რა არის სითბოს მოცულობა?

სითბოს მოცულობა ფიზიკაში არის ტერმინი, სადაც აღწერილია რამდენი სითბო უნდა დაემატოს ნივთიერებას, რომ ტემპერატურა 1 გრადუსით გაიზარდოს. ეს დაკავშირებულია, მაგრამ განსხვავდება სპეციფიკური სითბო, ეს არის სითბოს რაოდენობა, რომელიც საჭიროა 1 გრადუსი ცელსიუსით ნივთიერების ზუსტად 1 გრამის (ან მასის სხვა ფიქსირებული ერთეულის) ასამაღლებლად. ნივთიერების სითბოს ტევადობის C მისი სპეციფიკური სითბოსგან S მიღებას წარმოადგენს თანხის გამრავლების საკითხი იმ ნივთიერების, რომელიც არსებობს და დარწმუნდით, რომ მასის ერთსა და იმავე ერთეულებს იყენებთ მთელ ტერიტორიაზე პრობლემა სითბური სიმძლავრე, მარტივი თვალსაზრისით, წარმოადგენს ობიექტის შესაძლებლობის აღდგენას, რომ თბური ენერგიის დამატებით თბება.

მატერია შეიძლება არსებობდეს როგორც მყარი, თხევადი ან გაზი. გაზების შემთხვევაში, სითბოს ტევადობა შეიძლება დამოკიდებული იყოს როგორც ატმოსფერულ წნევაზე, ასევე გარემოს ტემპერატურაზე. მეცნიერებს ხშირად სურთ იცოდეთ გაზის სითბოს ტევადობა მუდმივ წნევაზე, ხოლო სხვა ცვლადები, როგორიცაა ტემპერატურა, დაშვებულია; ეს ცნობილია როგორც C_გვ

სანამ დაიწყებთ დისკუსიას სითბური სიმძლავრის და სპეციფიკური სითბოს შესახებ, პირველ რიგში გასაგებია სითბოს გადაცემის საფუძვლები ფიზიკაში და ზოგადად სითბოს კონცეფციაში და გაეცანით დისციპლინის ზოგიერთ ფუნდამენტურ განტოლებას.

თერმოდინამიკა ფიზიკის ის დარგია, რომელიც სისტემის მუშაობასა და ენერგიას ეხება. სამუშაო, ენერგია და სითბო ფიზიკაში ერთნაირი ერთეულია, მიუხედავად იმისა, რომ მათ აქვთ სხვადასხვა მნიშვნელობა და გამოყენება. SI (სტანდარტული საერთაშორისო) სითბოს ერთეული არის ჯოული. სამუშაო განისაზღვრება, როგორც მანძილი გამრავლებული ძალა, ასე რომ, თითოეული ამ სიდიდისთვის SI– ს ერთეულებზე თვალის გადავლებით, ჯული იგივეა, რაც ნიუტნ – მეტრი. სხვა ერთეულები, რომლებსაც სავარაუდოდ შეხვდებით სითბოსთვის, მოიცავს კალორიებს (კალ), ბრიტანულ თერმულ ერთეულებს (btu) და ერგს. (გაითვალისწინეთ, რომ "კალორია", რომელსაც საკვების კვების ეტიკეტზე ხედავთ, სინამდვილეში კილოკალორიაა, "კილო" არის ბერძნული პრეფიქსი, რომელიც აღნიშნავს "ათასს"; ამრიგად, როდესაც დააკვირდებით, რომ ვთქვათ, 12 უნციაანი სოდა შეიცავს 120 "კალორიას", ეს ფაქტობრივად უდრის 120,000 კალორიას ფორმალური ფიზიკური თვალსაზრისით.)

