Как известно, при различных механических процессах происходит изменение механической энергии . Мерой изменения механической энергии является работа сил, приложенных к системе:
При теплообмене происходит изменение внутренней энергии тела. Мерой изменения внутренней энергии при теплообмене является количество теплоты.
Количество теплоты - это мера изменения внутренней энергии, которую тело получает (или отдает) в процессе теплообмена.
Таким образом, и работа, и количество теплоты характеризуют изменение энергии, но не тождественны энергии. Они не характеризуют само состояние системы, а определяют процесс перехода энергии из одного вида в другой (от одного тела к другому) при изменении состояния и существенно зависят от характера процесса.
Основное различие между работой и количеством теплоты состоит в том, что работа характеризует процесс изменения внутренней энергии системы, сопровождающийся превращением энергии из одного вида в другой (из механической во внутреннюю). Количество теплоты характеризует процесс передачи внутренней энергии от одних тел к другим (от более нагретых к менее нагретым), не сопровождающийся превращениями энергии.
Опыт показывает, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от температуры до температуры , рассчитывается по формуле
где c - удельная теплоемкость вещества;
Единицей удельной теплоемкости в СИ является джоуль на килограмм-Кельвин (Дж/(кг·К)).
Удельная теплоемкость c численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу массой 1 кг, чтобы нагреть его на 1 К.
Теплоемкость тела численно равна количеству теплоты, необходимому для изменения температуры тела на 1 К:
Единицей теплоемкости тела в СИ является джоуль на Кельвин (Дж/К).
Для превращения жидкости в пар при неизменной температуре необходимо затратить количество теплоты
где L - удельная теплота парообразования. При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты.
На этом уроке мы продолжим изучение внутренней энергии тела, а конкретнее - способов её изменения. И предметом нашего внимания на этот раз станет теплообмен. Мы вспомним, на какие виды он разделяется, в чём измеряется, и по каким соотношениям можно вычислить количество теплоты, переданное в результате теплообмена, также мы дадим определение удельной теплоёмкости тела.
Тема: Основы термодинамики
Урок: Количество теплоты. Удельная теплоемкость
Как мы уже знаем из младших классов, и как мы вспомнили на прошлом уроке, существует два способа изменить внутреннюю энергию тела: выполнить над ним работу или передать ему некое количество теплоты. О первом способе нам уже известно из, опять-таки, прошлого урока, но и о втором мы достаточно много говорили в курсе восьмого класса.
Процесс передачи теплоты (количества теплоты или энергии) без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей. Разделяется он по механизмам передачи, как мы знаем, на три вида:
- Теплопроводность
- Конвекция
- Излучение
В результате одного из этих процессов телу передаётся некое количество теплоты, на значение которого, собственно, и меняется внутренняя энергия. Охарактеризуем эту величину.
Определение. Количество теплоты . Обозначение - Q. Единицы измерения - Дж. При изменении температуры тела (что эквивалентно изменению внутренней энергии) количество теплоты, затраченное на это изменение, можно вычислить по формуле:
Здесь: - масса тела; - удельная теплоёмкость тела; - изменение температуры тела.
Причём, если , то есть при охлаждении, говорят, что тело отдало некоторое количество теплоты, или же телу передали отрицательное количество теплоты. Если же , то есть наблюдается нагрев тела, количество переданной теплоты, конечно же, будет положительным.
Особое внимание следует обратить на величину удельной теплоёмкости тела.
Определение. Удельная теплоёмкость - величина, численно равная количеству теплоты, которую необходимо передать, чтобы нагреть один килограмм вещества на один градус. Удельная теплоёмкость - индивидуальная величина для каждого отдельного вещества. Поэтому это табличная величина, заведомо известная при условии, что нам известно, порции какого вещества передаётся тепло.
Единицу измерения удельной теплоёмкости в системе СИ можно получить из вышеприведённого уравнения:
Таким образом:
Рассмотрим теперь случаи, когда передача некого количества теплоты приводит к изменению агрегатного состояния вещества. Напомним, что такие переходы называются плавлением, кристаллизацией, испарением и конденсацией.
