa się pojemnością cieplną właściwą substancji i jest oznaczona literą c.
 |
Do porównania pojemności cieplnej właściwej różnych substancji służy specjalne urządzenie. Urządzenie składa się ze stojaków, w których zamocowana jest cienka płytka parafinowa oraz pręt z przechodzącymi przez nią prętami. Aluminiowe, stalowe i mosiężne cylindry o równej masie są zamocowane na końcach prętów.
Podgrzewamy cylindry do tej samej temperatury, zanurzając je w naczyniu z wodą stojącym na gorącej kuchence elektrycznej. Naprawmy gorące cylindry na stojakach i zwolnijmy je z elementów złącznych. Cylindry jednocześnie dotykają płytki parafinowej i topiąc parafinę, zaczynają się w niej zanurzać. Inna okazuje się głębokość zanurzenia cylindrów o tej samej masie w płytce parafinowej, gdy ich temperatura zmienia się o tę samą wartość.
Doświadczenie pokazuje, że właściwe pojemności cieplne aluminium, stali i mosiądzu są różne.
Po przeprowadzeniu odpowiednich doświadczeń z topnieniem ciał stałych, parowaniem cieczy i spalaniem paliwa otrzymujemy następujące zależności ilościowe.
Aby otrzymać jednostki określonych wielkości, należy je wyrazić z odpowiednich wzorów iw otrzymane wyrażenia wstawić jednostki ciepła - 1 J, masy - 1 kg oraz ciepła właściwego - i 1 K.
Otrzymujemy jednostki: ciepło właściwe – 1 J/kg K, inne ciepło właściwe: 1 J/kg.
Tematem naszego artykułu jest ilość ciepła. Rozważymy koncepcję energii wewnętrznej, która jest przekształcana, gdy zmienia się ta wartość. Pokażemy również kilka przykładów zastosowania obliczeń w działalności człowieka.
Ciepło
Z każdym słowem języka ojczystego każda osoba ma swoje własne skojarzenia. Są one zdeterminowane osobistymi doświadczeniami i irracjonalnymi uczuciami. Co zwykle reprezentuje słowo „ciepło”? Miękki kocyk, działająca bateria centralnego ogrzewania zimą, pierwsze promienie słońca wiosną, kot. Lub spojrzenie matki, pocieszające słowo przyjaciela, uwaga w porę.
Fizycy rozumieją przez to bardzo specyficzny termin. I bardzo ważne, zwłaszcza w niektórych działach tej złożonej, ale fascynującej nauki.
Termodynamika
Nie warto rozważać ilości ciepła w oderwaniu od najprostszych procesów, na których opiera się prawo zachowania energii – nic nie będzie jasne. Dlatego na początek przypominamy naszym czytelnikom.
Termodynamika traktuje każdą rzecz lub przedmiot jako połączenie bardzo dużej liczby elementarnych części - atomów, jonów, cząsteczek. Jego równania opisują wszelkie zmiany stanu zbiorczego systemu jako całości i jako części całości przy zmianie makroparametrów. Te ostatnie rozumiane są jako temperatura (oznaczana jako T), ciśnienie (P), stężenie składników (najczęściej C).
Energia wewnętrzna
Energia wewnętrzna jest dość skomplikowanym terminem, którego znaczenie należy zrozumieć, zanim zacznie się mówić o ilości ciepła. Oznacza energię, która zmienia się wraz ze wzrostem lub spadkiem wartości makroparametrów obiektu i nie zależy od układu odniesienia. Jest częścią całkowitej energii. Zbiega się z nim w warunkach, gdy środek masy badanej rzeczy jest w spoczynku (to znaczy nie ma składowej kinetycznej).
Kiedy człowiek czuje, że jakiś obiekt (np. rower) rozgrzał się lub ostygł, oznacza to, że wszystkie cząsteczki i atomy tworzące ten system doświadczyły zmiany energii wewnętrznej. Jednak stałość temperatury nie oznacza zachowania tego wskaźnika.
