Что относится к тепловому явлению в физике

Тепловые явления: виды, признаки и примеры в физике

Содержание:

В далеком 1620 году великий английский философ и ученый Френсис Бекон, размышляя о физической природе тепла, впервые предположил, что теплота имеет связь с движением. Мы все можем это наблюдать воочию на простом примере – при нагревании воды до определенной температуры (100 С) она начинает кипеть. Происходит это из-за того, что с повышением температуры ускоряется движение молекул в воде (как впрочем, и в любом другом веществе). То есть Френсис Бекон был абсолютно прав в своих догадках, которые позднее подтвердили и многие другие ученые, а в физике появился большой раздел, называемый термодинамикой, который собственно и изучает тепловые явления, их суть и природу. О значении тепловых явлений в физике мы поговорим в нашей статье.

Общие сведения и примеры

Мы все с вами порой сами того не подозревая являемся свидетелями тепловых явлений в той или иной форме. Например, когда готовим себе чай или завариваем кофе. Такие природные явления как выпадение снега или дождя, образование росы, замерзание водоемов и образование льда также прямо связаны с изменениями температуры и определенными тепловыми движениями. Теперь давайте дадим общее определение того, что представляют собой тепловые явления.

Итак, тепловые явления это все физические процессы, происходящие с материальными телами под воздействием температуры.

Роль в природе

Роль тепловых явлений в природе сложно переоценить, так как появление жизни на Земле неразрывно связано с главным источникам тепла – Солнцем. И любое изменение температуры имеет огромное влияние и на окружающую среду нашей планеты и как следствие на всю эволюцию жизни на Земле.

Признаки и виды

Есть два главных признака тепловых явлений, причем второй признак является следствием первого:

Ярким примером второго признака является испарение жидкостей, которые при нагревании переходят в газообразное состояние. Или наоборот когда при охлаждении вода замерзает и превращается в твердый лед, также происходит изменение агрегатного состояние вещества под действием тепловых явлений.

В целом в физике к тепловым явлениям относятся следующие процессы:

Различные тепловые явления не только изучаются на уроках физики, но и порой активно применяются на практике в разных жизненных ситуациях. Например, при прокладке железнодорожных рельсов делается специальный зазор, так званный рельсовый стык. Делается он для того, чтобы обеспечить перемещение конца рельса при температурном удлинении/укорочении рельса.

Формулы тепловых процессов

Все процессы изменения температуры, как и процессы перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое можно описать специальными формулами. Часто в таких формулах существует такая величина как теплоемкость, что же она собой представляет? Теплоемкость – то количество теплоты, которое необходимо затратить, чтобы нагреть вещество на один градус. Причем важно заметить, что теплоемкость это именно характеристика самого вещества, а не теплоты, так как разные вещества и нагреваться могут по-разному, как и по-разному замерзать, и если мы говорим о жидкостях, то иметь разные температуры кипения.

Эта формула описывает связь массы тела, его теплоемкости и температуры, по сути это математическое описание любого физического процесса нагревания или охлаждения. Q – это обозначение количества теплоты, С – теплоемкость тела, m – его масса, △t – разность температур.

Но для процессов, происходящих со сменой агрегатного состояния вещества будут свои формулы:

Лямбда λ в этой формуле это удельная теплота плавления. Об удельной теплоте плавления на нашем сайте также есть отдельная подробная статья, переходите по ссылке, чтобы ознакомится детальнее.

Эта формула описывает процесс парообразование, L здесь представляет удельную теплоту парообразования.

Видео

И в завершение для закрепление материала рекомендуем посмотреть это образовательное видео о тепловых явлениях, теперь надеемся, вы сможете с легкостью написать контрольную работу по этой теме.

Источник

Тепловые явления. Изменение внутренней энергии тела при тепловых процессах.

Тепловые явления – это явления, связанные с процессами нагрева и охлаждения, изменением агрегатного состояния, т. е. плавления и затвердевания, испарения и конденсации.

Рассмотрим тепловые явления с точки зрения изменения внутренней энергии тела.

Изменение температуры тела зависит от изменения кинетической энергии движения молекул в этом теле. При этом изменению подвергается и потенциальная энергия взаимодействия этих молекул, исключая вариант поведения молекул в разреженных газах.

Изменение температуры сопровождено изменением расстояния между равновесным положением узлов кристаллической решетки, при этом наблюдается тепловое расширение тел, также меняется энергия взаимодействия простейших частиц.

При изменении агрегатного состояния тела меняется его молекулярная структура, что приводит к изменению энергии взаимодействия молекул и характера их движения.

Таким образом, видим, что тепловые процессы сопровождаются изменением внутренней энергии тела.

Рассмотрим сказанное выше на примере:

При изменении температуры 1 кг воды на 1 °С затрачивается энергия, равная 1 ккал = 4,18 · 10 3 Дж. В один килограмм воды входит 3,3 · 10 23 штук молекул. Следовательно:

Полученное значение энергии превышает энергию при упругих деформациях примерно в 100 раз. При изменении агрегатного состояния в процессе превращении 1 кг воды в пар поглощается 539 ккал = 2,25 · 10 6 Дж. Происходит увеличение энергии молекулы примерно на 0,5 эв.:

Источник

Какие физические явления называют тепловыми

Понятие теплового явления в физике — что это такое

В 1620 году философ Фрэнсис Бэкон первым предположил, что теплота связана с движением. Тем не менее почти до конца XVIII века все тепловые явления объясняли теорией теплорода, основателем которой называют Платона. Теплород считался рассеянным по всей материи, способным проникать в тела, «сочетаться» с ними и превращать твердые тела в жидкости, а жидкости — в газы.

В середине XVIII века возникла механическая теория тепла, какое-то время сочетавшаяся с материальной, или теорией теплорода. На первый взгляд кажется, что если рассматривать теплоту как материальную субстанцию (теплород), получаются одни законы, а если как род движения — совсем другие. Но в обоих случаях, при всей их несхожести, присутствует пара: закон сохранения плюс закон направленности процесса.

И все же с конца XVIII века механическая теория стала постепенно укореняться в физике и химии. А в начале ХХ века Альберт Эйнштейн закрыл вопрос о природе тепла, представив теорию броуновского движения молекул.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Какую роль играет в природе

Тепловые явления — это физические процессы, которые происходят с материальными телами при изменении температуры.

Жизнь на Земле напрямую зависит от главного природного источника тепла в нашей звездной системе — Солнца. Любое изменение температуры влияет на жизнь человека и окружающую его среду. Нагревание и замерзание воды, воздуха, смена агрегатных состояний любых веществ — все эти процессы связаны с температурой.

Признаки теплового явления, чем характеризуется

Признаки тепловых явлений:

При нагревании молекулы начинают быстрее обмениваться местами, при охлаждении — наоборот.
Среди самых распространенных тепловых явлений:

Формулы тепловых процессов

Обычно для решения учебных задач хватает формул, описывающих сам процесс изменения температуры, а также процессы смены агрегатного состояния.

Формула, связывающая массу, теплоемкость и температуру, дает описание любого процесса нагревания или охлаждения:

\(Q = C \times m \times \triangle t\)

Q — обозначение количества теплоты, С — теплоемкости, m — массы вещества, \(\triangle\) t — разность температур.

Теплоемкость — количество теплоты, которое нужно затратить, чтобы нагреть тело на один градус. Теплоемкость — характеристика вещества, а не теплоты.

Для процессов со сменой агрегатного состояния вещества нужны специализированные формулы.

описывает процессы плавления и отвердевания. \lambda здесь — удельная теплота плавления.

описывает процессы парообразования и конденсации. L здесь — удельная теплота парообразования.