გაზები განსხვავებულად იქცევიან სითხეებისა და მყარი მასალისგან. ამიტომ ფიზიკოსები აეროდინამიკისა და მასთან დაკავშირებული დისციპლინების სამყაროში, რომლებიც ბუნებრივად ზრუნავენ თავიანთ მუშაობაში ჰაერისა და სხვა გაზების ქცევით. მაღალსიჩქარიანი ძრავებით და საფრენი აპარატებით, განსაკუთრებული შეშფოთება აქვთ სითბოს ტევადობასა და ამ რაოდენობასთან დაკავშირებულ სხვა რაოდენობრივ ფიზიკურ პარამეტრებთან დაკავშირებით. სახელმწიფო ერთი მაგალითია ენთალპია, რაც დახურული სისტემის შიდა სითბოს საზომია. ეს არის სისტემის ენერგიის ჯამი, პლუს მისი წნევისა და მოცულობის პროდუქტი:

H = E + PV

უფრო კონკრეტულად, ენთალპიის ცვლილება უკავშირდება გაზის მოცულობის ცვლილებას ურთიერთმიმართების მიხედვით:

∆H = E + P∆V

ბერძნული სიმბოლო or, ან დელტა, ნიშნავს ”ცვლილებას” ან ”განსხვავებას” ფიზიკისა და მათემატიკის კონვენციით. გარდა ამისა, თქვენ შეგიძლიათ დაადასტუროთ, რომ წნევის დროის მოცულობა იძლევა მუშაობის ერთეულებს; წნევა იზომება ნიუტონში / მ², ხოლო მოცულობა შეიძლება გამოხატული იყოს m- ით³.

ასევე, გაზის წნევა და მოცულობა უკავშირდება განტოლებას:

P∆V = R∆T

სადაც T არის ტემპერატურა და R არის მუდმივი, რომელსაც აქვს განსხვავებული მნიშვნელობა თითოეული გაზისთვის.

თქვენ არ გჭირდებათ მეხსიერებისათვის ამ განტოლებების მიცემა, მაგრამ ისინი გადაიხედება შემდეგ დისკუსიაში C– ს შესახებ_გვ და გ_ვ.

როგორც აღინიშნა, სითბოს ტევადობა და სპეციფიკური სითბო დაკავშირებული სიდიდეებია. პირველი რეალურად წარმოიშობა მეორედან. სპეციფიკური სითბო არის სახელმწიფო ცვლადი, რაც ნიშნავს, რომ იგი ეხება მხოლოდ ნივთიერების შინაგან თვისებებს და არა იმას, თუ რამდენად არის ეს წარმოდგენილი. ამიტომ იგი გამოხატულია სითბოს სახით ერთ მასაზე. მეორეს მხრივ, სითბოს მოცულობა დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენადაა განხილული ნივთიერება სითბოს გადაცემაში და ეს არ არის სახელმწიფო ცვლადი.

ყველა საკითხს აქვს მასთან დაკავშირებული ტემპერატურა. ეს შეიძლება არ იყოს პირველი, რაც გაგიხსენდებათ ობიექტის შემჩნევისას ("მაინტერესებს რამდენად თბილია ეს წიგნი?"), მაგრამ გზაში შეიძლება გქონდეთ შეიტყვეს, რომ მეცნიერებს ვერასოდეს მიაღწიეს აბსოლუტური ნულის ტემპერატურას არავითარ პირობებში, თუმცა ისინი ტანჯვით მოვიდნენ დახურვა (მიზეზი, რომ ხალხი მიზნად ისახავს ასეთი საქმის გაკეთებას, ძალიან ცივი მასალების ძალიან მაღალი გამტარობის თვისებებს უკავშირდება; უბრალოდ იფიქრეთ ფიზიკური ელექტროენერგიის გამტარის მნიშვნელობაზე, რომელსაც პრაქტიკულად არ აქვს წინააღმდეგობა.) ტემპერატურა არის მოლეკულების მოძრაობის საზომი. მყარ მასალებში, ნივთიერება განლაგებულია ქსელში ან ბადეში და მოლეკულები თავისუფალია გადაადგილებისთვის. სითხეში მოლეკულები უფრო თავისუფლად მოძრაობენ, მაგრამ ისინი მაინც შეზღუდულნი არიან დიდწილად. გაზში მოლეკულას ძალზე თავისუფლად შეუძლია მოძრაობა. ნებისმიერ შემთხვევაში, გახსოვდეთ, რომ დაბალი ტემპერატურა გულისხმობს მცირე მოლეკულურ მოძრაობას.