Praca i ciepło
Energię wewnętrzną dowolnego układu termodynamicznego można przekształcić na dwa sposoby:
- wykonując nad tym pracę;
- podczas wymiany ciepła z otoczeniem.
Formuła tego procesu wygląda następująco:
dU=Q-A, gdzie U to energia wewnętrzna, Q to ciepło, A to praca.
Niech czytelnik nie zwiedzie się prostotą tego wyrażenia. Z permutacji wynika, że Q=dU+A, ale wprowadzenie entropii (S) sprowadza wzór do postaci dQ=dSxT.
Ponieważ w tym przypadku równanie ma postać równania różniczkowego, pierwsze wyrażenie wymaga tego samego. Ponadto, w zależności od sił działających w badanym obiekcie i obliczanego parametru, wyprowadzany jest niezbędny stosunek.
Weźmy metalową kulę jako przykład układu termodynamicznego. Jeśli wywierasz na to presję, wyrzucasz to, wrzucasz do głębokiej studni, oznacza to, że musisz nad tym pracować. Na zewnątrz wszystkie te nieszkodliwe działania nie spowodują żadnej szkody dla piłki, ale jej energia wewnętrzna zmieni się, choć bardzo nieznacznie.
Drugi sposób to wymiana ciepła. Teraz dochodzimy do głównego celu tego artykułu: opisu ilości ciepła. Jest to taka zmiana energii wewnętrznej układu termodynamicznego, która zachodzi podczas wymiany ciepła (patrz wzór powyżej). Mierzy się ją w dżulach lub kaloriach. Oczywiście, jeśli kulka jest trzymana nad zapalniczką, na słońcu lub po prostu w ciepłej dłoni, nagrzeje się. A potem, zmieniając temperaturę, możesz znaleźć ilość ciepła, która została mu przekazana w tym samym czasie.
Dlaczego gaz jest najlepszym przykładem zmiany energii wewnętrznej i dlaczego uczniowie nie lubią fizyki z tego powodu
Powyżej opisaliśmy zmiany parametrów termodynamicznych metalowej kuli. Bez specjalnych urządzeń nie są one bardzo zauważalne, a czytelnikowi pozostawia się słowo o procesach zachodzących z obiektem. Inną rzeczą jest to, czy system jest gazowy. Naciśnij go - będzie widoczny, podgrzej - ciśnienie wzrośnie, opuść go pod ziemię - a to można łatwo naprawić. Dlatego w podręcznikach to gaz jest najczęściej traktowany jako wizualny układ termodynamiczny.
Ale, niestety, niewiele uwagi poświęca się prawdziwym eksperymentom we współczesnej edukacji. Naukowiec, który pisze podręcznik metodologiczny, doskonale rozumie, o co toczy się gra. Wydaje mu się, że na przykładzie cząsteczek gazu wszystkie parametry termodynamiczne zostaną odpowiednio zademonstrowane. Ale dla ucznia, który dopiero odkrywa ten świat, słuchanie o idealnej kolbie z teoretycznym tłokiem jest nudne. Gdyby szkoła miała prawdziwe laboratoria badawcze i dedykowane godziny pracy w nich, wszystko wyglądałoby inaczej. Na razie niestety eksperymenty są tylko na papierze. I najprawdopodobniej właśnie to powoduje, że ludzie uważają tę gałąź fizyki za coś czysto teoretycznego, dalekiego od życia i niepotrzebnego.
Dlatego postanowiliśmy podać wspomniany już wyżej rower jako przykład. Osoba naciska na pedały - działa na nich. Oprócz przekazywania momentu obrotowego całemu mechanizmowi (dzięki któremu rower porusza się w przestrzeni), zmienia się energia wewnętrzna materiałów, z których wykonane są dźwignie. Rowerzysta naciska uchwyty, aby skręcić i ponownie wykonuje pracę.