Любые тепловые процессы подчиняются законам термодинамики. Закон сохранения энергии, или Первое начало термодинамики:
\(\triangle\) U = Q + W

Также U определяется суммой получаемого количества теплоты Q и совершенной над телом работы W’:
U = Q + W’

Второе начало термодинамики: для любого сколь угодно сложного циклического обратимого процесса сумма величин Q/T с учетом знака теплоты (получаемой — с плюсом, отдаваемой — с минусом) равняется нулю.

Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузиус предложил все превращения описать единым образом, с помощью одной величины — универсальной функции Q/T. Ее он назвал эквивалентом превращений, а Второе начало сформулировал как принцип эквивалентности превращений.

В любом тепловом процессе происходит двойное превращение теплоты и работы: сначала теплота преобразуется в работу, а потом наоборот — работа в теплоту. Причем механическая энергия может переходить в теплоту полностью, а тепловая в механическую — только частично.

Клаузиус ввел понятие энтропии \(\triangle S\) — величины, описывающей взаимные превращения теплоты и механической работы.

Оставаясь в рамках термодинамики, т. е. глядя на систему снаружи, это самое большее, что можно сказать о взаимоотношениях разных видов энергии — тепловой и механической.

Если же перейти к внутреннему устройству системы и рассматривать теплоту как беспорядочное движение составляющих систему частиц, то превращение теплоты в работу окажется преобразованием энергии хаотического движения молекул в работу системы в целом и наоборот. Тогда энтропию следует понимать как степень хаотичности, или неупорядоченности, такого движения.

Окончательно законы термодинамики, связанные с энтропией, можно сформулировать так: в любом необратимом процессе энтропия всегда возрастает, а в обратимом — остается постоянной.

При стремлении абсолютной температуры к нулю энтропия также стремится к нулю:

\(S \rightarrow 0\) при \(Т \rightarrow 0\)

Это Второе и Третье начала термодинамики.

Области применения теплового явления на практике

Тепловые процессы крайне важны в таких отраслях промышленности, как химическая, металлургическая, пищевая, деревообрабатывающая, машиностроительная и т. д. Наука метеорология занимается почти исключительно изучением тепловых процессов в атмосфере.

Источник

Общие сведения

В обычной жизни человечество постоянно становится свидетелем тепловых явлений, происходящих в природе. Например, выпадение снега, дождя, образование росы. Все эти процессы связаны с температурой, а именно изменением тепловых движений. Любое вещество состоит из молекул или атомов, взаимодействующих между собой. Эти частицы находятся в постоянном беспорядочном колебании и движении. Характеризуется этот процесс кинетической энергией, которая содержится внутри тела.

Как показали исследования, насколько уменьшается механическая энергия, настолько увеличивается внутренняя. Это правило назвали законом сохранения. То есть значение существующей энергии в природе — всегда постоянная величина. Именно поэтому тепловые колебания никогда не прекращаются. Количество внутренней энергии зависит от многих факторов, но особо значимым из них является температура. Если её значение изменяется без совершения работы, то говорят о прохождении теплопередачи.

Существует несколько типов процессов, сопровождающихся изменением температуры или переходом из одного агрегатного состояния в другое. В зависимости от происходящего действия к тепловым явлениям относятся:

Эти явления могут изучаться не только на уроках физики, но и на химии, металловедении. Они используются при разработке различных устройств, учитываются при проведении строительных работ. Так, при прокладке трубопроводов делается изгиб п-образной формы. Это позволяет избежать деформации и разрушения. Рельсы устанавливаются с зазором, а провода на столбах навешивают так, чтобы они свисали. Все эти мероприятия позволяют бороться с тепловыми явлениями, которые обязательно необходимо знать и учитывать.

Тепловой баланс

Равновесие — это термин, довольно часто используемый в физике. Под ним понимают состояние, в котором тело может находиться сколь угодно долгое время при условии, что на него не воздействуют внешние силы. Чтобы разобраться в тепловом равновесии, нужно рассмотреть пример.

Пусть есть два бруска, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Один из них нагрет, а второй, наоборот — охлаждён. Эти два тела можно привести в соприкосновение. При этом будет происходить одновременно два явления:

Через некоторое время под действием этих явлений установится устойчивое состояние. Горячий и холодный объектыпримут одинаковую температуру, то есть станут тёплым. Это состояние может сохраняться в замкнутой системе продолжительное время. Другими словами, наступит явление теплового равенства. Это один из важнейших законов природы, определение которого звучит так: в состоянии равновесия физическая система имеет одинаковую температуру в любой точке.

Степень нагрева или охлаждения характеризуется температурой. Определить её можно различными способами. Самый простой из них — использовать тактильные ощущения. Но это приблизительный метод — субъективный. При изменении температуры происходит хаотичное движение молекул, которое в конце концов приводит к диффузии.

При взаимном проникновении молекул веществ происходит заполнение ими промежутков в структуре тела. Можно провести простой эксперимент. Например, взять колбу и налить на её дно подкрашенную воду, а сверху — чистую. Через некоторое время граница между средами станет размытой. Это и есть простой пример произошедшей диффузии. Теперь если эту колбу нагреть или охладить, то можно будет заметить, что процесс смешивания происходит с разной скоростью. Так, при низкой температуре скорость движения молекул становится меньше по сравнению с высокой. Другими словами, снижается энергия движения.

Следовательно, чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия (СКЭ) хаотичного перемещения его молекул. Таким образом, чтобы определить нагрев или охлаждение, нужно измерить СКЭ. Сделать это на опыте невозможно. Но как оказалось, от температуры зависят многих характеристики вещества. Одна из них — объём. На этом явлении и основана работа термометра, устройства, способного количественно определить температуру вещества.

Расширение тел, газов, жидкостей

Явление, характеризующее изменение геометрических размеров тела или объёма, получило название тепловое расширение. Большинство веществ при нагревании увеличивают свои размеры, но встречаются и исключения. Например, вода при температуре от 0 до 4 градусов Цельсия уменьшает свой объём. Как оказалось, тепловому расширению подвержены тела, находящиеся в любом агрегатном состоянии:

Твёрдые тела относятся к веществам, у которых явление расширения или сжатия имеет небольшую степень. Для того чтобы зарегистрировать изменения длины, используют специальный прибор. Но наглядно увидеть эффект можно и самостоятельно. Например, пусть имеется медная трубка, закреплённая одним концом в тиски, а второй лежит на подставке. Чтобы наблюдать изменение длины при нагреве, можно положить на подставку стекло, а на него — иголку. Если при нагревании трубка будет удлиняться, то игла начнёт катиться. Это и произойдёт при опыте.

Почему это происходит, объяснить довольно просто. Стержень удлиняется из-за увеличения расстояния между молекулами. То есть сначала частицы колеблются в состоянии равновесия с установившейся амплитудой. Когда происходит нагрев, то размах увеличивается. При этом размеры молекул остаются неизменным. Следовательно, возрастает расстояние между частицами — твёрдое тело удлиняется.

Увидеть, как будет изменяться от температуры жидкость, можно, поместив колбу с водой в кипящий раствор. При этом водяной столб сначала опустится на некоторую величину, а потом будет набирать высоту. Происходит это явление из-за того, что первоначально нагрелась колба, а затем уже вода. В результате сначала объём сосуда увеличился, и вода как бы провалилась. Затем начинает прогреваться жидкость, и водяной столб возрастает. Из эксперимента можно сделать важный вывод — текучие вещества расширяются сильнее, чем твёрдые.

Аналогичный опыт можно провести для колбы, наполненной газом. Внизу неё налита подкрашенная жидкость, в которую вставлена трубочка, выходящая наружу через пробку. Если сосуд начать нагревать, то станет довольно заметно, как под влиянием тепла будет подниматься жидкость. То есть под действием увеличивающего давления газа происходит вытеснение воды из-за расширения.

Количественное описание расширения

Изменение линейных размеров тела с учётом температурной зависимости характеризуется коэффициентом теплового расширения. Это физическая величина, показывающая, как меняется объём при росте температуры на один градус по кельвину. При этом давление должно оставаться неизменным.