როდესაც გსურთ ობიექტის, მათ შორის საკუთარი თავის ერთი ფიზიკური მდებარეობიდან მეორეში გადატანა, ამისათვის ენერგია უნდა დახარჯოთ - ან სხვაგვარად უნდა იმუშაოთ. თქვენ უნდა ადგეთ და გაიაროთ ოთახი, ან უნდა დააჭიროთ მანქანის ამაჩქარებლის პედლს, რომ ძრავა აიძულოთ მისი ძრავით და აიძულოთ მანქანა გადაადგილდეს. ანალოგიურად, მიკრო დონეზე, საჭიროა ენერგიის შეტანა სისტემაში, მისი მოლეკულების გადასაადგილებლად. თუ ენერგიის ეს შეყვანა საკმარისია მოლეკულური მოძრაობის ზრდისთვის, მაშინ ზემოთ განხილულიდან გამომდინარე, ეს ნიშნავს, რომ ნივთიერების ტემპერატურაც იზრდება.

სხვადასხვა საერთო ნივთიერებებს გააჩნიათ სპეციფიკური სითბოს საკმაოდ განსხვავებული მნიშვნელობები. მაგალითად, ლითონებს შორის, ოქროს შემოწმება ხდება 0.129 J / g ° C ტემპერატურაზე, რაც ნიშნავს, რომ 0.129 ჯოული სითბო საკმარისია 1 გრამი ოქროს ტემპერატურის 1 გრადუსით ასამაღლებლად. გახსოვდეთ, ეს მნიშვნელობა არ იცვლება წარმოდგენილი ოქროს რაოდენობის გათვალისწინებით, რადგან მასა უკვე აღირიცხება კონკრეტული სითბოს ერთეულების მნიშვნელში. ასეთი არ არის სითბოს სიმძლავრე, როგორც ამას მალე აღმოაჩენთ.

შესავალი ფიზიკის ბევრ სტუდენტს უკვირს, რომ წყლის სპეციფიკური სითბო, 4.179, მნიშვნელოვნად მეტია, ვიდრე ჩვეულებრივი ლითონებისა. (ამ სტატიაში, სპეციფიკური სითბოს ყველა მნიშვნელობა მოცემულია J / g ° C). ასევე, ყინულის სითბოს ტევადობა, 2.03, წყლის ნახევარზე ნაკლებია, მიუხედავად იმისა, რომ ორივე შედგება H₂ო. ეს გვიჩვენებს, რომ ნაერთის მდგომარეობა და არა მხოლოდ მისი მოლეკულური შემადგენლობა, ახდენს გავლენას მისი სპეციფიკური სითბოს მნიშვნელობაზე.

ნებისმიერ შემთხვევაში, თქვით, რომ მოგეთხოვებათ განსაზღვროთ, თუ რამდენი სითბოა საჭირო 150 გრ რკინის ტემპერატურაზე (რომელსაც აქვს კონკრეტული სითბო, ან S, 0.450) 5 C- ით. როგორ აპირებდით ამას?

გაანგარიშება ძალიან მარტივია; გავამრავლოთ სპეციფიკური სითბო S მასალის რაოდენობაზე და ტემპერატურის ცვლილებაზე. რადგან S = 0.450 J / g ° C, სითბოს რაოდენობა, რომელიც უნდა დაემატოს J- ში, არის (0.450) (g) (∆T) = (0.450) (150) (5) = 337.5 J. ამის გამოხატვის კიდევ ერთი გზაა იმის თქმა, რომ 150 გრ რკინის სითბოს ტევადობაა 67,5 J, რაც სხვა არაფერია, თუ არა კონკრეტული სითბო S გამრავლებული ნივთიერების მასაზე. ცხადია, მიუხედავად იმისა, რომ თხევადი წყლის სითბოს ტევადობა მოცემულ ტემპერატურაზე მუდმივია, მას გაცილებით მეტი სითბო დასჭირდება თბილი ერთი დიდი ტბის მეათედი ხარისხითაც კი, ვიდრე დასჭირდებოდა 1 კგ წყლის, ან 10 ან თუნდაც გაცხელება 50.

წინა განყოფილებაში გაეცანით აირების პირობითი სითბოს შესაძლებლობების იდეას - ეს არის სითბოს სიმძლავრის მნიშვნელობები ვრცელდება მოცემულ ნივთიერებაზე იმ პირობებში, როდესაც ტემპერატურა (T) ან წნევა (P) მუდმივად შენარჩუნებულია მთელ ტერიტორიაზე პრობლემა ასევე მოგეცათ ძირითადი განტოლებები ∆H = E + P∆V და P∆V = R∆T.

