Термодинаміка

3) конвекція (перемішування).

Кількісну міру зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну називають кількістю теплоти Q. У процесі теплообміну на межі між тілами відбувається взаємодія "повільних" молекул холодного тіла і "швидких" гарячого. У результаті кінетичні енергії молекул вирівнюються і швидкість молекул холодного тіла підвищується, а гарячого - знижується. Кількістю теплоти також називають енергію, яку гаряче тіло передає холодному в результаті теплообміну.

Кількісні вимірювання під час теплообміну виконують за допомогою калориметра, показаного на рис.3.2.2, на якому 1 - зовнішня посудина (корпус калориметра); 2 - внутрішня металева посудина (найкраще мідна, оскільки мідь - один з найкращих провідників теплоти; цю посудину ще називають власне калориметр); 3 - шар повітря; 4 - теплоізолювальна кришка; 5 - термометр; 6 - теплоізолювальні опори. Усередині калориметра зазвичай вміщують мішалку для перемішування рідини.

Наявність шару повітря між посудинами, теплоізолювальною кришкою і опорами утруднює всі види теплопередачі між тілами у внутрішній посудині і зовнішнім середовищем.

Якщо теплота передана тілу в результаті нагрівання чи охолодження, то експериментально встановлено, що

Q = cm(T2 - T1),

де c - коефіцієнт пропорційності, скалярна фізична величина, що називається питомою теплоємністю і яка чисельно дорівнює кількості теплоти, що відбирається або надається 1 кг речовини у разі зміни її температури на 1К:

c = Q, якщо m = 1 кг, T2 - T1 = DT = 1 К.

Внутрішня енергія тіла підвищується, коли воно отримує певну кількість теплоти від інших тіл, які його оточують (T2 > T1). У цьому разі Q > 0 і DU. Якщо ж тіло віддає певну кількість теплоти тілам (холоднішим від нього), які його оточують (T2 < T1), його внутрішня енергія зменшується: Q = DU < 0.

Одиниця кількості теплоти в СІ - джоуль: [Q] = Дж. Позасистемна одиниця кількості теплоти - калорія (кал). Калорію визначають як кількість теплоти, яку необхідно передати одному граму води, щоб збільшити його температуру на один градус Цельсія. 1 кал = 4,18 Дж.

Питому теплоту в СІ вимірюють в джоулях на кілограм на кельвін: .

Для води . Це досить велике значення питомої теплоємності, тому змінити температуру певної маси води досить важко. З цієї причини воду використовують як теплоносій у системах опалення. Велика теплоємність води зумовлює зменшення різких перепадів температури біля поверхні Землі, яка на 2/3 покрита водою.Питома теплоємність визначена для всіх тіл і залежить не тільки від властивостей речовини, але й від того, за яких умов здійснюється теплопередача. Наприклад, для нагрівання газу на 1 К при p = const треба передати більшу кількість теплоти Q, ніж для нагрівання при V = const.

Розглянемо інший спосіб зміни внутрішньої енергії термодинамічної системи -виконанням роботи. Виконання роботи в термодинаміці пов'язане зі зміною об'єму термодинамічної системи. Розрахуємо роботу А, яку виконує ідеальний газ внаслідок його ізобарного нагрівання. Будемо вважати, що газ знаходиться під невагомим поршнем площею S, який рухається уздовж циліндра без тертя (рис.3.2.3). Оскільки поршень не закріплений, то тиск газу p є сталим і наближено дорівнює атмосферному. Під час нагрівання на DT відбувається ізобарне розширення газу і його об'єм збільшується на DV = SDh, де S - площа поршня; Dh - висота підняття поршня. Оскільки з механіки відомо, що , де - сила, що діє на тіло, яке здійснює переміщення , то з урахуванням рівностей F = pS, a = 0°, | | = Dh знаходимо:

A = pSDh = pDV, (3.2.1)

де DV - зміна об'єму газу: DV = V2 - V1.