Каждое вещество в зависимости от своего строения характеризуется собственным значением коэффициента линейного расширения. Обозначают его с помощью буквы α, а для вычисления его значения используют формулу: α = ΔL / L * ΔT, где: ΔT — увеличение температуры, ΔL — изменение длины вещества, L — первоначальный размер. Это табличная величина.

Таким образом, если необходимо узнать, какое значение примет линейное расширение, нужно воспользоваться выражением: ΔL = α * L * ΔT. Аналогичные формулы используют и для расчёта изменения объёма или площади тела. В простом случае, при котором коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, материал будет равномерно расширяться во все стороны.

Но, как показывает практика, не все вещества, особенно твёрдые тела, равномерно расширяются по всем направлениям. Причём не все материалы удлиняются одинаково. Самый яркий пример — вода. В интервале от 0 °C до +4 °C коэффициент α принимает отрицательное значение. Из-за этого природного эффекта моря и океаны никогда не промерзают до дна. Ещё одно аномальное свойство воды в том, что при превращении в лёд её удельная плотность уменьшается.

Изучаемые в 8 классе на физике тепловые явления жизненно важны для человечества. Так, любой инженер, составляя проект металлоконструкций, не может не учитывать возможного перепада температур в течение года. Например, при постройке мостов используется секционное строительство со специальными буферными зонами. Иначе зимой его может просто разорвать, а летом — вздыбить.

Источник

Содержание:

Тепловые явления:

В жизни мы часто наблюдаем явления и процессы, которые происходят благодаря передаче теплоты и связаны с обменом тепловой энергией. Они протекают по-разному: при непосредственном контакте тел с различной температурой, благодаря теплообмену между телами, в результате сгорания топлива и т. д. На основе многовекового опыта познания окружающего мира человечество осознало закономерности протекания тепловых явлений и процессов, обобщив их в виде понятий, законов, теорий теплоты.

Сильно нагретый предмет, опущенный в холодную воду, со временем охлаждается, а вода нагревается; лед, принесенный с улицы в теплую комнату, тает; солнечные лучи нагревают поверхность Земли, благодаря чему земная жизнь продолжается, и т. д.

Для определения теплового состояния тел человек сначала использовал свои ощущения, применяя такие слова, как холодное, теплое, горячее. Например, мы говорим: холодный лед, горячий песок, теплая вода и т. д. Однако оценить его таким образом можно лишь приблизительно и не всегда однозначно. В подтверждение этого выполним такой опыт.

В природе тепловые процессы протекают согласно законам, связанным с теплообменом. Установлено, что тела, имеющие более высокую температуру, отдают теплоту менее нагретым, при этом остывая; менее нагретые тела получают теплоту и их температура при этом повышается. При таком теплообмене температуры тел со временем выравниваются. В обычных условиях теплота не может самопроизвольно перейти от менее нагретых тел к телам, температура которых выше.

Действительно, наш жизненный опыт подтверждает этот вывод. Когда мы кладем в холодильник пакет молока, его температура понижается и сравнивается с температурой холодильной камеры. Вместе с тем в результате теплообмена температура внутри холодильника немного повышается, и поэтому он включается для того, чтобы привести ее к норме.

Таким образом, протекание тепловых процессов при теплообмене всегда происходит в направлении выравнивания температур. Со временем между телами устанавливается тепловое равновесие и их температуры становятся одинаковыми. Между телами, имеющими одинаковые температуры, теплообмен не происходит.

Температура тела определяет его тепловое состояние: чем она выше, тем больше степень «нагретости» тела.

Температура тел и измерение температуры тела

Тепловое состояние тела характеризуется его температурой. Чтобы ее определить, необходимо установить способ измерения данной физической величины и найти измеритель, с помощью которого она может быть определена количественно. По разным причинам мы не можем это сделать таким же образом, как при измерении длины или массы тела, т. е. сравнить свойство с эталоном. Поэтому температуру тел измеряют другим способом.

1 В действительности он построил обратную шкалу, ноль которой соответствовал температуре кипения воды, а 100 температуре плавления льда. Однако со временем для удобства эти точки поменяли местами.

Принцип действия такого жидкостного термометра основывается на том, что благодаря контакту колбочки с телом, температуру которого следует измерить, между ними устанавливается тепловое равновесие, и температура колбочки становится равной температуре тела. Жидкость в колбочке вследствие изменения температуры будет либо расширяться (при нагревании), либо уменьшать свой объем (при охлаждении). Поскольку изменение объема незначительно, чтобы его можно было зафиксировать, к колбочке присоединяют тонкую трубочку-капилляр. Благодаря ей можно визуально наблюдать даже незначительные изменения объема жидкости в колбочке, поскольку диаметр трубочки очень маленький.

Для того чтобы количественно определить температуру тела, необходимо установить размер единицы температуры и проградуировать температурную шкалу. Продемонстрируем это на опыте, который отражает ход рассуждений А. Цельсия в построении температурной шкалы, названной в его честь.

Сначала поместим термометр в сосуд с тающим льдом (рис. 136, а). Затем, через некоторое время, после установления теплового равновесия обозначим уровень жидкости в капиллярной трубочке меткой «0». После этого перенесем термометр в сосуд с кипящей водой (рис. 136, б). В результате нагревания жидкость в колбочке увеличит свой объем, уровень в капиллярной трубочке поднимется и остановится в точке, которую обозначим «100». Таким образом, мы зафиксировали значения, которые соответствуют температурам таяния льда и кипения воды. Очевидно, что при определенных условиях (нормальном атмосферном давлении, равном 760 мм рт. ст. или 101 293 Па) эти значения температуры легко воспроизвести, поскольку они постоянны.

Если теперь разделить интервал между этими метками на 100 равных частей, то получим температурную шкалу, предложенную А. Цельсием. Единица температуры на этой шкале называется градусом Цельсия (обозначается °С).

Температуры таяния льда и кипения воды называют реперны-ми точками шкалы Цельсия.

Внутренняя энергия тел и два способа изменения внутренней энергии

До сих пор тепловое состояние тел мы связывали с температурой и не выясняли, какое свойство характеризует эта физическая величина, от чего зависит и что определяет.

Как известно, атомно-молекулярное учение о строении вещества дает нам общее представление о зависимости хаотического движения атомов и молекул от температуры: чем она выше, тем быстрее движутся микрочастицы, из которых состоит тело.

Следовательно, соотнося скорость движения атомов и молекул с температурой, мы можем констатировать, что это движение характеризует тепловое состояние тела, т. е. хаотическое движение микрочастиц, из которых состоит тело, является, по сути, тепловым движением.

Атомы и молекулы постоянно находятся в движении, поэтому они обладают кинетической энергией. В результате столкновений между собой они имеют разные скорости, поэтому следует учитывать их среднюю кинетическую энергию, которая и определяет температуру тела. Этот вывод, сделанный Дж. Максвеллом в XIX в., положен в основу современной молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Наличие внутренней энергии у всех тел обусловлено тепловым движением и взаимодействием атомов и молекул, из которых состоят тела.

Оба предположения, сделанные Дж. Максвеллом и 158 Л. Больцманом, дают основание утверждать, что каждое тело обладает внутренней энергией, состоящей из кинетической энергии теплового движения атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

Тепловые явления и процессы протекают таким образом, что, как правило, происходит изменение внутренней энергии или выполнение работы. Например, если нагревать какой-то предмет, то средняя кинетическая энергия его молекул возрастает, поскольку повышается температура тела. Следовательно, возрастает и внутренняя энергия тела.

Нам известно, что изменить температуру тела можно не только в результате передачи теплоты, но и за счет выполнения механической работы. Например, если молотком несколько раз ударить по металлической пластине, то она нагреется. Рассмотрим детальнее способы изменения внутренней энергии тела.

