Ne kadar sıcaklık. Isı miktarı. Isı miktarı birimleri. Özısı. Bir cismi ısıtmak için gereken veya soğutma sırasında serbest bıraktığı ısı miktarının hesaplanması

14.10.2019

« Fizik - 10. sınıf"

Maddenin toplu dönüşümleri hangi süreçlerde meydana gelir?
Bir maddenin toplanma durumunu nasıl değiştirebilirsiniz?

Herhangi bir bedenin iç enerjisini iş yaparak, ısıtarak veya tersine soğutarak değiştirebilirsiniz.
Böylece, bir metal dövülürken iş yapılır ve ısınır, aynı zamanda metal yanan bir alev üzerinde ısıtılabilir.

Ayrıca piston sabitse (Şekil 13.5), ısıtıldığında gazın hacmi değişmez ve iş yapılmaz. Ancak gazın sıcaklığı ve dolayısıyla iç enerjisi artar.

İç enerji artabilir ve azalabilir, dolayısıyla ısı miktarı olumlu ve olumsuz olabilir.

Enerjinin bir cisimden diğerine iş yapmadan aktarılması işlemine denir Isı değişimi.

Isı transferi sırasında iç enerjideki değişimin niceliksel ölçüsüne denir. ısı miktarı.

Isı transferinin moleküler resmi.

Cisimler arasındaki sınırdaki ısı değişimi sırasında, soğuk bir cismin yavaş hareket eden moleküllerinin, sıcak bir cismin hızlı hareket eden molekülleri ile etkileşimi meydana gelir. Sonuç olarak moleküllerin kinetik enerjileri eşitlenir ve soğuk cisimdeki moleküllerin hızları artarken, sıcak cisimdeki moleküllerin hızları azalır.

Isı değişimi sırasında enerji bir formdan diğerine dönüştürülmez; daha fazla ısıtılmış bir cismin iç enerjisinin bir kısmı daha az ısıtılmış bir cisme aktarılır.

Isı miktarı ve ısı kapasitesi.

Kütlesi m olan bir cismi t 1 sıcaklığından t 2 sıcaklığına ısıtmak için ona bir miktar ısı aktarmanın gerekli olduğunu zaten biliyorsunuz:

Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)

Bir cisim soğuduğunda, son sıcaklığı t 2, başlangıç sıcaklığından t 1 daha düşük olur ve cisim tarafından verilen ısı miktarı negatif olur.

Formül (13.5)'teki c katsayısına denir spesifik ısı kapasitesi maddeler.

Özısı- bu, 1 kg ağırlığındaki bir maddenin sıcaklığı 1 K değiştiğinde aldığı veya verdiği ısı miktarına sayısal olarak eşit bir miktardır.

Gazların özgül ısı kapasitesi, ısı transferinin gerçekleştiği sürece bağlıdır. Eğer gazı ısıtırsanız sabit basınç sonra genişleyecek ve iş yapacak. Bir gazı sabit basınçta 1 °C ısıtmak için, gazın yalnızca ısınacağı sabit hacimde ısıtmaktan daha fazla ısı aktarması gerekir.

Sıvılar ve katılar ısıtıldıklarında hafifçe genleşirler. Sabit hacim ve sabit basınçtaki spesifik ısı kapasiteleri çok az farklılık gösterir.

Özgül buharlaşma ısısı.

Kaynama işlemi sırasında bir sıvının buhara dönüştürülmesi için ona belirli bir miktarda ısının aktarılması gerekir. Bir sıvının sıcaklığı kaynadığında değişmez. Bir sıvının sabit bir sıcaklıkta buhara dönüşümü, moleküllerin kinetik enerjisinde bir artışa yol açmaz, ancak etkileşimlerinin potansiyel enerjisinde bir artışa eşlik eder. Sonuçta, gaz molekülleri arasındaki ortalama mesafe, sıvı moleküller arasındakinden çok daha fazladır.