При переходе от жидкости к твёрдому телу и наоборот количество теплоты высчитывается по формуле:
Здесь: - масса тела; - удельная теплота плавления тела (количество теплоты, необходимое для полного плавления одного килограмма вещества).
Для того чтобы расплавить тело, ему необходимо передать некое количество теплоты, а при конденсации тело само отдаёт в окружающую среду некое количество теплоты.
При переходе от жидкости к газообразному телу и наоборот количество теплоты высчитывается по формуле:
Здесь: - масса тела; - удельная теплота парообразования тела (количество теплоты, необходимое для полного испарения одного килограмма вещества).
Для того чтобы испарить жидкость, ей необходимо передать некое количество теплоты, а при конденсации пар сам отдаёт в окружающую среду некое количество теплоты.
Следует подчеркнуть также, что и плавление с кристаллизацией, и испарение с конденсацией проходят при постоянной температуре (температура плавления и кипения соответственно) (рис. 1).
Рис. 1. График зависимости температуры (в градусах Цельсия) от полученного количества вещества ()
Отдельно стоит отметить вычисление количества теплоты, выделяющееся при сгорании некоторой массы топлива:
Здесь: - масса топлива; - удельная теплота сгорания топлива (количество теплоты, выделяющееся при сгорании одного килограмма топлива).
Особое внимание нужно обратить на тот факт, что помимо того, что для разных веществ удельные теплоёмкости принимают разные значения, этот параметр может быть различным и для одного и того же вещества при различных условиях. Например, выделяют разные значения удельных теплоёмкостей для процессов нагревания, протекающих при постоянном объёме () и для процессов, протекающих при постоянном давлении ().
Различают также молярную теплоёмкость и просто теплоёмкость.
Определение. Молярная теплоёмкость () - количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть один моль вещества на один градус.
Теплоёмкость (C ) - количество теплоты, необходимое, чтобы нагреть на один градус порцию вещества определённой массы. Связь теплоёмкости с удельной теплоёмкостью:
На следующем уроке мы рассмотрим такой важный закон, как первый закон термодинамики, который связывает изменение внутренней энергии с работой газа и количеством переданной теплоты.
Список литературы
- Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярная физика. Термодинамика. - М.: Дрофа, 2010.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
- Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа, 2010.
- Словари и энциклопедии на Академике ().
- Tt.pstu.ru ().
- Elementy.ru ().
Домашнее задание
- Стр. 83: № 643-646. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А.П. - М.: Дрофа, 2013. ()
- Как связаны между собой молярная и удельная теплоёмкости?
- Почему иногда поверхности окон запотевают? С какой стороны окон это происходит?
- В какую погоду быстрее высыхают лужи: в спокойную или в ветреную?
- *На что затрачивается теплота, полученная телом при плавлении?
Поскольку мы ввели шкалу температур, мы можем следующим образом определить количество теплоты. Назовем калорией количество теплоты, необходимое для нагрева 1 г воды от 14° до 15° по Цельсию. Совершенно не существенно, откуда берется тепло - от удара, трения или огня. Когда вода получает 1 кал, ее температура подымается на
1 градус. Или, когда у воды отбирается 1 кал, температура 1 г воды уменьшается на 1 градус по шкале Цельсия. Таким образом, стандартное количество теплоты определяется с помощью единицы изменения температуры и массы стандартного вещества (воды).
При таком определении количества теплоты создается впечатление, что мы считаем ее некоей субстанцией. Мы близки к тому, чтобы сказать такую фразу: при наливании 1 калории в 1 грамм воды температура воды увеличивается на 1 градус. Используемая нами терминология сохранилась с тех времен, когда теплоту считали жидкой субстанцией (теплородом). Хотя предмет может казаться очень холодным, это не значит, что он не содержит тепла. Например, кусок льда способен нагреть кусок сухого льда, причем сам он будет при этом охлаждаться. Куском же сухого льда можно повысить температуру жидкого гелия. (Есть ли у подобной последовательности предел?)