Одним из наиболее распространенных тепловых процессов является передача энергии от одних тел другим в результате теплообмена, когда более нагретые тела отдают теплоту менее нагретым. Этот процесс называется теплопередачей. Количественно его характеризует физическая величина, которая называется количеством теплоты (обозначается Q).

Теплопередача может происходить с поглощением теплоты или ее отдачей.

При теплопередаче либо происходит повышение или понижение температуры тела, либо изменяется агрегатное состояние вещества (плавление твердых тел, испарение жидкостей и т. д.). Например, вода, помещенная в морозильную камеру холодильника, постепенно охлаждается, отдавая часть своей тепловой энергии камере; через определенное время, когда ее температура достигнет 0 °С, она начнет превращаться в лед. То есть в результате теплообмена вода теряет часть внутренней энергии, поэтому ее температура снижается, а затем изменяется ее агрегатное состояние. Изменение внутренней энергии в результате теплопередачи равно количеству теплоты, полученному телом или отданному им:

Другой способ изменения внутренней энергии обусловлен выполнением работы. Убедимся в этом на опыте. Нальем в колбу миксера воду и измерим ее температуру. Затем включим миксер на несколько минут и снова измерим температуру воды после его выключения. Полученные результаты свидетельствуют, что она повысилась. Это можно объяснить лишь тем, что вследствие выполнения миксером работы (других процессов при этом не происходило) увеличилась средняя кинетическая энергия молекул воды. Очевидно, что в данном случае изменение внутренней энергии равно выполненной работе:

Виды теплопередачи

Известно, что теплота передается от более нагретых тел к менее нагретым. Однако нам пока что неизвестно, каким образом это происходит. Одинаково ли протекают теплообменные процессы в твердых телах, жидкостях и газах? Какова природа передачи теплоты? Чтобы ответить на эти вопросы, проведем эксперимент.

Возьмем железный гвоздь и стеклянную палочку и будем нагревать их концы в пламени газовой горелки (рис. 139). Через некоторое время мы почувствуем тепло. К пальцам, которые держат железный гвоздь, оно дойдет быстрее, и вскоре мы не сможем гвоздь удержать, поскольку его температура значительно повысится. Стеклянную же палочку мы еще долго сможем держать, хотя со временем и ее температура повысится до такой степени, что будет печь пальцы.

Рассмотрим механизм передачи теплоты в данном случае. Как известно, повышение температуры свидетельствует об увеличении средней кинетической энергии микрочастиц тела, из которых оно состоит. В пламени горелки молекулы воздуха имеют энергию значительно большую, чем молекулы не нагретых стеклянной палочки и железного гвоздя. Поэтому во время столкновения они передают им часть своей энергии, вследствие чего температура концов палочки и гвоздя постепенно повышается. В свою очередь, микрочастицы нагретых концов палочки и гвоздя, получив дополнительную кинетическую энергию, частично отдают ее соседним атомам и молекулам, а те — далее.

Такая передача энергии в результате столкновения частиц происходит как бы по цепочке, последовательно слой за слоем, и со временем температура всех частей тела выравнивается. Поскольку атомы и молекулы твердых тел не перемещаются от одного конца к другому, то и переноса вещества при этом не происходит. Такой вид теплопередачи от более нагретых частей тела к менее нагретым, который вызывает выравнивание температур без переноса вещества, называется теплопроводностью.

Опытным путем мы убедились, что вещества имеют различную теплопроводность. У металлов она больше. Наилучшими проводниками теплоты являются медь и серебро. Значительно хуже тепло распространяется в древесине, кирпиче, тканях, бумаге и т. д. Существуют вещества, плохо проводящие теплоту: асбест, полистирол, вата и т. п. Их применяют для теплоизоляции, например при утеплении жилых помещений. Хуже всех проводят теплоту газы, особенно разреженные. Это их свойство применяют, в частности, в термосах, чтобы продолжительное время сохранять в них жидкости при постоянной температуре (рис. 140).

Существует также иной вид теплопередачи, который в отличие от теплопроводности сопровождается переносом вещества. Его называют конвекцией, и он присущ жидкостям и газам.

Для наблюдения конвекции в жидкости нальем в колбу воду и будем ее нагревать (рис. 141). Чтобы лучше видеть перемещение потоков жидкости, бросим в воду два-три зернышка перманганата калия (в быту — марганцовки). Мы увидим, что нижние слои воды поднимаются вверх, а верхние опускаются вниз. Это можно объяснить тем, что нижние нагретые слои воды, плотность которых меньше, вытесняются наверх более тяжелыми холодными слоями, плотность которых больше. Поскольку имеет место разница плотностей, возникает выталкивающая сила, которая способствует перемешиванию холодных и теплых слоев воды. Перенос вещества конвекционными потоками происходит до тех пор, пока существует разность температур между слоями жидкости.

Конвекция обусловливает множество явлений природы и процессов, происходящих в повседневной жизни. Например, благодаря ей происходит обогрев комнаты от системы отопления: потоки теплого воздуха от обогревателя (радиатора) поднимаются вверх, а холодный воздух замещает его, нагревается от радиатора и вытесняется холодным воздухом. Такая циркуляция холодного и теплого воздуха выравнивает температуру в разных уголках комнаты и обеспечивает ее обогрев.

Кроме теплопроводности и конвекции, благодаря которым осуществляется теплопередача (с переносом вещества или без него), существует особый вид теплообмена, обусловленный излучением, подобно световому. Иногда его называют лучистым теплообменом. Тела не только излучают тепловую энергию, но и поглощают ее. Например, Земля поддерживает жизнедеятельную температуру благодаря солнечному излучению, которое она поглощает.

Тепловое излучение обусловлено преобразованием части внутренней энергии тел в энергию излучения; и наоборот, энергия поглощенного теплового излучения превращается во внутреннюю энергию. Энергия излучения зависит от многих факторов, в частности от температуры тела: чем она выше, тем больше энергии излучает тело. Действительно, если ладони рук поочередно подносить к холодному и нагретому предметам, например к чайнику, то мы почувствуем теплоту лишь от горячего чайника. Однако это не значит, что тела, имеющие низкую температуру, не излучают тепловую энергию. Просто следует учитывать, что энергия, которую они отдают, меньше той, которую излучают тела с более высокой температурой.

Лед тоже излучает теплоту! Почему же нам кажется, что от него «тянет холодом»? Такое ощущение возникает потому, что рука поглощает меньше тепловой энергии, чем сама излучает, ведь ее температура выше (рис. 142). Фактически нарушен баланс между получаемой энергией и той, которую рука отдала. Поэтому мы ощущаем холод, идущий ото льда.

Кроме температуры, тепловое излучение зависит также от цвета поверхности тела и ее состояния: шероховатые и черные поверхности излучают и поглощают теплоту лучше, чем гладкие и блестящие. Поэтому, например, рефрижераторы (автомобильные или железнодорожные холодильные камеры) красят в серебристый или белый цвет.

Следовательно, в зависимости от природы теплообмена различают три вида теплопередачи:

Количество теплоты и удельная теплоемкость вещества

Многочисленные факты свидетельствуют о том, что одним из следствий теплопередачи является изменение температуры тела. Действительно, если на плите подогревать воду в чайнике, то ее температура будет повышаться и в конечном итоге она закипит. Таким же образом кузнец раскаляет в горне деталь, которую собирается обрабатывать. Ее температура повышается вследствие передачи определенного количества теплоты, и чем больше она его получит (например, чем дольше ее будут нагревать), тем выше будет температура детали. Следовательно, в процессе теплопередачи изменение температуры тела зависит от количества теплоты переданного телу; и наоборот, количество теплоты полученное телом, прямо пропорционально изменению температуры:

Из курса математики известно, чтобы записать равенство, надо найти коэффициент пропорциональности:

Коэффициент пропорциональности С называют теплоемкостью тела. Он показывает, какое количество теплоты необходимо передать (отобрать) данному телу, чтобы увеличить (уменьшить) его температуру на 1 К. Теплоемкость тела измеряется в джоулях на кельвин

Теплоемкость тела 500 означает, что для повышения его температуры на 1К телу надо предоставить 500 Дж теплоты.