Zwiększa się energia wewnętrzna zewnętrznej powłoki (plastikowej lub metalowej). Osoba idzie na polanę pod jaskrawym słońcem - rower się nagrzewa, zmienia się jego ilość ciepła. Zatrzymuje się na odpoczynek w cieniu starego dębu, a system się ochładza, marnując kalorie lub dżule. Zwiększa prędkość - zwiększa wymianę energii. Jednak obliczenie ilości ciepła we wszystkich tych przypadkach pokaże bardzo małą, niezauważalną wartość. Wydaje się zatem, że w prawdziwym życiu nie ma przejawów fizyki termodynamicznej.
Zastosowanie obliczeń zmian ilości ciepła
Prawdopodobnie czytelnik powie, że wszystko to jest bardzo pouczające, ale dlaczego jesteśmy tak torturowani w szkole tymi formułami. A teraz podamy przykłady, w których obszarach ludzkiej działalności są one bezpośrednio potrzebne i jak odnosi się to do każdego w jego codziennym życiu.
Na początek rozejrzyj się wokół siebie i policz: ile metalowych przedmiotów cię otacza? Prawdopodobnie więcej niż dziesięć. Ale zanim stanie się spinaczem do papieru, wagonem, pierścieniem lub dyskiem flash, każdy metal jest wytapiany. Każdy zakład przetwarzający, powiedzmy, rudę żelaza musi wiedzieć, ile paliwa potrzeba, aby zoptymalizować koszty. A przy obliczaniu tego konieczna jest znajomość pojemności cieplnej surowców zawierających metale i ilości ciepła, które należy mu przekazać, aby wszystkie procesy technologiczne miały miejsce. Ponieważ energia uwalniana przez jednostkę paliwa jest obliczana w dżulach lub kaloriach, wzory są potrzebne bezpośrednio.
Albo inny przykład: większość supermarketów ma dział z mrożonkami - rybami, mięsem, owocami. Tam, gdzie surowce z mięsa zwierzęcego lub owoców morza są przetwarzane na półprodukty, muszą wiedzieć, ile energii elektrycznej zużyją urządzenia chłodnicze i mroźnicze na tonę lub jednostkę gotowego produktu. Aby to zrobić, należy obliczyć, ile ciepła traci kilogram truskawek lub kalmarów po schłodzeniu o jeden stopień Celsjusza. I na koniec pokaże to, ile energii elektrycznej wyda zamrażarka o określonej pojemności.
Samoloty, statki, pociągi
Powyżej pokazaliśmy przykłady względnie nieruchomych, statycznych obiektów, które są informowane lub wręcz przeciwnie, odbiera im się pewną ilość ciepła. Dla obiektów poruszających się w trakcie eksploatacji w warunkach stale zmieniającej się temperatury obliczenia ilości ciepła są ważne z jeszcze jednego powodu.
Istnieje coś takiego jak „zmęczenie metalu”. Obejmuje również maksymalne dopuszczalne obciążenia przy określonej szybkości zmiany temperatury. Wyobraź sobie samolot startujący z wilgotnych tropików w zamarznięte górne warstwy atmosfery. Inżynierowie muszą ciężko pracować, aby nie rozpadł się na skutek pęknięć metalu, które pojawiają się pod wpływem zmian temperatury. Szukają składu stopu, który wytrzyma rzeczywiste obciążenia i będzie miał duży margines bezpieczeństwa. Aby nie szukać na ślepo, mając nadzieję, że przypadkowo natkniemy się na pożądaną kompozycję, trzeba wykonać wiele obliczeń, w tym te, które obejmują zmiany ilości ciepła.
Proces przenoszenia energii z jednego ciała do drugiego bez wykonywania pracy nazywa się wymiana ciepła Lub przenoszenie ciepła. Wymiana ciepła zachodzi między ciałami o różnych temperaturach. Kiedy dochodzi do kontaktu między ciałami o różnych temperaturach, część energii wewnętrznej jest przekazywana z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Nazywa się energię przekazywaną ciału w wyniku wymiany ciepła ilość ciepła.
