ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ.
Изучение тепловых явлений неизбежно должно было дать величину, характеризующую степень нагретости тел - температуру. При соприкосновении тел в результате взаимодействия молекул выравнивается их средняя кинетическая энергия. Температура - мера средней кинетической энергии молекул. Она показывает направление тепловых процессов, т.к. энергия самопроизвольно передается от более нагретых тел к менее нагретым, т.е. от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Температура измеряется термометрами. Измерение температуры основано на установлении между телами, приведенными в соприкосновение теплового равновесия. На практике самое широкое распространение нашли жидкостные термометры, в которых используется изменение объема жидкости (ртуть или спирт) при нагревании. Расширяясь, жидкость поднимается по стеклянной трубочке, под которой располагается шкала. Реперными точками (т.е. точками, на которых базируется шкала температур) в международной практической системе температур, предложенной Цельсием, являются температура плавления льда (О0С) и температура кипения воды (1ООS0oTC). Расстояние между этими точками на шкале разбивается на 1ОО равных частей. Т.к. расширение жидкости в разных интервалах температур различно, то жидкостный термометр гарантирует правильность измерения только реперных температур. Большую точность имеют газовые термометры, в которых используется зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении или зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. В термометрах может использоваться также зависимость электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры.
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕНЕНИЯ.
Всякое тело состоит из громадного количества молекул. Молекулы тел непрерывно движутся, следовательно, они обладают кинетической энергией. Молекулы твердых и жидких тел взаимодействуют между собой, значит, они обладают и потенциальной энергией. СУММА КИНЕТИЧЕСКИХ И ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЭНЕРГИЙ МОЛЕКУЛ, СОСТАВЛЯЮЩИХ ТЕЛО, НАЗЫВАЕТСЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИЕЙ. [U]=Дж.К внутренней энергии относится и энергия частиц, из которых состоят атомы.
Внутренняя энергия тела может изменяться во время различных тепловых процессов. Так, при нагревании, например, увеличиваются скорости движения молекул, а значит и их кинетическая энергия. При нагревании тела его объем увеличивается, изменяются расстояния между молекулами, а поэтому изменяется и потенциальная энергия их взаимодействия. Об изменении внутренней энергии можно судить по изменению температуры тела. С возрастанием температуры тела его внутренняя энергия увеличивается.
Внутреннюю энергию можно изменить двумя принципиально различными способами.
1. Если над телом совершать работу, оно нагревается, т.е. его внутренняя энергия возрастает. Если само тело совершает работу над внешними телами, его внутренняя энергия уменьшается. A=DU.
2. Внутреннюю энергию можно изменить и путем теплопередачи. ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕЙ, ИЛИ ТЕПЛООБМЕНОМ, НАЗЫВАЕТСЯ ПРОЦЕСС ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ БЕЗ СОВЕРШЕНИЯ РАБОТЫ. Так, чайник, стоящий на раскаленной плите, получает энергию путем теплопередачи.
Существует три вида теплопередачи: теплопроводность - передача энергии путем обмена ею молекулами при их взаимодействии; конвекция - передача энергии потоками нагретой жидкости или газа; излучение - передача энергии посредством электромагнитных волн. Причем, последний вид теплопередачи не требует непосредственного контакта тел или наличия между ними какого либо вещества.
Мерой переданной тепловой энергии при теплопередаче служит КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ - ТА ЧАСТЬ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ, КОТОРУЮ ТЕЛО ПОЛУЧАЕТ ИЛИ ОТДАЕТ ПРИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ. [Q]=Дж. Q=DU.
Тепловые процессы.
1. Нагревание и охлаждение тел.
При нагревании тел их температура увеличивается, следовательно, увеличивается и их внутренняя энергия.
КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ 1 КГ ВЕЩЕСТВА НА 1 ГРАДУС ЦЕЛЬСИЯ, НАЗЫВАЕТСЯ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТЬЮ. [c]=Дж/кг´град.
Удельная теплоемкость - характеристика данного вещества. Ее значение можно найти в таблицах удельных теплоемкостей.
Чтобы найти количество теплоты, необходимое для нагревания тела, надо удельную теплоемкость вещества, из которого состоит тело, умножить на массу этого тела и на изменение температуры.
,
где t2 - конечная температура тела,
t1 - его начальная температура.
Охлаждение тела - процесс обратный нагреванию. Для его описания используется та же формула, что и для нагревания. Знак "минус", полученный при вычислениях говорит о том, что тело отдает теплоту, "плюс" - получает.
Для вычисления количества теплоты, полученного телом при нагревании или отданного при охлаждении используется также ТЕПЛОЕМКОСТЬ ТЕЛА - КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ ТЕЛА НА ОДИН ГРАДУС ЦЕЛЬСИЯ. [C]=Дж/град.
Если в теплообмене участвуют несколько тел и энергия не получается от окружающих тел, но и не отдается им, а происходит только теплообмен между телами системы, то в соответствии с законом сохранения энергии можно записать:
.
Это уравнение называется уравнением теплового баланса. Если же система тел получает или отдает окружающим телам теплоту, то сумма всех количеств теплоты, которыми обмениваются тела системы, будет равна полученной извне или отданной теплоте.
Плавление и кристаллизация.
Одно и то же вещество может находиться при определенных условиях в твердом, жидком и газообразном состояниях, называемых агрегатными.
ПЕРЕХОД ИЗ ТВЕРДОГО СОСТОЯНИЯ В ЖИДКОЕ НАЗЫВАЕТСЯ ПЛАВЛЕНИЕМ. Плавление происходит при температуре, называемой температурой плавления. Температуры плавления веществ различны, т.к. различно их строение. Температура плавления - табличная величина. Во время процесса плавления температура не изменяется, т.к. подводимая теплота расходуется на разрушение кристаллической решетки твердого тела.
КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ 1 КГ ТВЕРДОГО ТЕЛА, ВЗЯТОГО ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ПЛАВЛЕНИЯ, В ЖИДКОСТЬ ТОЙ ЖЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, НАЗЫВАЕТСЯ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТОЙ ПЛАВЛЕНИЯ. [l]=Дж/кг.
Чтобы рассчитать количество теплоты, необходимое для плавления тела, надо удельную теплоту плавления умножить на массу тела.
Q=lm.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ НАЗЫВАЕТСЯ ПРОЦЕСС ПЕРЕХОДА ВЕЩЕСТВА ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ В ТВЕРДОЕ. Температура плавления вещества равна температуре его кристаллизации. Как и в процессе плавления, при кристаллизации температура не изменяется, т.к. при кристаллизации выделяется та теплота, которая когда - то была затрачена на плавление тела. Она и поддерживает температуру кристаллизующегося тела постоянной. В соответствии с законом сохранения энергии при расчете количества теплоты, выделившейся при кристаллизации, используется та же формула, что и при плавлении. Чтобы показать направление теплообмена, в нее вводится знак "минус".
Q=-lm.