Kütlesi 1 kg olan bir sıvının sabit sıcaklıkta buhara dönüştürülmesi için gereken ısı miktarına sayısal olarak eşit olan miktara denir. özgül buharlaşma ısısı.

Bir sıvının buharlaşma süreci herhangi bir sıcaklıkta meydana gelirken, en hızlı moleküller sıvıyı terk eder ve buharlaşma sırasında soğur. Spesifik buharlaşma ısısı, spesifik buharlaşma ısısına eşittir.

Bu değer r harfiyle gösterilir ve kilogram başına joule (J/kg) cinsinden ifade edilir.

Çok büyük özısı su buharlaşması: r H20 = 2,256 10 6 J/kg, 100 °C sıcaklıkta. Alkol, eter, cıva, gazyağı gibi diğer sıvılar için spesifik buharlaşma ısısı suyunkinden 3-10 kat daha azdır.

Kütlesi m olan bir sıvıyı buhara dönüştürmek için aşağıdakilere eşit miktarda ısı gerekir:

Q p = rm. (13.6)

Buhar yoğunlaştığında aynı miktarda ısı açığa çıkar:

Q k = -rm. (13.7)

Özgül füzyon ısısı.

Kristalin bir cisim eridiğinde, ona sağlanan tüm ısı, moleküller arasındaki etkileşimin potansiyel enerjisini artırmaya gider. Kinetik enerji Erime sabit bir sıcaklıkta meydana geldiğinden moleküller değişmez.

Erime noktasında ağırlığı 1 kg olan kristal bir maddenin sıvıya dönüşmesi için gereken ısı miktarına sayısal olarak eşit olan değere denir. özgül füzyon ısısı ve λ harfiyle gösterilir.

1 kg ağırlığındaki bir madde kristalleştiğinde, erime sırasında emilen ısının tamamıyla aynı miktarda ısı açığa çıkar.

Buzun özgül erime ısısı oldukça yüksektir: 3,34 10 5 J/kg.

“Buzun yüksek bir erime ısısı olmasaydı, baharda tüm buz kütlesinin birkaç dakika veya saniye içinde erimesi gerekecekti, çünkü ısı sürekli olarak havadan buza aktarılıyor. Bunun sonuçları korkunç olacaktır; Sonuçta mevcut durumda bile büyük buz veya kar kütleleri eridiğinde büyük seller ve güçlü su akıntıları ortaya çıkıyor.” R. Black, XVIII yüzyıl.

Kütlesi m olan kristal bir cismi eritmek için aşağıdakilere eşit miktarda ısı gerekir:

Qpl = λm. (13.8)

Bir cismin kristalleşmesi sırasında açığa çıkan ısı miktarı şuna eşittir:

Q cr = -λm (13,9)

Denklem ısı dengesi.

Başlangıçta farklı sıcaklıklara sahip birçok cisimden oluşan bir sistemdeki ısı alışverişini, örneğin bir kaptaki su ile suya indirilen sıcak bir demir top arasındaki ısı alışverişini ele alalım. Enerjinin korunumu yasasına göre, bir cisim tarafından verilen ısı miktarı sayısal olarak diğer bir cisim tarafından alınan ısı miktarına eşittir.

Verilen ısı miktarı negatif, alınan ısı miktarı ise pozitif kabul edilir. Bu nedenle toplam ısı miktarı Q1 + Q2 = 0.

Yalıtılmış bir sistemdeki birkaç cisim arasında ısı alışverişi meydana gelirse, o zaman

Ç 1 + Ç 2 + Ç 3 + ... = 0. (13.10)

Denklem (13.10) denir ısı dengesi denklemi.

Burada Q 1 Q 2, Q 3 cisimler tarafından alınan veya verilen ısı miktarlarıdır. Isı alışverişi işlemi sırasında maddenin çeşitli faz dönüşümleri (erime, kristalleşme, buharlaşma, yoğunlaşma) meydana gelirse, bu ısı miktarları formül (13.5) veya formüller (13.6)-(13.9) ile ifade edilir.