Одна калория тепла не обязательно изменит температуру 1 грамма какого-либо вещества, отличного от воды, на 1 градус. Например, 1 г меди нагревается на 10,9°, если его снабдить 1 кал тепла. Эта
относительная способность различных веществ поглощать различные количества тепла при увеличении их температуры на одну и ту же величину называется удельной теплоемкостью вещества (одно вещество поглощает больше тепла, чем другое, причем их температуры изменяются на одну и ту же величину). Она определяется как количество калорий, необходимое для увеличения температуры 1 г вещества на 1 градус по шкале Цельсия. Например, удельная теплоемкость меди равна
Многие вещества обладают тем свойством, что их удельные теплоемкости остаются практически постоянными при изменении температуры в широких пределах. Так, 1 кал тепла увеличивает температуру 1 г воды приблизительно на 1° независимо от ее начальной температуры.
Фиг. 358. При таянии 1 г льда поглощает 80 кал; 1 г воды поглощает 100 кал при нагревании его от 0° до 100 С. Для превращение 1 г. воды при 100 °С в пар требуется 540 кал. Поскольку удельные теплоемкости льда и пара примерно вдвое меньше теплоемкости воды, при нагревании их требуется меньше теплоты, чем при нагревании, воды.
Однако в точках замерзания или кипения, как правила, вещества поглощают сравнительно большое количества теплоты, а температура их при этом не изменяется. Например, чтобы расплавить лед при 0 С, требуется 80 кал на 1 г льда. Чтобы выпарить 1 г кипящей воды, необходимо 540 кал. Поэтому плавающие в воде кубики льда поддерживают в ней температуру 0 С, ибо любое тепло, которое поступает в систему вода - лед, идет на таяние льда, а отток тепла вызывает замерзание воды, но в обоих случаях не происходит изменения температуры (фиг. 358).
Теплота является сохраняющейся величиной (не создается и не уничтожается) только в изолированных системах, т. е. системах, откуда тепло не выходит и куда оно не входит. Если опустить нагретую
ложку в изолированный сосуд с холодной водой, то ложка будет охлаждаться, а вода нагреваться до тех пор, пока их температуры не сравняются. При данных массах ложки и воды и заданных начальных температурах конечная температура всегда будет одной и той же, как будто полное тепло так распределяется между всеми частями системы, что уравнивает их температуры (т. е. наступает тепловое равновесие).
Для системы, показанной на фиг. 359;
Если ложка медная (удельная теплоемкость С), ее масса равна начальная температура 100° С, а масса воды равна и ее начальная температура 20° С, то тепло, потерянное ложкой а тепло, полученное водой где Т - окончательная температура системы. Следовательно,
Тот факт, что тела нагреваются при соударениях или трении друг о друга, послужил, вероятно, причиной тому, что теплоту издавна считали как-то связанной с движением. В 1620 г. Фрэнсис Бэкон заявил, что «Теплота сама по себе.~ есть движение и ничего более» . Он пришел к такому заключению., наблюдая, как возникает тепло при столкновениях твердых тел или трении их друг о друга. Позднее Роберт Бойль и Роберт Гук высказывали такую же идею. Однако в те времена она не имела большого успеха, так как никто не мог объяснить, почему, если теплота есть движение, оно сохраняется в экспериментах, подобных описанному выше, в которых смешивались различные вещества при различных температурах в термически изолированных сосудах.
В восемнадцатом веке появилась теория, согласно которой теплота считалась тонким упругим флюидом, частицы которого отталкиваются друг от друга, но притягиваются частицами обычных веществ. Этот флюид получил название caloriG - теплород («caloric» - слово, придуманное позднее, в 1787 г., Лавуазье), а теория, описывающая теплоту в виде материальной субстанции, - название материальной, или субстанциональной, теории теплоты.
В основе материальной теории лежала мысль о том, что теплота сохраняется. Большинство наблюдений и экспериментов тех времен проводилось при весьма специфических условиях, при которых полное количество теплоты (в том смысле, как тогда было принято) сохранялось, из чего и делался вывод, что теплота - сохраняющаяся величина. Было очень удобно считать, что теплота есть субстанция, которая не исчезает и не возникает из ничего, но перетекает от одного тела к другому. Частицы вещества, если считать, что они не могут проникать друг сквозь друга, не могут находиться между собой в контакте, несмотря на взаимное притяжение. (Иначе вещества нельзя было бы сжимать.) Поэтому между частицами должна действовать какая-то уравновешивающая притяжение сила, и эта сила была приписана действию теплорода. Из-за того, что частицы теплорода взаимно отталкиваются, теплота должна перетекать от нагретого тела к холодному. Согласно этой теории, состояние вещества - твердое, жидкое или газообразное - определяется количеством теплорода, входящего в его состав. Когда вещество содержит много теплорода, оно становится газообразным. Из-за взаимного расталкивания частиц теплорода наличие большого его количества в веществе приводит к тому, что силы расталкивания превосходят силы притяжения между частицами вещества и вынуждают последние оставаться свободными. Считалось, что при охлаждении тел теплород покидает их, что согласовывалось с сокращением большинства тел при охлаждении. Твердые и жидкие тела содержат меньше теплорода, чем газообразные, и поэтому занимают меньшие объемы.
Хотя материальная теория давно уже оставлена, некоторые ее термины сохранились в современной науке о теплоте, особенно в тех разделах, где рассматриваются потоки и перенос тепла. Мы по-прежнему говорим, что тепло течет, а тело поглощает тепло. Это приводит к некоторой путанице, поскольку мы говорим о теплоте как о какой-то субстанции, даже если мы знаем, что на самом деле это не так.
Бенджамин Томпсон, граф Румфорд (1753-1814), американский эмигрант, которому посчастливилось провести свои последние годы в Париже, автор почти картезианского изречения: «Ясно, что в философских исследованиях нет ничего более опасного, чем принимать что-либо на веру, как бы правдоподобно оно ни выглядело, пока оно не будет доказано прямым и решающим экспериментом» и человек легендарной энергии, выбрал в качестве одного из своих занятий «науку о Теплоте, науку, несомненно, первостепенной важности для человечества!» . Его интерес к «этому удивительному предмету» возник, по его словам, следующим образом:
«Обедая, я часто замечал, что некоторые блюда сохраняют свое тепло гораздо дольше других, а яблочные пироги и яблоки с миндалем (одно из любимых английских кушаний) оставались горячими удивительно долго. Сильно пораженный такой необычной способностью сохранять теплоту, которой обладали яблоки, я часто размышлял о ней; и, обжигая яблоками рот или встречая другие блюда с такими же свойствами, я всегда пытался, но все напрасно, найти хоть какое-нибудь удовлетворительное объяснение этому удивительному явлению» .
То, что Румфорд обжигал свой рот рисовым супом, а позднее - руки в горячих банях Неаполя, не уменьшало его интерес к этой проблеме. Наоборот, он решился провести почти классическую серию экспериментов, направленную против материальной теории теплоты.
Можно утверждать, что если теплород - вещество, то он должен обладать основным свойством любого вещества и иметь массу. В своих экспериментах Румфорд, к своему удовлетворению, показал, что «все попытки обнаружить влияние тепла на веса тел бесплодны». Однако его доказательство невесомости теплорода не могло смутить сторонников материальной теории. Они могли возразить, что теплород, как в более ранние времена небесная субстанция, не является обычным веществом, и поэтому он не обязан подчиняться гравитационным силам.
Совершенно случайно («чисто случайно мне пришлось заниматься экспериментами, о которых я собираюсь рассказать») Румфорд заинтересовался вопросом о получении тепла с помощью трения.
«Позднее, заведуя сверлением пушечных стволов в мастерских военного арсенала в Мюнхене, я был сильно поражен тем значительным количеством тепла, которое за короткое время получает медный ствол при сверлении, и еще большим количеством тепла (гораздо большим, как я выяснил из эксперимента, чем тепло, требуемое для закипания воды), которое получают металлические стружки, отделяемые от ствола сверлом» .
С помощью материальной теории теплоты было трудно объяснить, откуда берется такое большое количество теплорода. При желании, конечно, можно было ввести гипотезу, что силы пцитяжения между молекулами металла и частицами теплорода уменьшаются, когда металл превращается в стружку, в результате чего теплород освобождается и проявляется в виде теплоты.
Однако при сверлении запас тепла казался неистощимым. Этого было достаточно, чтобы убедить Румфорда:
«...мне кажется чрезвычайно трудно, если не совершенно невозможно, выдвинуть хоть какую-нибудь разумную идею, объясняющую то, что возбуждалось и передавалось в этих экспериментах, чем-либо отличным от движения» .
Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей . Теплообмен происходит между телами, имеющими разную температуру. При установлении контакта между телами с различными температурами происходит передача части внутренней энергии от тела с более высокой температурой к телу, у которого температура ниже. Энергия, переданная телу в результате теплообмена, называется количеством теплоты .
Удельная теплоемкость вещества:
Если процесс теплопередачи не сопровождается работой, то на основании первого закона термодинамики количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела: .
Средняя энергия беспорядочного поступательного движения молекул пропорциональна абсолютной температуре. Изменение внутренней энергии тела равно алгебраической сумме изменений энергии всех атомов или молекул, число которых пропорционально массе тела, поэтому изменение внутренней энергии и, следовательно, количество теплоты пропорционально массе и изменению температуры:
Коэффициент пропорциональности в этом уравнении называется удельной теплоемкостью вещества . Удельная теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо для нагревания 1 кг вещества на 1 К.
Работа в термодинамике:
В механике работа определяется как произведение модулей силы и перемещения и косинуса угла между ними. Работа совершается при действии силы на движущееся тело и равна изменению его кинетической энергии.
В термодинамике движение тела как целого не рассматривается, речь идет о перемещении частей макроскопического тела относительно друг друга. В результате меняется объем тела, а его скорость остается равной нулю. Работа в термодинамике определяется так же, как и в механике, но равна изменению не кинетической энергии тела, а его внутренней энергии.
При совершении работы (сжатии или расширении) изменяется внутренняя энергия газа. Причина этого состоит в следующем: при упругих соударениях молекул газа с движущимся поршнем изменяется их кинетическая энергия.
Вычислим работу
газа при расширении. Газ действует на
поршень с силой
,
где
- давление газа, а
- площадь поверхности
поршня.
При расширении газа поршень смещается
в направлении силы
на малое расстояние
.
Если расстояние мало, то давление газа
можно считать постоянным. Работа газа
равна:
Где
- изменение объема газа.
В процессе расширения газа совершает положительную работу, так как направление силы и перемещения совпадают. В процессе расширения газ отдает энергию окружающим телам.
Работа, совершаемая
внешними телами над газом, отличается
от работы газа только знаком
,
так как сила
,
действующая на газ, противоположна силе
,
с которой газ действует на поршень, и
равна ей по модулю (третий закон Ньютона);
а перемещение остается тем же самым.
Поэтому работа внешних сил равна:
.
Первый закон термодинамики:
Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии, распространенным на тепловые явления. Закон сохранения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
В термодинамике рассматриваются тела, положение центра тяжести которых практически не меняется. Механическая энергия таких тел остается постоянной, а изменяться может лишь внутренняя энергия.
Внутренняя энергия может изменяться двумя способами: теплопередачей и совершением работы. В общем случае внутренняя энергия изменяется как за счет теплопередачи, так и за счет совершения работы. Первый закон термодинамики формулируется именно для таких общих случаев:
Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
Если система изолирована, то над ней не совершается работа и она не обменивается теплотой с окружающими телами. Согласно первому закону термодинамики внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной .
Учитывая, что
,
первый закон термодинамики можно
записать так:
Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами .
Второй закон термодинамики: невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.
Теплота - энергия, передаваемая от более нагретого тела менее нагретому при непосредственном соприкосновении или излучением.
Мерой интенсивности движения молекул является температура .
Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).
Теплота играет важную роль в жизни человека, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37°С. Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры окружающей среды, и люди вынуждены расходовать много энергии на обогрев жилых и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть этой энергии поставляют тепловые машины, например котельные установки и паровые турбины электростанций , работающих на ископаемом топливе (угле , нефти) и вырабатывающих электроэнергию .
До конца 18 в. теплоту считали материальной субстанцией, полагая, что температура тела определяется количеством содержащейся в нем <калорической жидкости>, или <теплорода>. Позднее Б.Румфорд, Дж.Джоуль и другие физики того времени путем остроумных опытов и рассуждений опровергли <калорическую> теорию, доказав, что теплота невесома и ее можно получать в любых количествах просто за счет механического движения. Теплота сама по себе не является веществом - это всего лишь энергия движения его атомов или молекул . Именно такого понимания теплоты придерживается современная физика.
