Передача тепла (енергії) та теплова рівновага - фізика 298

"Я не знаю, з якою зброєю буде вестись Третя світова війна, але четверта світова війна буде вестись палицями та камінням".

енергії

Альберт Ейнштейн

  • Як ми бачили в нульовому законі термодинаміки, коли два об'єкти потрапляють в контакт, тепло (енергія) передається від одного до іншого, поки вони не досягнуть однакової температури (перебувають у тепловій рівновазі). Коли предмети мають однакову температуру, тепловіддача відсутня.

  • Оскільки тепло є формою енергії, його можна виміряти в Джоулях. Історично склалося так, що, оскільки тепло вважалося окремою формою енергії, термодинаміка була розроблена з використанням одиниці енергії, унікальної для тепла - калорії. Взаємозв'язок між Джоулями та калоріями відомий як механічна еквівалентність тепла,

1 ккал = тепло, необхідне для підйому 1 кг води через 1 0 C

Британська теплова установка (Btu), яка все ще використовується в США, визначається аналогічно калорії, але з використанням британських одиниць,

1 Btu = Тепло, необхідне для підйому 1 фунт води через 10 ° F

  • З огляду на ці визначення, кількість теплоти, необхідна для зміни температури маси, м по, задається як,

  • Теплоємність об'єкта, C, визначається як,
  • Знання специфічних тепла та/або теплової потужності та той факт, що енергія повинна зберігатися, дозволяє нам визначити температуру рівноваги двох об'єктів спочатку при різних температурах, вимагаючи, щоб,


  • Для більшості речовин існує три «фази» - тверда, рідка та газоподібна. Під час фазової зміни змінюється структура (а не склад) речовини.
    • Зазвичай у твердому тілі складені атоми або молекули розташовані в жорсткій решітчастій структурі - кожен атом або молекула значною мірою закріплений у просторі.
    • Коли речовина плавиться, перетворюючись на рідину, структура решітки руйнується, і кожен атом/молекула може вільно рухатися по простору, зайнятому рідиною, але речовина все одно підтримує певну поверхню.
    • При випаровуванні речовина вже не має певної поверхні, атоми/молекули поводяться як газ, маючи дуже мало взаємодії між собою.

  • Щоб зазнати зміни фази, слід додати або витягти з речовини тепло. Поки тепло додається або віднімається, температура не змінюється, тому тепло, необхідне для завершення зміни фази, називається прихованим (або прихованим) теплом.
    • Тепло, необхідне для плавлення (або заморожування) речовини, - це прихована теплота плавлення, НЧ
    • Тепло, необхідне для випаровування (конденсації) речовини, - це прихована теплота випаровування, НН

Прихована теплота випаровування вода/водяна пара = 540 ккал/кг = 2256 кДж/кг


  • Розглядаючи процес досягнення теплової рівноваги з використанням тепла, втраченого гарячим об'єктом = тепло, отримане холодним об'єктом, якщо будь-який об'єкт, ймовірно, зазнає фазової зміни, ми повинні враховувати кількість тепла, отриманого або втраченого при фазовій зміні,
  • Зверніть увагу, що для системи в тепловій рівновазі, якщо присутній лід і вода, температура повинна бути 0 0 С. Якщо додається тепло, ВСЕ лід повинен розтанути, перш ніж температура підніметься вище 0 0 C.


Є цей фермер, який має проблеми зі своїми курами. Раптом усі вони дуже хворіють, і він не знає, що з ними. Спробувавши всі звичайні засоби, він телефонує до біолога, хіміка та фізика, щоб зрозуміти, чи зможуть вони з’ясувати, що не так. Тож біолог дивиться на курчат, трохи оглядає їх і каже, що не здогадується, що з ними може бути не так. Потім хімік проводить деякі тести і робить деякі вимірювання, але він також не може прийти до жодних висновків. Тож фізик намагається. Він стоїть там і довго дивиться на курей, не торкаючись їх чи нічого. Потім раптом він починає записувати у зошит. Нарешті, після кількох жахливих обчислень, він вигукує: `` Зрозумів! Але це працює лише для кулястих курей у вакуумі '.