(veya ısı transferi).

Bir maddenin özgül ısı kapasitesi.

Isı kapasitesi- Bu, 1 derece ısıtıldığında vücut tarafından emilen ısı miktarıdır.

Bir cismin ısı kapasitesi büyük harflerle gösterilir Latince harf İLE.

Bir vücudun ısı kapasitesi neye bağlıdır? Her şeyden önce kütlesinden. Örneğin 1 kilogram suyun ısıtılmasının, 200 gram suyun ısıtılmasından daha fazla ısı gerektireceği açıktır.

Peki maddenin türü? Bir deney yapalım. İki özdeş kap alalım ve birine 400 gr su, diğerine 400 gr bitkisel yağ dökerek aynı brülörleri kullanarak ısıtmaya başlayacağız. Termometre okumalarını gözlemleyerek yağın hızla ısındığını göreceğiz. Suyu ve yağı aynı sıcaklığa ısıtmak için suyun daha uzun süre ısıtılması gerekir. Ancak suyu ne kadar uzun süre ısıtırsak brülörden o kadar fazla ısı alır.

Bu nedenle aynı kütledeki farklı maddelerin aynı sıcaklığa ısıtılması gerekir. farklı miktarlar sıcaklık. Bir cismi ısıtmak için gereken ısı miktarı ve dolayısıyla ısı kapasitesi, cismi oluşturan maddenin türüne bağlıdır.

Yani örneğin 1 kg ağırlığındaki suyun sıcaklığını 1°C arttırmak için 4200 J kadar bir ısı miktarına ihtiyaç vardır ve aynı kütleyi 1°C ısıtmak gerekir. ayçiçek yağı gereken ısı miktarı 1700 J'dir.

1 kg maddeyi 1 ºС ısıtmak için ne kadar ısı gerektiğini gösteren fiziksel miktara denir spesifik ısı kapasitesi bu maddeden.

Her maddenin, Latince c harfiyle gösterilen ve kilogram derece başına joule (J/(kg °C)) cinsinden ölçülen kendine özgü ısı kapasitesi vardır.

Özısı aynı maddenin farklı toplanma durumlarında (katı, sıvı ve gaz) farklıdır. Örneğin suyun özgül ısı kapasitesi 4200 J/(kg °C), buzun özgül ısı kapasitesi ise 2100 J/(kg °C); katı haldeki alüminyumun özgül ısı kapasitesi 920 J/(kg - °C) ve sıvı halde - 1080 J/(kg - °C)'dir.

Suyun çok yüksek bir özgül ısı kapasitesine sahip olduğunu unutmayın. Bu nedenle denizlerde ve okyanuslarda yaz aylarında ısınan su havadan emilir. çok sayıda sıcaklık. Bu sayede büyük su kütlelerinin yakınında bulunan yerlerde yazlar sudan uzak yerler kadar sıcak geçmez.

Bir cismi ısıtmak için gereken veya soğutma sırasında serbest bıraktığı ısı miktarının hesaplanması.

Yukarıdakilerden, bir cismi ısıtmak için gereken ısı miktarının, cismi oluşturan maddenin türüne (yani özgül ısı kapasitesine) ve cismin kütlesine bağlı olduğu açıktır. Isı miktarının vücut ısısını kaç derece artıracağımıza bağlı olduğu da açıktır.

Bu nedenle, bir cismi ısıtmak için gereken veya soğutma sırasında onun tarafından salınan ısı miktarını belirlemek için, cismin özgül ısı kapasitesini kütlesiyle ve son ve başlangıç sıcaklıkları arasındaki farkla çarpmanız gerekir:

Q = santimetre (T 2 - T 1 ) ,

Nerede Q- ısı miktarı, C- özgül ısı kapasitesi, M- vücut kütlesi , T 1 - başlangıç sıcaklığı, T 2 — son sıcaklık.