В этой статье мы рассмотрим, как связаны между собой теплота и температура и каким образом измеряют эти величины. Предметом нашего обсуждения будут также следующие вопросы: передача теплоты от одной части тела к другой; перенос теплоты в вакууме (пространстве, не содержащем вещества); роль теплоты в современном мире.
Теплота и температура
Количество тепловой энергии в веществе нельзя определить, наблюдая за движением каждой его молекулы по отдельности. Напротив, только изучая макроскопические свойства вещества, можно найти усредненные за некий период времени характеристики микроскопического движения многих молекул. Температура вещества - это средний показатель интенсивности движения молекул , энергия которого и есть тепловая энергия вещества.
Один из самых привычных, но и наименее точных способов оценки температуры - на ощупь. Трогая предмет, мы судим о том, горячий он или холодный, ориентируясь на свои ощущения. Конечно, эти ощущения зависят от температуры нашего тела, что подводит нас к понятию теплового равновесия - одному из важнейших при измерении температуры.
Тепловое равновесие
Тепловое равновесие между телами А и В
Очевидно, что если два тела A и B плотно прижать друг к другу, то, потрогав их спустя достаточно долгое время, мы заметим, что температура их одинакова. В этом случае говорят, что тела A и B находятся в тепловом равновесии друг с другом. Однако тела, вообще говоря, не обязательно должны соприкасаться, чтобы между ними существовало тепловое равновесие, - достаточно, чтобы их температуры были одинаковыми. В этом можно убедиться с помощью третьего тела C, приведя его сначала в тепловое равновесие с телом A, а затем сравнив температуры тел C и B. Тело C здесь играет роль термометра . В строгой формулировке этот принцип называется нулевым началом термодинамики : если тела A и B находятся в тепловом равновесии с третьим телом C, то эти тела находятся также в тепловом равновесии друг с другом. Этот закон лежит в основе всех способов измерения температуры.
Измерение температуры
Температурные шкалы
Термометры
Термометры основанные на электрических эффектах
Если мы хотим проводить точные эксперименты и вычисления, то таких оценок температуры, как горячий, теплый, прохладный, холодный, недостаточно - нам нужна проградуированная температурная шкала. Существует несколько таких шкал, и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды. Четыре наиболее распространенные шкалы представлены на рисунке. Стоградусная шкала, по которой точке замерзания воды соответствует 0°, а точке кипения 100°, называется шкалой Цельсия по имени А.Цельсия, шведского астронома, который описал ее в 1742. Полагают, что впервые применил эту шкалу шведский натуралист К.Линней. Сейчас шкала Цельсия является самой распространенной в мире. Температурная шкала Фаренгейта, в которой точкам замерзания и кипения воды соответствуют крайне неудобные числа 32 и 212°, была предложена в 1724 Г.Фаренгейтом. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах, но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры по Цельсию (°С) в температуру по Фаренгейту (°F) существует формула °F = (9/5)°C + 32, а для обратного перевода - формула °C = (5/9)(°F-32).
Обе шкалы - как Фаренгейта, так и Цельсия, - весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю - точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая - абсолютной термодинамической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (°R) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды соответствует 491,7°R и 273,16 K. Число градусов и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково, но равно 180. Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273,16, а градусы Фаренгейта - в градусы Ранкина по формуле °R = °F + 459,7.
В основе действия приборов, предназначенных для измерения температуры, лежат разные физические явления, связанные с изменением тепловой энергии вещества, - изменения электрического сопротивления, объема, давления , излучательных характеристик, термоэлектрических свойств. Один из наиболее простых и знакомых инструментов для измерения температуры - стеклянный термометр , изображенный на рисунке. Шарик с в нижней части термометра располагают в среде или прижимают к предмету, температуру которого хотят измерить, и в зависимости от того, получает шарик тепло или отдает, расширяется или сжимается и ее столбик поднимается или опускается в капилляре. Если термометр заранее проградуирован и снабжен шкалой, то можно прямо узнать температуру тела.