Можно убедиться, что теплоемкость тела зависит от его массы и рода вещества, из которого оно изготовлено (рис. 143). С этой целью сообщим телам разной массы, например ведру воды (= 10 кг) и стакану воды ( = 200 г), одинаковое количество теплоты 1000 Дж (при этом достаточно влить в них около 2 г кипятка). Очевидно, что температура воды в ведре практически не изменится, а температура стакана с водой повысится приблизительно на 1 К.

Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты необходимо ему передать, чтобы изменить температуру на 1 К.

Следовательно, количество теплоты, поглощенное телом в результате теплопередачи, зависит от его массы, рода вещества и разности температур в конечном и начальном состояниях:

Если сравнить эту формулу количества теплоты с предыдущей, то можно убедиться, что существует величина которая не зависит от массы тела и характеризует, таким образом, теплоемкость вещества. Эту физическую величину назвали удельной теплоемкостью вещества. Она показывает, какое количество теплоты поглощает или отдает 1 кг вещества при изменении температуры тела на 1 К:

Из этой формулы можно установить, что удельная теплоемкость вещества измеряется в

Каждое вещество имеет определенное значение удельной теплоемкости (в таблице на форзаце приведены соответствующие значения). Это значит, что для разных веществ требуется разное количество теплоты для изменения их температуры на 1 К. Подтвердим это утверждение опытным путем.

Возьмем две колбы и нальем в одну из них воду, а в другую подсолнечное масло равных масс. Чтобы теплопередача происходила в одинаковых условиях, поместим их в кювету с водой, которую будем нагревать на горелке (рис. 144). Теперь будем наблюдать за изменениями температуры воды и масла. Мы заметим, что температура масла растет быстрее, чем воды. Это значит, что для изменения температуры подсолнечного масла на 1 К требуется меньшее количество теплоты, чем для воды.

Следовательно, физический смысл удельной теплоемкости вещества состоит в том, что эта физическая величина определяет, каким образом теплопередача влияет на тепловое состояние тела. Численное значение удельной теплоемкости вещества указывает, на сколько изменится при теплопередаче внутренняя энергия тела массой 1 кг при изменении его температуры на 1 К. Например, значение удельной теплоемкости алюминия 900 означает, что повышение температуры 1 кг алюминия на 1 К вызовет возрастание его внутренней энергии на 900 Дж.

Тепловой баланс

В жизненных ситуациях довольно часто возникает необходимость в определении значений физических величин, характеризующих теплообменные процессы после того, как настанет тепловое равновесие. Например, определить температуру после смешивания горячей и холодной воды, либо вычислить количество теплоты, полученное телом при теплопередаче, или найти, какую температуру будет иметь тело в результате теплообмена.

Расчёт тепловых процессов

Для расчета тепловых процессов необходимо составить уравнение относительно количества теплоты, которое приобретают и отдают все тела, находящиеся в теплообменном процессе.

Во всех этих случаях надо составить уравнение, которое содержит неизвестные величины, и найти его решения относительно искомого. Для расчета теплообменных процессов применяют правила, позволяющие учитывать протекание тепловых явлений и процессов и находить искомые величины. Сформулируем их.

Во-первых, все тела, длительное время находящиеся в тепло-обменном процессе, достигают состояния теплового равновесия и их температуры выравниваются. На основании этого можно утверждать: если температура тела А равна температуре тела В, а температура тела В, в свою очередь, равна температуре тела С, то тела А и С также имеют одинаковые температуры.

Во-вторых, следует учесть, что по закону сохранения энергии, который справедлив для всех явлений и процессов природы, теплота не может бесследно исчезнуть или возникнуть из ничего. В этой связи говорят об условии теплового баланса: в процессе теплопередачи одни тела отдают такое количество теплоты, какое получают другие тела.

В-третьих, в физике принято приписывать положительное значение количеству теплоты, если тело его получает, и отрицательное значение, если оно отдает теплоту. На основании этого правила записывают уравнение теплового баланса: сумма количества теплоты, которое получили тела, равна сумме количества теплоты, которое другие тела отдали в результате теплопередачи.

Эти три правила определяют последовательность действий, которую целесообразно соблюдать при решении физических задач на расчет теплообменных процессов.

Примеры решения задач на расчет теплообменных процессов

Пример №1

Какой станет температура воды, если смешать 100 г кипятка и 100 г воды, температура которой 20 °С?

Дано:

Решение

Согласно условию теплового баланса количество теплоты , отдаваемое кипятком, равно количеству теплоты , которое получает холодная вода, достигая температуры t, то есть

Отсюда

Ответ. Температура воды будет равна 60°С.

Пример №2

В алюминиевую кастрюлю массой 1,5 кг налили 800 г воды при комнатной температуре (20 °С). Сколько кипятка следует долить в кастрюлю, чтобы температура воды повысилась до 45 °С?

Дано:

Решение

В теплообмене участвуют алюминиевая кастрюля, кипяток и холодная вода. По условию теплового баланса количество теплоты , отданное кипятком, равно количеству теплоты, которое получили холодная вода и кастрюля , нагреваясь до температуры 45°С:

Отсюда

Ответ. Необходимо долить 0,51 кг кипятка.

Пример №3

В алюминиевый калориметр, масса которого 100 г, налили 100 г воды при комнатной температуре. Затем в него погрузили тело массой 150 г, температура которого 80 °С. Через некоторое время температура в калориметре стала 27 °С. Определить удельную теплоемкость тела, погруженного в калориметр.

Дано:

Решение

В результате теплообмена между калориметром, водой и телом температура в калориметре повысилась от 20 до 27°С. По условию теплового баланса количество теплоты , отданное телом, равно сумме количества теплоты, которое получила вода в калориметре и сам калориметр , т.е.:

Ответ. Удельная теплоемкость тела равна 450 т. е. оно изготовлено из железа.

Теплота сгорания топлива и КПД нагревателя

Довольно часто люди получают тепловую энергию за счет химической реакции горения, которая сопровождается выделением определенного количества теплоты. Например, во время сгорания природного газа, используемого в быту, происходит химическая реакция окисления с выделением теплоты, в результате которой образуется оксид карбона и вода. Расчет показывает, что при сгорании 1 м 3 природного газа, состоящего на 90 % из метана , выделяется примерно 40 МДж теплоты. Этого достаточно, чтобы нагреть почти 100 л воды от 0 до 100 °С.

Естественно, что разные вещества при горении выделяют разное количество теплоты. Наивысшую теплотворную способность имеют вещества, называемые топливом. Для ее характеристики применяют физическую величину, которая называется удельной теплотой сгорания топлива (обозначается ). Единицей удельной теплоты сгорания топлива является джоуль на килограмм Значения удельной теплоты сгорания некоторых видов топлива приведены в таблице на форзаце.

Химическая реакция, во время которой происходит окисление, сопровождаемое выделением теплоты, называется горением.

Существуют различные виды топлива: твердое (уголь, дрова, сланцы, торф), жидкое (бензин, мазут, керосин, диз-топливо, спирт), газообразное (метан, пропан, ацетилен).

Числовое значение удельной теплоты сгорания показывает, какое количество теплоты получают при сгорании 1 кг топлива. Например, при сжигании 1 кг сухих дров выделяется приблизительно 12 000 кДж теплоты. Для того чтобы вычислить количество теплоты, получаемое в результате сгорания произвольного количества топлива, необходимо удельную теплоту сгорания умножить на его массу:

Пример решения задачи на теплоту сгорания топлива

Пример №4

Какое количество теплоты выделится при сгорании 40 кг каменного угля? Сколько воды можно нагреть от 10 до 60 °С, используя это количество теплоты?