ამ ორი ბოლო განტოლებიდან ხედავთ, რომ ენთალპიაში ცვლილების გამოხატვის კიდევ ერთი გზა, ∆H, არის:

E + R∆T

მიუხედავად იმისა, რომ აქ არანაირი დერივაცია არ არის მოცემული, თერმოდინამიკის პირველი კანონის გამოხატვის ერთ-ერთი გზა, რომელიც ეხება დახურული სისტემები და რომელთა შესახებაც შეიძლება სასაუბროდ გსმენიათ, როგორც ”ენერგია არც იქმნება და არც განადგურებულია” არის:

∆E = C_ვT

უბრალო ენაზე, ეს ნიშნავს, რომ როდესაც სისტემაში გარკვეული ენერგია ემატება გაზის ჩათვლით, და ამ გაზის მოცულობის შეცვლა დაუშვებელია (მითითებულია V ქვეპუნქტით C_ვ), მისი ტემპერატურა უნდა გაიზარდოს ამ გაზის სითბოს ტევადობის მნიშვნელობის პირდაპირპროპორციულად.

ამ ცვლადებს შორის კიდევ ერთი კავშირი არსებობს, რაც საშუალებას იძლევა მუდმივი წნევის დროს სითბოს სიმძლავრე გამოვიდეს, C_გვ, ვიდრე მუდმივი მოცულობა. ეს ურთიერთობა არის ენთალპიის აღწერის კიდევ ერთი გზა:

∆H = C_გვT

თუ ალგებრში ხართ მოწონებული, შეგიძლიათ მიაღწიოთ კრიტიკულ ურთიერთობას C- ს შორის_ვ და გ_გვ:

გ_გვ = გ_ვ + რ

ანუ, მუდმივი წნევის ქვეშ მყოფი აირის სითბოს ტევადობა უფრო მეტია, ვიდრე მისი სითბოს ტევადობა მუდმივ მოცულობაში გარკვეული მუდმივი R- ით, რაც დაკავშირებულია კონტროლირებადი გაზის სპეციფიკურ თვისებებთან. ამას აქვს ინტუიციური აზრი; თუ წარმოიდგინეთ, გაზს გაფართოების საშუალება აქვს შინაგანი წნევის გაზრდის საპასუხოდ, თქვენ ალბათ წარმოიდგენთ რომ მას ნაკლები დათბობა მოუწევს ენერგიის მოცემული დამატების საპასუხოდ, ვიდრე იმავეით იყო შეზღუდული სივრცე

დაბოლოს, შეგიძლიათ გამოიყენოთ მთელი ეს ინფორმაცია ნივთიერების სპეციფიკური სხვა ცვლადის, γ- ს დასადგენად, რომელიც C- ს თანაფარდობაა_გვ C- მდე_ვ, ან C_გვ/ გ_ვ. წინა განტოლებიდან ხედავთ, რომ ეს თანაფარდობა იზრდება გაზებისათვის R– ის უფრო მაღალი მნიშვნელობებით.

C_გვ და გ_ვ ჰაერი ორივე მნიშვნელოვანია სითხის დინამიკის შესასწავლად, რადგან ჰაერი (ძირითადად აზოტისა და ჟანგბადის ნარევისგან შედგება) ყველაზე გავრცელებული გაზია, რომელსაც ადამიანი განიცდის. ორივე გ_გვ და გ_ვ ტემპერატურაზეა დამოკიდებული და არა ზუსტად იმავე ზომით; როგორც ეს ხდება, C_ვ ოდნავ უფრო სწრაფად იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად. ეს ნიშნავს, რომ "მუდმივი" γ არ არის სინამდვილეში მუდმივი, მაგრამ ის საოცრად ახლოსაა სავარაუდო ტემპერატურის დიაპაზონში. მაგალითად, კელვინის 300 გრადუსზე, ან K- ზე (ტოლია 27 C), γ- ის მნიშვნელობა 1.400; 400 K ტემპერატურაზე, რომელიც არის 127 C და მნიშვნელოვნად აღემატება წყლის დუღილის წერტილს, γ ღირებულებაა 1,395.