Другой прибор, действие которого основано на тепловом расширении, - биметаллический термометр , изображенный на рисунке. Основной его элемент - спиральная пластинка из двух спаянных металлов с разными коэффициентами теплового расширения. При нагревании один из металлов расширяется сильнее другого, спираль закручивается и поворачивает стрелку относительно шкалы. Такие устройства часто используют для измерения температуры воздуха в помещениях и на улице, однако они не подходят для определения локальной температуры.
Локальную температуру измеряют обычно с помощью термопары , представляющей собой две проволочки из разнородных металлов, спаянные с одного конца. При нагревании такого спая на свободных концах проволочек возникает ЭДС , обычно составляющая несколько милливольт. Термопары делают из разных металлических пар: железа и константана, меди и константана, хромеля и алюмеля . Их термо-ЭДС практически линейно меняется с температурой в широком температурном диапазоне.
Известен и другой термоэлектрический эффект - зависимость сопротивления проводящего материала от температуры . Он лежит в основе работы электрических термометров сопротивления, один из которых изображен на рисунке. Сопротивление небольшого термочувствительного элемента (термопреобразователя) - обычно катушки из тонкой проволоки - сравнивают с сопротивлением проградуированного переменного резистора, используя мост Уитстона. Выходной прибор может быть проградуирован непосредственно в градусах.
Для измерения температуры раскаленных тел, испускающих видимый свет, используют оптические пирометры . В одном из вариантов этого устройства свет, излучаемый телом, сравнивают с излучением нити лампы накаливания, помещенной в фокальную плоскость бинокля, через который смотрят на излучающее тело. Электрический ток , нагревающий нить лампы, изменяют до тех пор, пока при визуальном сравнении свечения нити и тела не обнаружится, что между ними установилось тепловое равновесие. Шкала прибора может быть проградуирована непосредственно в единицах температуры.
Технические достижения последних лет позволили создать новые датчики температуры. Например, в тех случаях, когда нужна особенно высокая чувствительность, вместо термопары или обычного термометра сопротивления используют полупроводниковое устройство - термистор . В качестве термопреобразователей применяют также изменяющие свое фазовое состояние красители и жидкие кристаллы, особенно в тех случаях, когда температура поверхности тела изменяется в широком диапазоне. Наконец, используется инфракрасная термография, в которой получают ИК-изображение объекта в условных цветах, где каждый цвет отвечает определенной температуре. Этот способ измерения температуры находит самое широкое применение - от медицинской диагностики до проверки теплоизоляции помещений.
Измерение количества теплоты
Водяной калориметр
Тепловую энергию (количество теплоты) тела можно измерить непосредственно с помощью так называемого калориметра ; простой вариант такого прибора изображен на рисунке. Это тщательно теплоизолированный закрытый сосуд, снабженный устройствами для измерения температуры внутри него и иногда заполняемый рабочей жидкостью с известными свойствами, например водой . Чтобы измерить количество теплоты в небольшом нагретом теле, его помещают в калориметр и ждут, когда система придет в тепловое равновесие. Количество теплоты, переданное калориметру (точнее, наполняющей его воде), определяют по повышению температуры воды.
Количество теплоты, выделяющейся в ходе химической реакции, например горения, можно измерить, поместив в калориметр небольшую <бомбу>. В <бомбе> находятся образец, к которому подведены электрические провода для поджига, и соответствующее количество кислорода . После того как образец полностью сгорает и устанавливается тепловое равновесие, определяют, насколько повысилась температура воды в калориметре, а отсюда - количество выделившейся теплоты.
Единицы измерения теплоты
Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемных единиц количества теплоты - калорий: международная калория равна 4,1868 Дж, термохимическая калория - 4,1840 Дж. В зарубежных лабораториях результаты исследований часто выражают с помощью т.н. 15-градусной калории, равной 4,1855 Дж. Выходит из употребления внесистемная британская тепловая единица (БТЕ): БТЕ средн = 1,055 Дж.
Источники теплоты
Основными источниками теплоты являются химические и ядерные реакции, а также различные процессы преобразования энергии. Примерами химических реакций с выделением теплоты являются горение и расщепление компонентов пищи. Почти вся теплота, получаемая Землей, обеспечивается ядерными реакциями, протекающими в недрах Солнца. Человечество научилось получать теплоту с помощью управляемых процессов деления ядер, а теперь пытается использовать с той же целью реакции термоядерного синтеза. В теплоту можно превращать и другие виды энергии, например механическую работу и электрическую энергию. Важно помнить, что тепловую энергию (как и любую другую) можно лишь преобразовать в другую форму, но нельзя ни получить <из ничего>, ни уничтожить. Это один из основных принципов науки, называемой термодинамикой .
Термодинамика
Термодинамика - это наука о связи между теплотой, работой и веществом. Современные представления об этих взаимосвязях сформировались на основе трудов таких великих ученых прошлого, как Карно, Клаузиус, Гиббс, Джоуль, Кельвин и др. Термодинамика объясняет смысл теплоемкости и теплопроводности вещества, теплового расширения тел, теплоты фазовых переходов. Эта наука базируется на нескольких экспериментально установленных законах - началах.
Теплота и свойства веществ
Различные вещества обладают разной способностью накапливать тепловую энергию; это зависит от их молекулярной структуры и плотности . Количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус, называется его удельной теплоёмкостью . Теплоёмкость зависит от условий, в которых находится вещество. Например, чтобы нагреть на 1 К один грамм воздуха в воздушном шаре, требуется больше теплоты, чем для такого же его нагрева в герметичном сосуде с жесткими стенками, поскольку часть энергии, сообщаемой воздушному шару, расходуется на расширение воздуха, а не на его нагревание. Поэтому, в частности, теплоёмкость газов измеряют раздельно при постоянном давлении и при постоянном объеме.
При повышении температуры интенсивность хаотического движения молекул возрастает - большинство веществ при нагревании расширяется. Степень расширения вещества при повышении температуры на 1 К называется коэффициентом теплового расширения .
Чтобы вещество перешло из одного фазового состояния в другое, например из твердого в жидкое (а иногда сразу в газообразное), оно должно получить определенное количество тепла . Если нагревать твердое тело, то его температура будет повышаться до тех пор, пока оно не начнет плавиться; до завершения плавления температура тела будет оставаться постоянной, несмотря на подвод тепла . Количество теплоты, необходимое для плавления единицы массы вещества, называется теплотой плавления. Если подводить тепло и дальше, то расплавленное вещество нагреется до кипения. Количество теплоты, необходимое для испарения единицы массы жидкости при данной температуре, называется теплотой парообразования.
Роль теплоты и ее использование
Схема работы паротурбинной электростанции
Схема холодильного цикла
Глобальные процессы теплообмена не сводятся к нагреванию Земли солнечным излучением. Массивными конвекционными потоками в атмосфере определяются суточные изменения погодных условий на всем земном шаре. Перепады температуры в атмосфере между экваториальными и полярными областями совместно с кориолисовыми силами, обусловленными вращением Земли, приводят к появлению непрерывно изменяющихся конвекционных потоков, таких, как пассаты, струйные течения, а также теплые и холодные фронты.
Перенос тепла (за счет теплопроводности) от расплавленного ядра Земли к ее поверхности приводит к извержению вулканов и появлению гейзеров. В некоторых регионах геотермальная энергия используется для обогрева помещений и выработки электроэнергии.
Теплота - непременный участник почти всех производственных процессов. Упомянем такие наиболее важные из них, как выплавка и обработка металлов, работа двигателей, производство пищевых продуктов, химический синтез, переработка нефти, изготовление самых разных предметов - от кирпичей и посуды до автомобилей и электронных устройств.
Многие промышленные производства и транспорт, а также теплоэлектростанции не могли бы работать без тепловых машин - устройств, преобразующих теплоту в полезную работу. Примерами таких машин могут служить компрессоры , турбины , паровые, бензиновые и реактивные двигатели.
Одной из наиболее известных тепловых машин является паровая турбина , в которой реализуется часть цикла Ранкина, используемого на современных электростанциях . Упрощенная схема этого цикла представлена на рисунке. Рабочую жидкость - воду - превращают в перегретый пар в паровом котле, нагреваемом за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефти или природного газа). Пар высокого