Ciepło właściwe substancji:
Jeżeli procesowi wymiany ciepła nie towarzyszy praca, to zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki ilość ciepła jest równa zmianie energii wewnętrznej ciała: .
Średnia energia przypadkowego ruchu translacyjnego cząsteczek jest proporcjonalna do temperatury bezwzględnej. Zmiana energii wewnętrznej ciała jest równa sumie algebraicznej zmian energii wszystkich atomów lub cząsteczek, których liczba jest proporcjonalna do masy ciała, więc zmiana energii wewnętrznej, a w konsekwencji ilość ciepła jest proporcjonalna do masy i zmiany temperatury:
Nazywa się współczynnik proporcjonalności w tym równaniu ciepło właściwe substancji. Ciepło właściwe wskazuje, ile ciepła potrzeba, aby podnieść temperaturę 1 kg substancji o 1 K.
Praca w termodynamice:
W mechanice pracę definiuje się jako iloczyn modułów siły i przemieszczenia oraz cosinusa kąta między nimi. Praca jest wykonywana, gdy na poruszające się ciało działa siła równa zmianie jego energii kinetycznej.
W termodynamice ruch ciała jako całości nie jest brany pod uwagę; mówimy o ruchu części ciała makroskopowego względem siebie. W rezultacie zmienia się objętość ciała, a jego prędkość pozostaje równa zeru. Praca w termodynamice jest definiowana w taki sam sposób jak w mechanice, ale jest równa zmianie nie energii kinetycznej ciała, ale jego energii wewnętrznej.
Po wykonaniu pracy (sprężanie lub rozprężanie) zmienia się energia wewnętrzna gazu. Przyczyna tego jest następująca: podczas zderzeń sprężystych cząsteczek gazu z poruszającym się tłokiem zmienia się ich energia kinetyczna.
Obliczmy pracę gazu podczas rozprężania. Gaz działa na tłok siłą 
, Gdzie 
to ciśnienie gazu, a 
- powierzchnia 
tłok. Gdy gaz się rozpręża, tłok porusza się zgodnie z kierunkiem działania siły 
na krótki dystans 
. Jeśli odległość jest niewielka, ciśnienie gazu można uznać za stałe. Praca gazu to:
Gdzie 
- zmiana objętości gazu.
W procesie rozprężania gazu wykonuje on pracę dodatnią, ponieważ kierunek siły i przemieszczenia pokrywają się. W procesie rozprężania gaz oddaje energię otaczającym go ciałom.
Praca wykonywana przez ciała zewnętrzne nad gazem różni się od pracy nad gazem tylko znakiem 
, bo siła 
działanie na gaz jest przeciwne do siły 
, z którym gaz działa na tłok i jest mu równy w wartości bezwzględnej (trzecie prawo Newtona); a ruch pozostaje ten sam. Dlatego praca sił zewnętrznych jest równa:
.
Pierwsza zasada termodynamiki:
Pierwsza zasada termodynamiki to zasada zachowania energii, rozciągnięta na zjawiska termiczne. Prawo zachowania energii: energia w przyrodzie nie powstaje z niczego i nie znika: ilość energii pozostaje niezmieniona, zmienia się tylko z jednej postaci w drugą.
W termodynamice brane są pod uwagę ciała, których położenie środka ciężkości praktycznie się nie zmienia. Energia mechaniczna takich ciał pozostaje stała i tylko energia wewnętrzna może się zmieniać.
Energię wewnętrzną można zmienić na dwa sposoby: wymianę ciepła i pracę. W ogólnym przypadku energia wewnętrzna zmienia się zarówno w wyniku wymiany ciepła, jak i wykonania pracy. Pierwsza zasada termodynamiki jest sformułowana właśnie dla takich ogólnych przypadków:
Zmiana energii wewnętrznej układu podczas jego przejścia z jednego stanu do drugiego jest równa sumie pracy sił zewnętrznych i ilości ciepła przekazanego do układu:
Jeśli układ jest izolowany, nie jest wykonywana na nim żadna praca i nie wymienia on ciepła z otaczającymi go ciałami. Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki energia wewnętrzna izolowanego układu pozostaje niezmieniona.
Jeśli się uwzględni 
, pierwszą zasadę termodynamiki można zapisać w następujący sposób:
Ilość ciepła przekazanego do układu idzie na zmianę jego energii wewnętrznej i wykonanie przez układ pracy na ciałach zewnętrznych.
Druga zasada termodynamiki: niemożliwe jest przeniesienie ciepła z układu zimniejszego do układu cieplejszego przy braku innych jednoczesnych zmian w obu układach lub w otaczających je ciałach.
Co szybciej nagrzewa się na kuchence – czajnik czy wiadro wody? Odpowiedź jest oczywista – czajnik. W takim razie drugie pytanie brzmi: dlaczego?
Odpowiedź jest nie mniej oczywista - ponieważ masa wody w czajniku jest mniejsza. Świetnie. A teraz możesz zrobić najbardziej realne fizyczne doświadczenie samemu w domu. Aby to zrobić, będziesz potrzebować dwóch identycznych małych rondli, równej ilości wody i oleju roślinnego, na przykład pół litra i pieca. Postaw garnki z olejem i wodą na tym samym ogniu. A teraz tylko patrz, co szybciej się nagrzeje. Jeśli jest termometr do płynów, można go użyć, jeśli nie, wystarczy od czasu do czasu spróbować temperatury palcem, tylko uważaj, żeby się nie poparzyć. W każdym razie wkrótce przekonasz się, że olej nagrzewa się znacznie szybciej niż woda. I jeszcze jedno pytanie, które również można zrealizować w formie doświadczenia. Co szybciej się gotuje - ciepła woda czy zimna? Znowu wszystko jest oczywiste – ciepły skończy się jako pierwszy. Po co te wszystkie dziwne pytania i eksperymenty? W celu określenia wielkości fizycznej zwanej „ilością ciepła”.
Ilość ciepła
Ilość ciepła to energia, którą organizm traci lub zyskuje podczas wymiany ciepła. To wynika z nazwy. Podczas chłodzenia ciało straci pewną ilość ciepła, a po podgrzaniu pochłonie. I odpowiedzi na nasze pytania pokazały nam od czego zależy ilość ciepła? Po pierwsze, im większa masa ciała, tym większa ilość ciepła musi zostać wydana, aby zmienić jego temperaturę o jeden stopień. Po drugie, ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy od substancji, z której się ono składa, to znaczy od rodzaju substancji. Po trzecie, różnica temperatury ciała przed i po wymianie ciepła jest również ważna dla naszych obliczeń. Na podstawie powyższego możemy określić ilość ciepła według wzoru:
Q=cm(t_2-t_1) ,
gdzie Q to ilość ciepła,
m - masa ciała,
(t_2-t_1) - różnica między początkową i końcową temperaturą ciała,
c - ciepło właściwe substancji, można znaleźć w odpowiednich tabelach.
Korzystając z tego wzoru, możesz obliczyć ilość ciepła potrzebną do ogrzania dowolnego ciała lub które to ciało uwolni, gdy się ochłodzi.
Ilość ciepła jest mierzona w dżulach (1 J), jak każda inna forma energii. Jednak ta wartość została wprowadzona nie tak dawno temu, a ludzie zaczęli mierzyć ilość ciepła znacznie wcześniej. I użyli jednostki, która jest szeroko stosowana w naszych czasach - kalorii (1 cal). 1 kaloria to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1 grama wody o 1 stopień Celsjusza. Kierując się tymi danymi, miłośnicy liczenia kalorii w jedzeniu mogą dla ciekawości obliczyć, ile litrów wody można zagotować energią, którą zużywają z jedzeniem w ciągu dnia.