Vücut ısındığında t 2 > T 1 ve bu nedenle Q > 0 . Vücut soğuduğunda t2i< T 1 ve bu nedenle Q< 0 .

Tüm vücudun ısı kapasitesi biliniyorsa İLE, Q formülle belirlenir:

S = C (t 2 - T 1 ) .

Ocakta ne daha hızlı ısınır - su ısıtıcısı mı yoksa bir kova su mu? Cevap açık: bir çaydanlık. O zaman ikinci soru neden?

Cevap daha az açık değil - çünkü su ısıtıcısındaki suyun kütlesi daha az. Harika. Ve şimdi gerçek şeyi kendin yapabilirsin fiziksel deneyim evde. Bunu yapmak için iki özdeş küçük tencereye, eşit miktarda suya ve sebze yağıörneğin yarım litre ve bir ocak. Yağ ve su dolu tencereleri aynı ateşe koyun. Şimdi neyin daha hızlı ısınacağını izleyin. Sıvılar için termometreniz varsa kullanabilirsiniz, yoksa zaman zaman parmağınızla sıcaklığı test edebilirsiniz, sadece yanmamaya dikkat edin. Her durumda, yakında yağın önemli ölçüde ısındığını göreceksiniz. sudan daha hızlı. Ve deneyim biçiminde de uygulanabilecek bir soru daha. Hangisi daha hızlı kaynayacak - ılık su yoksa soğuk mu? Her şey yine açık - sıcak olan bitiş çizgisinde ilk olacak. Bütün bu garip sorular ve deneyler neden? Belirlemek, birsey belirlemek fiziksel miktar"ısı miktarı" denir.

Isı miktarı

Isı miktarı, bir vücudun ısı transferi sırasında kaybettiği veya kazandığı enerjidir. Adından da bu anlaşılıyor. Soğurken vücut belirli bir miktar ısı kaybedecek ve ısıtıldığında emecektir. Ve sorularımızın cevapları bize gösterdi Isı miktarı neye bağlıdır?İlk olarak, daha fazla vücut kütlesi sıcaklığının bir derece değişmesi için daha fazla ısı harcanması gerekir. İkincisi, bir cismi ısıtmak için gereken ısı miktarı, onun oluştuğu maddeye, yani maddenin cinsine bağlıdır. Üçüncüsü, ısı transferinden önceki ve sonraki vücut ısısındaki fark da hesaplamalarımız için önemlidir. Yukarıdakilere dayanarak şunları yapabiliriz: formülü kullanarak ısı miktarını belirleyin:

Q=cm(t_2-t_1) ,

burada Q ısı miktarıdır,
m - vücut ağırlığı,
(t_2-t_1) - başlangıç ve son vücut sıcaklıkları arasındaki fark,
c, ilgili tablolardan bulunan maddenin spesifik ısı kapasitesidir.

Bu formülü kullanarak herhangi bir cismi ısıtmak için gereken ısı miktarını veya bu cismin soğurken açığa çıkaracağı ısı miktarını hesaplayabilirsiniz.

Isı miktarı, herhangi bir enerji türü gibi joule (1 J) cinsinden ölçülür. Ancak bu değer çok uzun zaman önce ortaya çıkmadı ve insanlar ısı miktarını çok daha erken ölçmeye başladı. Ve zamanımızda yaygın olarak kullanılan bir birim olan kaloriyi (1 cal) kullandılar. 1 kalori, 1 gram suyu 1 santigrat derece ısıtmak için gereken ısı miktarıdır. Bu verilerden yola çıkarak yedikleri yiyeceklerin kalorisini saymayı sevenler, sırf eğlence olsun diye, yiyeceklerle birlikte tükettikleri enerjiyle gün içinde kaç litre su kaynatılabileceğini hesaplayabiliyor.

Ocakta ne daha hızlı ısınır - su ısıtıcısı mı yoksa bir kova su mu? Cevap açık: bir çaydanlık. O zaman ikinci soru neden?

Cevap daha az açık değil - çünkü su ısıtıcısındaki suyun kütlesi daha az. Harika. Ve artık evinizde kendiniz gerçek bir fiziksel deneyim yapabilirsiniz. Bunu yapmak için, iki özdeş küçük tencereye, eşit miktarda suya ve bitkisel yağa, örneğin her biri yarım litreye ve bir sobaya ihtiyacınız olacak. Yağ ve su dolu tencereleri aynı ateşe koyun. Şimdi neyin daha hızlı ısınacağını izleyin. Sıvılar için termometreniz varsa kullanabilirsiniz, yoksa zaman zaman parmağınızla sıcaklığı test edebilirsiniz, sadece yanmamaya dikkat edin. Her durumda, yağın sudan çok daha hızlı ısındığını yakında göreceksiniz. Ve deneyim biçiminde de uygulanabilecek bir soru daha. Hangisi daha hızlı kaynar - ılık su mu yoksa soğuk mu? Her şey yine açık - sıcak olan bitiş çizgisinde ilk olacak. Bütün bu garip sorular ve deneyler neden? “Isı miktarı” adı verilen fiziksel miktarı belirlemek.

Isı miktarı

Isı miktarı, bir vücudun ısı transferi sırasında kaybettiği veya kazandığı enerjidir. Adından da bu anlaşılıyor. Soğurken vücut belirli bir miktar ısı kaybedecek ve ısıtıldığında emecektir. Ve sorularımızın cevapları bize gösterdi Isı miktarı neye bağlıdır? Birincisi, bir cismin kütlesi ne kadar büyükse, sıcaklığını bir derece değiştirmek için harcanması gereken ısı miktarı da o kadar büyük olur. İkincisi, bir cismi ısıtmak için gereken ısı miktarı, onun oluştuğu maddeye, yani maddenin cinsine bağlıdır. Üçüncüsü, ısı transferinden önceki ve sonraki vücut ısısındaki fark da hesaplamalarımız için önemlidir. Yukarıdakilere dayanarak şunları yapabiliriz: formülü kullanarak ısı miktarını belirleyin:

burada Q ısı miktarıdır,
m - vücut ağırlığı,
(t_2-t_1) - başlangıç ve son vücut sıcaklıkları arasındaki fark,
c, ilgili tablolardan bulunan maddenin spesifik ısı kapasitesidir.

Bu formülü kullanarak herhangi bir cismi ısıtmak için gereken ısı miktarını veya bu cismin soğurken açığa çıkaracağı ısı miktarını hesaplayabilirsiniz.

Bir termodinamik sistemin iç enerjisi iki şekilde değiştirilebilir:

bitti sistem çalışması,
termal etkileşimi kullanarak.

Isının bir vücuda aktarılması, vücut üzerindeki makroskobik çalışmanın performansıyla ilişkili değildir. İÇİNDE bu durumdaİç enerjideki değişim, daha yüksek sıcaklıktaki bir cisimdeki bireysel moleküllerin, daha düşük sıcaklıktaki bir cisimdeki bazı moleküller üzerinde çalışması nedeniyle oluşur. Bu durumda termal iletkenlik nedeniyle termal etkileşim gerçekleşir. Radyasyon kullanılarak enerji transferi de mümkündür. Mikroskobik süreçler sistemine (tüm vücutla değil, bireysel moleküllerle ilgili) ısı transferi denir. Isı transferi sonucunda bir cisimden diğerine aktarılan enerji miktarı, bir cisimden diğerine aktarılan ısı miktarı ile belirlenir.

Tanım

SıcaklıkÇevredeki cisimlerle (çevre) ısı alışverişi sürecinde bir cisim tarafından alınan (veya verilen) enerjidir. Isı sembolü genellikle Q harfidir.

Bu termodinamiğin temel niceliklerinden biridir. Isı, termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının matematiksel ifadelerinde yer almaktadır. Isının moleküler hareket formundaki enerji olduğu söylenir.

Isı sisteme (gövdeye) aktarılabilir veya ondan alınabilir. Isı sisteme aktarılırsa pozitif olduğuna inanılmaktadır.

Sıcaklık değiştiğinde ısıyı hesaplamak için formül

Temel ısı miktarını şu şekilde gösteririz: Sistemin durumundaki küçük bir değişiklikle aldığı (verdiği) ısı unsurunun tam bir diferansiyel olmadığını belirtelim. Bunun nedeni ısının sistemin durumunu değiştirme sürecinin bir fonksiyonu olmasıdır.

Sisteme verilen temel ısı miktarı ve sıcaklığın T'den T+dT'ye değişmesi şuna eşittir:

burada C vücudun ısı kapasitesidir. Söz konusu cisim homojen ise, ısı miktarına ilişkin formül (1) şu şekilde temsil edilebilir:

vücudun özgül ısı kapasitesi nerede, m vücudun kütlesi, molar ısı kapasitesi, – molar kütle Madde, maddenin mol sayısıdır.

Eğer cisim homojen ise ve ısı kapasitesi sıcaklıktan bağımsız kabul edilirse, o zaman vücudun sıcaklığı bir miktar arttığında aldığı ısı miktarı () şu şekilde hesaplanabilir:

burada t 2, t 1 ısıtmadan önce ve sonra vücut sıcaklıkları. Hesaplamalarda farkı () bulurken sıcaklıkların hem Santigrat derece hem de kelvin cinsinden değiştirilebileceğini lütfen unutmayın.

Faz geçişleri sırasındaki ısı miktarı formülü

Bir maddenin bir fazından diğerine geçişine, belirli miktarda ısının emilmesi veya salınması eşlik eder, buna faz geçiş ısısı denir.

Bu nedenle, bir madde elementini katı halden sıvıya aktarmak için ona aşağıdakilere eşit miktarda ısı () verilmelidir:

özgül füzyon ısısı nerede, dm vücut kütlesinin unsurudur. Vücudun söz konusu maddenin erime noktasına eşit bir sıcaklığa sahip olması gerektiği dikkate alınmalıdır. Kristalleşme sırasında (4)'e eşit ısı açığa çıkar.

Sıvıyı buhara dönüştürmek için gereken ısı miktarı (buharlaşma ısısı) şu şekilde bulunabilir:

burada r, buharlaşmanın özgül ısısıdır. Buhar yoğunlaştığında ısı açığa çıkar. Buharlaşma ısısı, eşit madde kütlelerinin yoğunlaşma ısısına eşittir.

Isı miktarını ölçmek için birimler

SI sistemindeki ısı miktarının temel ölçüm birimi: [Q]=J

Genellikle teknik hesaplamalarda bulunan ekstra sistem ısı birimi. [Q]=cal (kalori). 1 kal=4,1868 J.

Problem çözme örnekleri

Örnek

Egzersiz yapmak. T = 40 C sıcaklıkta 200 litre su elde etmek için hangi hacimde su karıştırılmalıdır, suyun bir kütlesinin sıcaklığı t 1 = 10 C ise, ikinci su kütlesinin sıcaklığı t 2 = 60 C olur. ?

Çözüm. Isı dengesi denklemini şu şekilde yazalım:

burada Q=cmt suyun karıştırılmasından sonra hazırlanan ısı miktarıdır; Q 1 = cm 1 t 1 - suyun bir kısmının sıcaklığı t 1 ve kütlesi m 1 olan ısı miktarı; Q 2 = cm2 t2 - suyun bir kısmının sıcaklığı t2 ve kütlesi m2 olan ısı miktarı.

Denklem (1.1)'den şu sonuç çıkar:

Soğuk (V 1) ve sıcak (V 2) su kısımlarını tek bir hacimde (V) birleştirirken şunu varsayabiliriz:

Böylece bir denklem sistemi elde ederiz: