სითბო (ფიზიკა): განმარტება, ფორმულა და მაგალითები

ყველასთვის ცნობილია ძალიან თბილი ან ძალიან ცივი ან მზის სითბოს შეგრძნება თბილ დღეს, მაგრამ კონკრეტულად რას ნიშნავს სიტყვა "სითბო"? არის ეს რაიმე "ცხელის" თვისება? იგივეა რაც ტემპერატურა? გამოდის, რომ სითბო არის გაზომვადი რაოდენობა, რომელიც ფიზიკოსებმა ზუსტად განსაზღვრეს.

სითბო არის ის, რასაც მეცნიერები უწოდებენ ენერგიის ფორმას, რომელიც გადადის სხვადასხვა ტემპერატურის ორ მასალას შორის. ენერგიის ეს გადაცემა ხდება ამ ორი მასალის საშუალო თარგმნის კინეტიკური ენერგიის ერთ მოლეკულაში განსხვავების გამო. სითბო მიედინება მაღალი ტემპერატურის მასალიდან ქვედა ტემპერატურის მქონე მასალაზე, სანამ თერმული წონასწორობა არ მიიღწევა. SI სითბოს ერთეული არის ჯოული, სადაც 1 ჯოული = 1 ნიუტონი × მეტრი.

იმის გასაგებად, თუ რა ხდება ამ ენერგიის გადაცემის დროს, წარმოიდგინეთ შემდეგი სცენარი: ორი განსხვავებული კონტეინერი ივსება პატარა რეზინის ბურთულებით, რომლებიც ირგვლივ ახტება. ერთ-ერთ კონტეინერში, ბურთების საშუალო სიჩქარე (და, შესაბამისად, მათი საშუალო კინეტიკური ენერგია) გაცილებით მეტია, ვიდრე ბურთების საშუალო სიჩქარე მეორეში კონტეინერი (თუმცა ნებისმიერი ინდივიდუალური ბურთის სიჩქარე შეიძლება იყოს რაიმე დროის ნებისმიერ მონაკვეთში, რადგან ამდენი შეჯახება იწვევს ენერგიის მუდმივ გადაცემას ბურთები.)

თუ ამ კონტეინერებს ისე მოათავსებთ, რომ მათი მხარეები შეეხოს, შემდეგ ამოიღეთ კედლები, რომლებიც გამოყოფს მათ შინაარსს, რას აპირებთ?

პირველი კონტეინერის ბურთები დაიწყებენ ურთიერთქმედებას მეორე კონტეინერის ბურთებთან. ბურთებს შორის უფრო და უფრო მეტი შეჯახება ხდება, თანდათან ორივე კონტეინერიდან ბურთების საშუალო სიჩქარე იგივე ხდება. პირველი კონტეინერის ბურთებიდან მიღებული ენერგიის ნაწილი გადადის ბურთულებში მეორე კონტეინერში, სანამ ეს ახალი წონასწორობა მიიღწევა.

ეს არსებითად ხდება მიკროსკოპულ დონეზე, როდესაც განსხვავებული ტემპერატურის ორი ობიექტი ერთმანეთთან კონტაქტში მოდის. ენერგია ობიექტიდან უფრო მაღალ ტემპერატურაზე სითბოს სახით გადადის ქვედა ტემპერატურის ობიექტზე.

ტემპერატურა არის საშუალო ტრანსლაციური კინეტიკური ენერგიის საზომი თითო მოლეკულაში ნივთიერებაში. ბურთულების ჭურჭლის ანალოგიაში ეს არის მოცემული ჭურჭლის საშუალო კინეტიკური ენერგიის საზომი თითო ბურთულაზე. მოლეკულურ დონეზე, ატომები და მოლეკულები ვიბრირებენ და ირხევიან გარშემო. თქვენ ვერ ხედავთ ამ მოძრაობას, რადგან ეს ხდება ასე მცირე მასშტაბით.

ტემპერატურის საერთო მასშტაბებია ფარენგეიტი, ცელსიუსი და კელვინი, კელვინი არის სამეცნიერო სტანდარტი. ფარენჰეიტის მასშტაბი ყველაზე გავრცელებულია შეერთებულ შტატებში. ამ მასშტაბით, წყალი იყინება 32 გრადუსზე და ადუღდება 212 გრადუსზე. ცელსიუსის მასშტაბით, რომელიც გავრცელებულია მსოფლიოს უმეტეს სხვა ადგილებში, წყალი 0 გრადუსზე იყინება და 100 გრადუსზე ადუღდება.

სამეცნიერო სტანდარტი არის კელვინის შკალა. მიუხედავად იმისა, რომ კელვინის მასშტაბის ნამატის ზომა იგივეა, რაც გრადუსის ზომა ცელსიუსის შკალაზე, მისი 0 მნიშვნელობა სხვა ადგილას არის მითითებული. 0 კელვინი უდრის -273,15 გრადუს ცელსიუსს.

რატომ არის ასეთი უცნაური არჩევანი 0-ისთვის? აღმოჩნდა, რომ ეს ბევრად ნაკლებია უცნაური არჩევნით, ვიდრე ცელსიუსის მასშტაბის ნულოვანი მნიშვნელობა. 0 კელვინი არის ტემპერატურა, რომელზეც ყველა მოლეკულური მოძრაობა ჩერდება. თეორიულად ეს აბსოლუტურად ყველაზე ცივი ტემპერატურაა.

ამ თვალსაზრისით, კელვინის მასშტაბს გაცილებით მეტი აზრი აქვს, ვიდრე ცელსიუსის მასშტაბს. იფიქრეთ იმაზე, თუ როგორ იზომება მანძილი, მაგალითად. უცნაური იქნებოდა დისტანციური მასშტაბის შექმნა, სადაც 0 მნიშვნელობა 1 მ ნიშნის ექვივალენტური იქნებოდა. ასეთი მასშტაბის მიხედვით, რას ნიშნავს რამის სიგრძე სხვაზე ორმაგად?

ნივთიერების მთლიანი შინაგანი ენერგია არის მისი ყველა მოლეკულის კინეტიკური ენერგიების ჯამი. ეს დამოკიდებულია ნივთიერების ტემპერატურაზე (საშუალო კინეტიკური ენერგია თითო მოლეკულაზე) და ნივთიერების საერთო რაოდენობაზე (მოლეკულების რაოდენობა).

შესაძლებელია ორ ობიექტს ჰქონდეს იგივე საერთო შინაგანი ენერგია, ხოლო სრულიად განსხვავებული ტემპერატურა. მაგალითად, გრილ ობიექტს საშუალო მონეტაზე დაბალი კინეტიკური ენერგია ექნება, მაგრამ თუ რაოდენობაა მოლეკულები დიდია, მაშინ ის მაინც შეიძლება დასრულდეს თბილი ობიექტის იგივე შინაგანი ენერგიით, რაც ნაკლებია მოლეკულები.

გასაოცარი შედეგია ამ დამოკიდებულების საერთო შიდა ენერგიასა და ტემპერატურას შორის ის ფაქტი, რომ დიდი ყინულის ბლოკი შეიძლება დასრულდეს უფრო მეტი ენერგიით, ვიდრე ანთებული ასანთის თავი, მიუხედავად იმისა, რომ ასანთის თავი იმდენად ცხელია, რომ ჩართულია ცეცხლი!

არსებობს სამი ძირითადი მეთოდი, რომლითაც სითბოს ენერგია გადადის ერთი ობიექტიდან მეორეზე. ისინი გამტარობა, კონვექცია და გამოსხივებაა.

​კონდუქციახდება მაშინ, როდესაც ენერგია გადადის უშუალოდ ორ მასალს შორის თერმული კონტაქტით. ეს არის ტიპის გადაცემა, რომელიც ხდება რეზინის ბურთის ანალოგიაში, რომელიც აღწერილია ამ სტატიაში. როდესაც ორი ობიექტი პირდაპირ კონტაქტშია, ენერგია გადადის მათ მოლეკულებს შორის შეჯახების შედეგად. ეს ენერგია ნელა მიდის კონტაქტის წერტილიდან დანარჩენი თავდაპირველი გაგრილების ობიექტისკენ, სანამ არ მიიღწევა თერმული წონასწორობა.

ყველა ობიექტი ან ნივთიერება არ ასრულებს ენერგიას ამ გზით თანაბრად კარგად. ზოგიერთ მასალას, რომელსაც კარგ თერმულ გამტარებს უწოდებენ, შეუძლია სითბოს ენერგიის გადატანა უფრო მარტივად, ვიდრე სხვა მასალები, რომლებსაც კარგი თერმული იზოლატორები ეწოდება.

თქვენ ალბათ გქონდათ გამოცდილება ასეთ კონდუქტორებთან და იზოლატორებთან თქვენს ყოველდღიურ ცხოვრებაში. ზამთრის ცივ დილას როგორ შეედრება ფეხის ფეხი ფეხის ფილაზე იატაკზე ფეხშიშველი ფეხის ხალიჩაზე გადადგმას? როგორც ჩანს, ხალიჩა რატომღაც თბილია, თუმცა ეს ასე არ არის. ორივე სართული სავარაუდოდ იგივე ტემპერატურაა, მაგრამ კრამიტი ბევრად უკეთესი თერმული კონდუქტორია. ამის გამო, ეს იწვევს სითბოს ენერგიის უფრო სწრაფად დატოვებას თქვენი სხეულისგან.

​კონვექციაარის სითბოს გადაცემის ფორმა, რომელიც ხდება გაზებში ან სითხეებში. გაზები და, ნაკლებად, სითხეები, განიცდიან ტემპერატურის სიმკვრივის ცვლილებას. როგორც წესი, ისინი თბილი, ნაკლებად მკვრივი არიან. ამის გამო და იმის გამო, რომ გაზებში და სითხეებში მოლეკულები თავისუფლად გადაადგილდებიან, თუ ქვედა ნაწილი თბილი გახდება, ის გაფართოვდება და, შესაბამისად, ქვედა სიმკვრივის გამო ზევით აიწევს.

მაგალითად, თუ გაზქურაზე მოათავსეთ წყალი, მაგალითად, ტაფის ფსკერზე წყალი თბება, ფართოვდება და მაღლა ადის ზემოთ, როდესაც ქულერი წყალი იძირება. შემდეგ გაგრილებული წყალი თბება, ფართოვდება და იზრდება და ა.შ. ქმნის კონვექციურ დენებს, რაც იწვევს სითბოს ენერგიის გაფანტვას სისტემაში შერევით მოლეკულების სისტემაში (მოლეკულებისგან განსხვავებით, ყველა იმავე ადგილას რჩება, რადგან ისინი წინ და უკან ხტუნავენ, სხვა.)

კონვექცია არის ის, რომ გამათბობლები საუკეთესოდ მუშაობენ სახლის გასათბობად, თუ ისინი იატაკთან ახლოს არიან მოთავსებული. ჭერთან მოთავსებული გამათბობელი თბება ჰაერს ჭერთან, მაგრამ ის ჰაერი დარჩება.

სითბოს გადაცემის მესამე ფორმააგამოსხივება. რადიაცია არის ენერგიის გადაცემა ელექტრომაგნიტური ტალღების საშუალებით. თბილ ობიექტებს შეუძლიათ ენერგიის გაცემა ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სახით. მაგალითად, ასე აღწევს დედამიწას მზისგან მიღებული სითბოს ენერგია. მას შემდეგ, რაც ეს გამოსხივება მოვა კონტაქტში სხვა ობიექტთან, ამ ობიექტის ატომებს შეუძლიათ ენერგიის მიღება მისი შეწოვით.

ერთი და იგივე მასის ორი სხვადასხვა მასალა განიცდის განსხვავებულ ტემპერატურულ ცვლილებებს, მიუხედავად იმისა, რომ იგივე ჯამური ენერგია დაემატება ე.წ.სპეციფიკური სითბოს ტევადობა. კონკრეტული სითბოს სიმძლავრე დამოკიდებულია მოცემულ მასალაზე. როგორც წესი, მასალის სპეციფიკური სითბოს ტევადობის მნიშვნელობას ეძებთ ცხრილში.

უფრო ფორმალურად, სპეციფიკური სითბური სიმძლავრე განისაზღვრება, როგორც სითბოს ენერგია, რომელიც უნდა დაემატოს ერთ მასაზე, რათა ტემპერატურა ცელსიუსით გაიზარდოს. SI ერთეულები სპეციფიკური სითბური სიმძლავრისთვის, რომლებიც ჩვეულებრივ აღინიშნებაგ, არის J / kgK.

იფიქრეთ ამაზე ასე: დავუშვათ, რომ გაქვთ ორი განსხვავებული ნივთიერება, რომელთა წონაც ზუსტად იგივეა და ზუსტად ერთსა და იმავე ტემპერატურაზეა. პირველ ნივთიერებას აქვს მაღალი სპეციფიკური სითბოს ტევადობა, ხოლო მეორე ნივთიერებას აქვს დაბალი სპეციფიკური სითბოს ტევადობა. ახლა ჩათვალეთ, რომ ზუსტად იგივე რაოდენობის სითბოს ენერგიას დაამატებთ ორივეს. პირველი ნივთიერება - უფრო მაღალი სითბოს ტევადობა - არ მოიმატებს ტემპერატურაზე ისევე, როგორც მეორე ნივთიერება.

არსებობს მრავალი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს იმაზე, თუ როგორ შეიცვლება ნივთიერების ტემპერატურა, როდესაც მოცემული სითბოს ენერგია გადადის მასში. ამ ფაქტორებში შედის მასალის მასა (უფრო მცირე მასა განიცდის უფრო მეტ ტემპერატურულ ცვლილებას მოცემული რაოდენობის სითბოსთვის) და სპეციფიკური სითბოს ტევადობაგ​.

თუ არსებობს სითბოს წყარო, რომელიც ამარაგებს ენერგიასპ, მაშინ დამატებული მთლიანი სითბო დამოკიდებულიაპდა დროტ. ეს არის სითბოს ენერგიაQგაუტოლდებაპ​ × ​ტ​.

ტემპერატურის ცვლილების სიჩქარე კიდევ ერთი საინტერესო ფაქტორია გასათვალისწინებელი. იცვლება თუ არა ობიექტები ტემპერატურაზე მუდმივი სიჩქარით? გამოდის, რომ ცვლილების სიჩქარე დამოკიდებულია ტემპერატურის სხვაობაზე ობიექტსა და მის შემოგარენში. ნიუტონის გაგრილების კანონი აღწერს ამ ცვლილებას. რაც უფრო ახლოსაა ობიექტი გარემო ტემპერატურასთან, მით უფრო ნელა უახლოვდება წონასწორობას.

ფორმულა, რომელიც უკავშირდება ტემპერატურის ცვლილებას ობიექტის მასაზე, სპეციფიკურ სითბოს ტევადობასა და დამატებულ ან ამოღებულ სითბოს ენერგიაზე შემდეგია:

ეს ფორმულა გამოიყენება მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ნივთიერება არ განიცდის ფაზის ცვლილებას. როდესაც ნივთიერება იცვლება მყარიდან თხევადი ან იცვლება თხევადიდან გაზზე, მას ემატება სითბო გამოიყენოს ამ ფაზის ცვლილების გამომწვევი მიზეზი და არ გამოიწვევს ტემპერატურის შეცვლას ფაზის შეცვლამდე სრული

სიდიდე, რომელსაც ეწოდება შერწყმის ლატენტური სითბო, აღინიშნებალ_ვ, აღწერს რამდენი სითბოს ენერგიაა ერთ მასაზე, რომ ნივთიერება მყარიდან თხევადი გახდეს. ისევე, როგორც სპეციფიკური სითბოს ტევადობის შემთხვევაში, მისი მნიშვნელობა დამოკიდებულია მოცემული მასალის ფიზიკურ თვისებებზე და ხშირად იხილავს ცხრილებს. განტოლება, რომელიც უკავშირდება სითბოს ენერგიასQმასალის მასაზემდა შერწყმის ფარული სითბოა:

იგივე ხდება თხევადიდან გაზზე გადასვლისას. ასეთ ვითარებაში აღინიშნა სიდიდე, რომელსაც ეწოდება ორთქლის ფარული სითბოლ_ვ, აღწერს რამდენი ენერგია უნდა დაემატოს ერთეულ მასაზე, ფაზის შეცვლა რომ გამოიწვიოს. შედეგად მიღებული განტოლება იდენტურია, გარდა გამონაკლისისა:

შინაგანი ენერგიაეარის მთლიანი შიდა კინეტიკური ენერგია, ან თერმული ენერგია მასალაში. ვთქვათ იდეალური გაზი, სადაც ნებისმიერი პოტენციური ენერგია მოლეკულებს შორის უმნიშვნელოა, იგი მოცემულია ფორმულით:

სადნარის moles,თარის ტემპერატურა კელვინში და გაზის უნივერსალური მუდმივარ= 8.3145 J / molK. შინაგანი ენერგია ხდება 0 J აბსოლუტურად 0 K– ზე.

თერმოდინამიკაში, ურთიერთობა შინაგანი ენერგიის ცვლილებებს, სითბოს გადაცემასა და სისტემაში ან მის მიერ შესრულებულ სამუშაოს შორის უკავშირდება:

ეს ურთიერთობა ცნობილია, როგორც თერმოდინამიკის პირველი კანონი. სინამდვილეში ეს არის ენერგიის შენარჩუნების განცხადება.