Плавлення і тверднення тіл. Питома теплота плавлення. Згоряння. Питома теплота згоряння палива. Рівняння теплового балансу

Тема: Тепловий рух. Внутрішня енергія тіла і способи її зміни. Кількість теплоти. Питома теплоємність речовини. Робота в термодинаміці. Закони термодинаміки

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

Запитання для самоперевірки

1. Що таке внутрішня енергія? Механічна енергія?

2. Чим відрізняється внутрішня енергія ідеального газу від внутрішньої енергії реального газу?

3. Від яких фізичних величин залежить внутрішня енергія тіла?

4. Наведіть приклади перетворення механічної енергії у внутрішню (і навпаки) у техніці та побуті.

5. Що називають теплопередачею чи теплообміном?

6. Що називають кількістю теплоти?

7. Що називають питомою теплоємністю речовини? У яких одиницях вимірюють питому теплоємність речовини?

8. Що називають теплоємністю тіла? Як вона пов'язана з питомою теплоємністю? У яких одиницях виражають теплоємність тіла?

9. Чим відрізняється робота, що виконується зовнішніми тілами над газом, від роботи газу над зовнішніми тілами?

10.Як формулюють закон збереження енергії?

11. Що називають першим законом термодинаміки? Як записують і формулюють цей закон?

12. Який процес називають адіабатним? За яких умов він здійснюється? Наведіть приклади адіабатних процесів.

13. Що називають тепловим двигуном?

14. Що називають нагрівником, холодильником? Яка їх роль у роботі теплового двигуна?

15. Що називають робочим тілом? Які речовини використовують як робоче тіло двигуна?

16. Що називають ККД теплового двигуна?

17. Запишіть і поясніть формулу ККД теплового двигуна.

18. За якою формулою визначають ККД ідеальної теплової машини (ККД машини Карно)?

19. У чому полягає фізичний зміст другого закону термодинаміки? Як формулюють цей закон?

Значна відмінність кристалічних тіл від аморфних виявляється в процесах плавлення і тверднення. Плавленням називають процес переходу речовини із твердого стану в рідкий. Зворотний процес переходу речовини із рідкого стану в твердий називають твердненням. Досліди показують, що кристалічні тіла плавляться і тверднуть за певної для кожної речовини температури, яку називають температурою плавлення. Під час нагрівання кристалічного тіла інтенсивність коливального руху молекул в кристалі підвищується, а з досягненням температури плавлення коливання стають такими інтенсивними, що молекули (атоми) вже не можуть утриматися у вузлах ґратки і вони руйнуються - відбувається плавлення. Для кожного кристалічного тіла температура плавлення своя.

Графік залежності температури T кристалічного тіла від наданої йому (або відібраної) кількості теплоти зображено на рис.3.3.13. Ділянка АВ графіка відповідає твердому стану речовини і показує, що під час нагрівання (або охолодження) температура твердого тіла змінюється. Точка В відповідає температурі плавлення T_п, з досягненням якої під час нагрівання тіло починає плавитися. Ділянка ВС графіка відповідає процесу плавлення (або тверднення) тіла, під час якого тіло існує частково в рідкому, частково в твердому стані. Температура тіла при цьому не змінюється. Уся кількість теплоти витрачається тільки на збільшення потенціальної енергії молекул тіла, а їх кінетична енергія не змінюється. Тому не змінюється і температура - міра середньої кінетичної енергії молекул.

Збільшення потенціальної енергії молекул призводить до руйнування кристалічних ґраток тіла, тобто до зміни агрегатного стану речовини.

Точка С відповідає повному переходу тіла в рідину під час плавлення (або початку тверднення рідини під час її охолодження). Ділянка СД графіка відповідає рідкому стану речовини і показує, що під час нагрівання (або охолодження) температура рідини змінюється.

Спостереження показують, що температура плавлення залежить від тиску. Якщо плавлення речовини супроводжується збільшенням її об'єму (що спостерігається у більшості речовин), то зі збільшенням зовнішнього тиску температура плавлення цієї речовини підвищується. Якщо ж плавлення речовини супроводжується зменшенням його об'єму (наприклад, льоду, чавуну, вісмуту, сурми), то під час підвищення зовнішнього тиску температура плавлення цієї речовини знижується.

Аморфні тіла не мають певної температури плавлення або тверднення. У процесі плавлення (або тверднення) температура аморфних тіл неперервно змінюється (рис.3.3.14).

Кількість теплоти, що потрібна для повного перетворення 1 кг кристалічної речовини із твердого стану в рідкий за сталої температури плавлення, характеризують питомою теплотою плавлення:

. (6)

Із формули (6) випливає, що для плавлення кристалічного тіла масою т йому потрібно надати кількість теплоти, пропорційну масі тіла:

Q = lm. (7)

Згідно з законом збереження енергії кількість теплоти, що виділяється під час кристалізації рідини, також пропорційна масі тіла і визначається за формулою (7). Ось чому під час випадання снігу відбувається підвищення температури навколишнього середовища.

У СІ питому теплоту плавлення виражають в джоулях на кілограм (Дж/кг). Питому теплоту плавлення кристалічної речовини визначають експериментально за допомогою калориметра.

Розглянуті речовини здатні до згоряння за різних температур. Згорянням називають високотемпературні реакції окиснення різних видів палива: нафти, газу тощо. Унаслідок згоряння виділяється енергія. Кількість теплоти, що виділяється у разі повного згоряння палива, пропорційна його масі:

Q = qm. (8)

де q - питома теплота згоряння палива.

Питома теплота згоряння палива дорівнює кількості теплоти, що виділяється під час повного згоряння 1 кг палива. У СІ питому теплоту згоряння палива вимірюють у джоулях на кілограм: [q] = Дж/кг. Наприклад, питома теплота згоряння бензину дорівнює 4,4·10⁷ Дж/кг.

У замкненій системі можливі процеси теплообміну між різними тілами (кристалічними, аморфними, рідкими, газами). У цій системі можуть одночасно відбуватися випаровування, плавлення, згоряння.

Із закону збереження енергії маємо, що під час теплообміну між двома тілами енергія, яку у вигляді теплоти віддає одне тіло, має дорівнювати енергії, що отримує друге тіло.

Розглянемо теплообмін усередині системи, що складається з кількох тіл, які мають спочатку різні температури, наприклад, система з води і шматка льоду. Ця система достатньо ізольована і її внутрішня енергія не змінюється (замкнена система).

Робота в середині системи не виконується. Тоді за першим законом термодинаміки зміна внутрішньої енергії будь-якого тіла системи дорівнює кількості теплоти, відданій або набутій цим тілом до настання теплової рівноваги всередині системи: DU_i = Q_i.

Додавши подібні вирази для всіх тіл довільної замкненої системи і врахувавши, що сумарна внутрішня енергія не змінюється, тобто DU₁ + DU₂ + … + DU_n = 0, одержимо таке рівняння:

Q₁ + Q₂ + … + Q_n = 0

Це - рівняння теплового балансу; Q₁, Q₂, … , Q_n - кількості теплоти, яких набули (Q > 0) або віддали (Q < 0) тіла системи. Рівняння теплового балансу спочатку було знайдено експериментально із спостережень теплообміну між тілами в калориметрі.