Дано:

Решение

Из формулы количества теплоты находим массу воды:

Ответ. При сгорании 40 кг каменного угля выделится 1000 МДж теплоты; за счет этого количества теплоты можно нагреть 4800 кг воды от 10 до 60°С.

КПД нагревателя характеризует эффективность использования тепловой энергии, полученной в результате сгорания топлива.

Как следует из формулы, чтобы повысить КПД нагревателя, надо увеличить полезно используемую часть тепловой энергии , т. е. уменьшить расход теплоты не по назначению.

Плавление твердых тел и кристаллизация

Такие преобразования происходят вследствие теплопередачи, которая вызывает соответствующее изменение внутренней энергии тел. Если, например, твердому телу передать некоторое количество теплоты, то его температура начнет повышаться и со временем, при достижении определенного значения температуры, оно может начать плавиться. Тепловой процесс, в результате которого твердое тело переходит в жидкое состояние, называется плавлением.

Плавление происходит обязательно с поглощением некоторого количества теплоты. Если ее не сообщать телу, процесс плавления прекратится. Это объясняется тем, что для снижения взаимодействия между атомами и молекулами в твердом 178 теле, которое удерживает их в связанном состоянии, необходима дополнительная энергия, способная разрушить упорядоченное связанное их размещение. Такая энергия может поступать твердому телу благодаря теплопередаче, в результате чего оно начинает постепенно плавиться. Во время этого процесса температура тела не изменяется, поскольку вся сообщаемая тепловая энергия идет на разрушение существующих связей атомов и молекул в твердом теле.

Лед, плавающий в воде при О °С, будет таять лишь в том случае, если ему передать определенное количество теплоты, например, если температура воздуха будет выше и вследствие этого будет происходить теплообмен с окружающей средой.

Ввиду того, что у разных веществ сила взаимодействия атомов и молекул неодинакова, на их плавление идет разное количество теплоты. Поэтому для характеристики энергетических затрат, необходимых для перехода вещества из твердого состояния в жидкое, вводят физическую величину, которая называется удельной теплотой плавления (обозначается ). Она равна количеству теплоты, которое необходимо для превращения 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое при температуре плавления. Удельная теплота плавления измеряется в джоулях на килограмм Значения температуры плавления и удельной теплоты плавления для некоторых веществ приведены в таблице на форзаце.

Например, удельная теплота плавления льда равна 332

Это означает, что 1 кг льда, находящемуся при температуре О °С, необходимо передать 332 кДж теплоты, чтобы он полностью растаял.

Для того чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления твердого тела произвольной массы при температуре плавления, надо удельную теплоту плавления вещества умножить на массу тела:

Примеры решения задач на плавание твёрдых тел

Пример №5

Какое количество теплоты необходимо для того, чтобы расплавить 2 т чугуна при температуре плавления? Сколько каменного угля для этого надо сжечь, если считать, что вся выделившаяся при горении энергия пойдет на плавление чугуна?

Дано:

Решение

По определению теплота плавления равна: Следовательно,

Поскольку по условию вся теплота от сгорания угля идет на плавление чугуна, то Отсюда

Ответ. Для плавления 2 т чугуна необходимо 192 МДж теплоты; чтобы получить такое количество теплоты, надо сжечь 7,7 кг каменного угля.

Для превращения 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое надо такое же количество теплоты, какое выделяется при образовании 1 кг твердого тела из жидкости.

Пример №6

Какое количество теплоты отдает вода при 0 СС, если образовалось 5 кг льда?

Дано:

Решение

По определению

Ответ. При образовании 5 кг льда выделяется 1660 кДж теплоты.

Примеры решения задач на расчет тепловых процессов

При решении задач на расчет тепловых процессов с учетом плавления и кристаллизации тел следует соблюдать общие правила составления уравнения теплового баланса. Вместе с тем надо учитывать и специфические особенности протекания этих тепловых процессов.

Эти правила вместе с условием теплового баланса определяют последовательность действий, которых целесообразно придерживаться при решении задач на расчет тепловых процессов с учетом плавления и кристаллизации.

Приведем примеры решения задач на расчет количества теплоты с учетом процессов плавления и кристаллизации.

Пример №7

Какое количество теплоты надо затратить, чтобы расплавить 10 кг алюминия, температура которого 20 о С?

Дано:

Решение

Чтобы расплавить алюминий, надо сначала нагреть его до температуры плавления (660°С), затратив количество теплоты

Количество теплоты, необходимое для плавления алюминия:

Суммарно необходимо количество теплоты:

Ответ. Для плавления 10 кг алюминия необходимо 9,7 МДж теплоты.

Пример №8

Внутренняя энергия 5 кг воды комнатной температуры в результате охлаждения уменьшилась на 1 МДж. Какие тепловые процессы произошли при этом? Сколько образовалось льда в результате охлаждения?

Дано:

Решение

В процессе охлаждения температура воды сначала понизилась до 0°С. На это ушла часть внутренней энергии, равная:

Дальнейшее уменьшение внутренней энергии привело к образованию некоторой массы льда

Поскольку то

Ответ. Сначала произошло охлаждение воды до 0°С, а затем образовалось 1,75 кг льда.

Испарение и конденсация жидкостей

Испаряются также и твердые тела (вспомните, что в морозную погоду мокрое белье, покрываясь ледяной коркой, все равно высыхает). У твердых тел процесс испарения называется сублимацией.

Энергетические затраты, идущие на испарение жидкостей, характеризует удельная теплота парообразования. Это физическая величина, которая определяется количеством теплоты, необходимым для испарения 1 кг жидкости при заданной температуре. Ее обозначают буквой г и измеряют в джоулях на килограмм

Для того чтобы вычислить количество теплоты, необходимое для испарения жидкости произвольной массы , надо удельную теплоту парообразования жидкости умножить на ее массу:

Наиболее интенсивно испарение происходит во время кипения жидкости. Для объяснения этого процесса пронаблюдаем, что произойдет с водой в прозрачной стеклянной колбе при ее нагревании (рис. 147).

Вначале мы увидим, что на дне и стенках сосуда образуются маленькие пузырьки. Очевидно, что это воздух, которым насыщена вода в результате проникновения в нее молекул газа. Со временем, в результате нагревания объем воздушных пузырьков будет увеличиваться (рис. 148) и внутри их образуется водяной пар, т. е. будет происходить внутреннее испарение жидкости.

Для каждого вещества температура кипения имеет свое определенное значение, зависящее от различных факторов. В частности, она зависит от внешнего давления, поскольку пузырькам необходимо преодолевать его противодействие, чтобы вырваться наружу. Поэтому с увеличением давления будет возрастать и температура кипения, и наоборот, с его уменьшением она будет снижаться. Например, в высоких горах вода кипит при более низкой температуре, чем при нормальном атмосферном давлении.

Таким образом, увеличивая внешнее давление, можно повышать температуру кипения жидкости. В быту это свойство используют в кастрюлях-скороварках: благодаря плотно прилегающей крышке, внутри такой кастрюли дополнительное давление может достигать 2-5 гПа, повышая тем самым температуру кипения воды до 120-150 о С. В специальных котлах-автоклавах из-за высокого давления воду нагревают до 250 300 о С.

В природе наряду с испарением наблюдается также обратный процесс, когда при определенных условиях газ превращается в жидкость. Например, летним утром часто выпадает роса, осенью при резком снижении температуры воздуха образуется туман и т. д. Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией. Для того чтобы это произошло, нужны центры конденсации, роль которых в газах играют различные порошинки, примеси и т. п. Как правило, конденсация происходит на поверхности жидкостей или твердых тел.

Образование туч объясняется конденсацией водяного пара в атмосфере.

В отличие от испарения, когда теплота поглощается, при конденсации теплота высвобождается. Количество теплоты, выделяемое при конденсации, вычисляется по такой же формуле, что и для испарения (как взаимообратный процесс): Установлено, что удельная теплота конденсации равна удельной теплоте парообразования.

При определенных условиях возможна конденсация вещества из газообразного сразу в твердое состояние. Например, зимой из водяного пара, находящегося в воздухе, образуются снежинки и изморозь на деревьях либо прекрасные узоры на стекле в морозную погоду.

Примеры решения задач на расчет количества теплоты с учетом испарения и конденсации

При решении задач на расчет количества теплоты с учетом испарения и конденсации, как и для любых тепловых процессов, следует придерживаться правил составления уравнения теплового равновесия (см. § 53). Вместе с тем существуют особенности протекания этих процессов, которые целесообразно также учитывать.

Пример №9

Какое количество теплоты надо затратить, чтобы нагреть 5 кг воды от О°С до температуры кипения и полностью ее испарить при нормальном атмосферном давлении?

Дано:

Решение

По условию задачи воду сначала надо нагреть от 0 до 100°С, а затем испарить. Следовательно,

Ответ. Для нагревания и испарения 5 кг воды потребуется 13,6 МДж теплоты.

Пример №10

Воде массой 2 кг при комнатной температуре (20°С) передано 1050 кДж теплоты. Сколько воды при этом испарилось?

Дано:

Решение

1) Если испарение происходило при температуре 20°С, то Отсюда

2) Если сначала воду нагрели до температуры кипения, а затем испарили, то Отсюда

Ответ. В зависимости от способа испарения, используя 1050 кДж теплоты, можно испарить 0,43 кг или 0,17 кг воды.

Пример №11

Какое количество теплоты выделится при конденсации 200 г водяного пара при температуре 100°С? Сравните его с количеством теплоты, необходимым для нагревания воды такой же массы от 0 до 100°С.

Дано:

Решение

По определению

Для нагревания воды от 0 до 100°С необходимо передать ей

Следовательно,

Ответ. При конденсации водяного пара выделяется 460 кДж теплоты. Это в 5,5 раза больше, чем необходимо для нагревания воды такой же массы от 0 до 100°С.

Пример №12

В калориметр, в котором находится 1 л воды при 10°С, впустили 100 г водяного пара, температура которого 100°С. Какая температура воды установится в калориметре после наступления теплового равновесия?

Дано:

Решение

В теплообменном процессе находятся вода и водяной пар. В результате конденсации водяной пар и образовавшаяся при этом вода отдают теплоту, а находящаяся в калориметре вода ее поглощает. Запишем уравнение теплового баланса:

Сделав определенные преобразования и решив уравнение относительно неизвестного t, получим:

Отсюда

Ответ. Температура воды будет равна 68°С.

Объяснение изменения агрегатных состояний вещества на основе атомно-молекулярного учения

Дальнейшая передача теплоты будет сопровождаться нагреванием воды, молекулы которой станут более подвижными. Кинетическая энергия молекул воды будет незначительно превышать потенциальную энергию их взаимодействия, поэтому отдельные из них смогут вылететь из жидкости, образуя пар. При достижении температуры кипения (точка D) она не изменяется и все полученное количество теплоты идет на преодоление межмолекулярного взаимодействия и превращение воды в водяной пар (переход жидкости в газообразное состояние).

Участок EF- нагревание пара.

В данном случае кинетическая энергия молекул намного превышает потенциальную энергию их взаимодействия. Если сосуд закрыт, то дальнейшее сообщение теплоты приведет к повышению температуры водяного пара. Молекулы воды будут свободно перемещаться в предоставленном им пространстве и взаимодействовать лишь при столкновении. Чем выше температура пира, тем быстрее они будут перемещаться, следовательно, тем больше будет их кинетическая энергия.

Рассмотрим теперь обратные процессы, которые будут происходить, когда тело теряет определенное количество теплоты.

Если водяной пар охлаждать (участок FK), то кинетическая энергия его молекул будет уменьшаться. Через некоторое время настанет момент (точка К), когда пар начнет конденсироваться. В зависимости от давления это может происходить при разной температуре, ведь температура кипения жидкостей зависит от давления. При нормальном давлении (760 мм рт. ст.) конденсация пара наступит при температуре 100°С. В данном случае средняя кинетическая и потенциальная энергии молекул станут приблизительно равными, и молекулы воды будут взаимодействовать между собой с такой силой, что образуется жидкость. Конденсация продолжается до тех пор, пока у пара отбирают теплоту и его внутренняя энергия уменьшается. При этом температура пара остается постоянной (участок KL), поскольку изменение внутренней энергии равно количеству теплоты, которое теряет пар при охлаждении.

После того как весь пар сконденсируется, дальнейшее отбирание теплоты вызовет охлаждение воды (участок LM) до температуры кристаллизации (у воды она равна 0°С). Молекулы воды теряют подвижность, их кинетическая энергия будет уменьшаться. Настанет момент (точка М), когда потенциальная энергия взаимодействия начнет превосходить кинетическую энергию, и тогда происходит кристаллизация, образование льда.

На протяжении всего этого процесса температура остается постоянной, равной температуре плавления льда, поскольку количество теплоты, отобранное у воды, равно изменению ее внутренней энергии. После того как вода полностью перейдет в твердое состояние (точка N), дальнейшее уменьшение внутренней энергии вследствие потери количества теплоты приведет к снижению температуры льда (участок NO).

1 График будет симметричен, если передача и отбирание теплоты происходят одинаково в количественном отношении, а потерями энергии можно пренебречь.

Превращение тепловой энергии в механическую. Принцип действия тепловых машин

С тех пор как человечество познало закономерности тепловых явлений, ученые стремились найти способы использования тепловой энергии, в частности преобразования ее в механическую.

В 1784 г. английский изобретатель Дж. Уатт создал первый паровой двигатель, который на протяжении долгого времени применялся в качестве универсального двигателя, приводящего в движение паровозы и пароходы, даже первые автомобили. В 1766 г. русский изобретатель И. И. Ползунов создал паровую машину, которая долгие годы работала на одном из горнодобывающих заводов Урала.

Принцип действия тепловых машин объясним на основе эксперимента. Возьмем цилиндр с поршнем, положим на него груз, например гирю, и начнем нагревать газ в цилиндре под поршнем (рис. 150).

С повышением температуры газа поршень начнет постепенно перемещаться вверх, поскольку вследствие нагревания газ расширяется. Следовательно, в процессе теплопередачи газ под поршнем выполняет механическую работу, поднимая груз на некоторую высоту.

Если нагревание газа прекратить, то в результате теплообмена с окружающей средой он будет остывать, его объем уменьшится и поршень опустится вниз.

На таком способе преобразования тепловой энергии в механическую путем выполнения работы основывается действие тепловых машин. Это двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, дизельные и турбореактивные двигатели и т. д. Со времен их изобретения они постоянно совершенствуются, но их принцип действия неизменно основывается на общих закономерностях преобразования тепловой энергии в механическую.

В 1824 г. французский ученый С. Карно предположил, что тепловая машина конструктивно должна состоять из нагревателя (источника теплоты), рабочего тела, которое собственно и выполняет работу (например, пар в паровых двигателях либо смесь воздуха и паров бензина в двигателях внутреннего сгорания), и охладителя (рис. 151). Такая машина может выполнять работу при условии, что температура охладителя ниже температуры нагревателя.

В 1851 г. английский физик В. Томсон (лорд Кельвин) открыл закон, сыгравший решающую роль в создании тепловых машин. Он установил, что в природе невозможен процесс, единственным результатом которого будет выполнение механической работы лишь за счет охлаждения источника тепловой энергии, без нагревания окружающих тел. Это утверждение означает, что нельзя создать вечный двигатель, т. е. тепловую машину, которая бы превратила в работу всю ее внутреннюю энергию.

Как известно, согласно закону сохранения энергии механическая работа, выполненная тепловой машиной, равна разности количества теплоты , переданного нагревателем рабочему телу, и количества теплоты , которое рабочее тело отдаст охладителю: Следовательно, каждая тепловая машина характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), который определяет ее способность преобразовывать тепловую энергию в механическую работу. По определению КПД тепловой машины равен отношению выполненной работы А к сообщенному ей количеству теплоты :

Поскольку to можно сделать вывод, что КПД тепловых машин всегда меньше 1.

Чаще всего КПД выражают в процентах. Тогда необходимо численное значение КПД умножить на 100 %. Тепловые двигатели имеют невысокий КПД, как правило, 20-30 %.

Двигатель внутреннего сгорания

Одним из наиболее распространенных видов тепловой машины является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), широко применяемый сейчас в различных транспортных средствах, в частности, в автомобилях.

В современных двигателях различают карбюраторные ДВС и дизельные (названные в честь их создателя, немецкого инженера Р. Дизеля).

Рассмотрим принцип действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (рис. 152). Основным его элементом является цилиндр с поршнем, где происходит сгорание топлива (отсюда название двигателя). Как правило, их несколько. Поэтому говорят о двух-, четырех-, восьмицилиндровых двигателях.

В связи с тем, что из четырех тактов ДВС лишь один — рабочий, двигатель имеет инерционный механизм. Как правило, это маховик, за счет своих инерционных свойств передает приобретенную энергию коленчатому валу. Благодаря этому обеспечивается выполнение остальных тактов ДВС.

Паровая и газовая турбины

С целью преобразования тепловой энергии в механическую на тепловых и атомных электростанциях применяют турбины. Их, как основной движущий элемент, применяют также в газотурбинных двигателях, используемых в авиации. В зависимости от рабочего тела (пара или газа) различают паровые и газовые турбины.

Слово «турбина» происходит от латинского turbo -вихрь, вращение с большой скоростью.

В основу действия турбин положена издавна известная идея вращения колеса с лопастями под давлением водяного пара или газа. Эту идею человек реализовал в работе ветряков и водяных мельниц: поток воздуха или воды действует на лопасти или ковши колеса мельницы и вынуждает их вращаться (рис. 153).

В паровых турбинах преобразование энергии происходит за счет разности давлений водяного пара на входе (вводящий паропровод 1) и выходе (выводящий паропровод 2) (рис. 154). Поэтому они имеют блоки высокого и низкого давления. На пути водяного пара находятся несколько рабочих колес 3 с лопастями. Пар, производимый паровым котлом теплоэлектростанции, направляется под высоким давлением по вводящему паропроводу 1 на рабочие колеса с лопастями. Под его действием турбина вращается.

Теплоэнергетическая установка преобразует тепловую энергию в механическую.

Таким образом, тепловая энергия водяного пара, образованного в теплоэнергетическом блоке электростанции, благодаря турбине превращается в механическую. В свою очередь, с помощью особого устройства, которое называется генератором, механическая энергия преобразуется в электрическую.

Паровые турбины современных теплоэлектростанций развивают мощность до 1300 МВт.

Газовая турбина отличается от паровой тем, что в ней есть специальная камера сгорания, благодаря которой повышается энергетическая эффективность установки.

В газовых турбинах дополнительно устанавливают специальную камеру сгорания, в которую впрыскивается топливо. Сжатый в ней воздух имеет очень высокую температуру, и поэтому попавшее в нее топливо воспламеняется. В результате стремительного повышения температуры газ действует на лопасти рабочего колеса, вращая его. Часть энергии газовая турбина отдает компрессору, нагнетающему воздух в камеру сгорания. Другая ее часть идет на выполнение работы движущим элементом газотурбинного двигателя, например, винтом самолета, колесом автомобиля, валом электрогенератора и т. д.

Мощность современных газовых турбин достигает 100-150 МВт.

Экологические проблемы применения тепловых машин

Широкое применение тепловых машин в жизнедеятельности человека привело к обострению экологических проблем, связанных с выбросами в атмосферу вредных веществ. Среди них особенное место занимает диоксид карбона , опасный тем, что способствует образованию «парникового эффекта», вследствие чего температура Земли повышается. По данным международных исследований, по сравнению с 1961 г. средняя температура воздуха на Земле возросла почти на 1°С. Основной причиной изменения климата нашей планеты ученые считают рост выбросов диоксида карбона в атмосферу.

В природе сейчас нарушено динамическое равновесие восстановления кислорода в реакциях фотосинтеза. Если не принимать необходимых мер но улучшению экологической ситуации, такое положение может привести к ужасным катастрофам, которые угрожают всему человечеству. Поэтому в последнее время мировым сообществом предлагаются меры, направленные на уменьшение выбросов в атмосферу.

В частности, сегодня производители автомобильных двигателей уделяют много внимания техническому усовершенствованию ДВС, например, использованию различных катализаторов и фильтров, улучшающих экологические показатели двигателей. Например, на одной из выставок автомобиль 200 «Mercedes-Benz Е-320» был награжден за внедрение топливной системы, уменьшающей выбросы диоксида карбона на 80 % и приведение их к экологическим нормам «Евро-5». Однако такие усовершенствования происходят в основном за счет уменьшения мощности и КПД двигателей, что ухудшает их технические характеристики.

Использование современных технологий в ДВС не может в целом снять проблему выбросов , поскольку продуктами сгорания в этих двигателях остаются нефтепродукты (бензин или дизельное топливо). Поэтому в последнее время в автомобилестроении ищут иные подходы. Например, производители автомобилей «Toyota» выпускают машины с гибридным приводом, в котором используется два типа двигателей — электрический и ДВС. Электродвигатели конструктивно вмонтированы в каждое колесо и помогают основному двигателю, создавая дополнительную тягу.

Предлагаются также конструктивные решения в виде электромобилей, работающих от аккумуляторных батарей. Однако незначительный ресурс обычных кислотных аккумуляторных батарей (сегодня это приблизительно 300-400 км на одном за ряде батареи), а также проблемы их утилизации не позволяют пока сделать электромобили массовыми. Вместе с тем продолжаются поиски компактных и легких аккумуляторов, например, на так называемых водородных элементах, которые позволят решить эту проблему.

В последнее время инженеры ведущих автомобильных фирм «Ford» и «Volvo» производят двигатели, способные работать.

Однако использование всех этих видов топлива не может окончательно решить экологические проблемы применения ДВС, поскольку продукты сгорания все равно будут содержать вредные вещества. Поэтому сейчас ведутся поиски восстанавливающихся источников энергии. Одним из них является водород (гидроген), который считают одним из наиболее перспективных видов топлива, способным заменить бензин и дизтопливо. Водородные двигатели считаются экологически чистыми, поскольку продуктом сгорания в них является водяной пар, не вызывающий вредных выбросов . Кроме того, водород сгорает в камере практически полностью в широком диапазоне температур, и поэтому в отношении эффективности использования может быть идеальным топливом.

Экологические проблемы применения тепловых машин не ограничиваются лишь их конструктивными усовершенствованиями с целью уменьшить вредные выбросы. Важнейшей проблемой является также возобновление энергетических запасов, 201 которые беспрерывно расходуются в процессе человеческой деятельности. Ведь полезные ископаемые воссоздаются природой на протяжении веков, а расходуются практически мгновенно. Их запасы не беспредельны и требуют рационального использования. В Украине основным источником энергоресурсов (83,4 %) остаются тепловые электростанции, работающие на угле, нефти или газе. Доля атомной энергетики составляет 16,1 %; меньше 1 % принадлежит возобновляемым источникам энергии. Мировые тенденции развития энергетики говорят о том, что для жизнедеятельности человека надо искать альтернативные источники, которые основываются на воспроизводстве природных ресурсов: воде, солнце, ветре и т. д.

Итоги:

Протекание тепловых явлений и процессов в природе происходит по определенным законам, которые человечество познавало на протяжении своей многовековой истории.

который всегда меньше 1.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник