Kas ir siltuma jauda?

Siltuma jauda ir fizikas termins, kas apraksta, cik daudz siltuma vielai jāpievieno, lai paaugstinātu tās temperatūru par 1 grādu pēc Celsija. Tas ir saistīts, bet atšķiras no īpašs karstums, kas ir siltuma daudzums, kas nepieciešams, lai precīzi palielinātu vielas 1 gramu (vai kādu citu fiksētu masas vienību) par 1 grādu pēc Celsija. Vielas siltuma jaudas C atvasināšana no īpatnējā siltuma S ir jāreizina ar daudzumu vielas klātbūtnes un pārliecinoties, ka visā vienumā izmantojat vienas un tās pašas masas vienības problēmu. Siltuma jauda, ​​skaidri runājot, ir objekta spēja pretoties sasilšanai, pievienojot siltumenerģiju, indekss.

Matērija var pastāvēt kā cieta viela, šķidrums vai gāze. Gāzu gadījumā siltuma jauda var būt atkarīga gan no apkārtējā spiediena, gan no apkārtējās vides temperatūras. Zinātnieki bieži vēlas uzzināt gāzes siltuma jaudu pie pastāvīga spiediena, savukārt citiem mainīgajiem, piemēram, temperatūrai, ir atļauts mainīties; to sauc par C_lpp. Līdzīgi var būt noderīgi noteikt gāzes siltuma jaudu pie nemainīga tilpuma vai C

Pirms sākt diskusiju par siltuma jaudu un īpatnējo siltumu, vispirms ir lietderīgi saprast siltuma pārneses pamatus fizikā un siltuma jēdzienu kopumā, un iepazīstieties ar dažiem disciplīnas pamatvienādojumiem.

Termodinamika ir fizikas nozare, kas nodarbojas ar sistēmas darbu un enerģiju. Darbam, enerģijai un siltumam fizikā ir vienādas vienības, neskatoties uz to, ka tām ir atšķirīga nozīme un pielietojums. SI (starptautiskā standarta) siltuma vienība ir džouls. Darbs tiek definēts kā spēks, kas reizināts ar attālumu, tāpēc, ņemot vērā SI vienības katram no šiem lielumiem, džouls ir tas pats, kas ņūtonmetrs. Citas vienības, ar kurām, visticamāk, sastapsieties siltuma dēļ, ir kalorijas (cal), britu termālās vienības (btu) un erg. (Ņemiet vērā, ka pārtikas kaloriju etiķetēs redzamās "kalorijas" patiesībā ir kilokalorijas, "kilo-" ir grieķu valodas prefikss, kas apzīmē "viens tūkstotis"; tādējādi, ievērojot, ka, piemēram, 12 unces soda kannā ir 120 "kalorijas", tas faktiski ir vienāds ar 120 000 kalorijām formālā fiziskā izteiksmē.)

Gāzes izturas atšķirīgi no šķidrumiem un cietām vielām. Tāpēc fiziķi aerodinamikas un ar to saistīto disciplīnu pasaulē, kuri dabiski ļoti rūpējas par gaisa un citu gāzu uzvedību savā darbā ar ātrgaitas motoriem un lidmašīnām ir īpaši nobažījušies par siltuma jaudu un citiem skaitliski izsakāmiem fizikālajiem parametriem, kas saistīti ar vielu Valsts. Viens piemērs ir entalpija, kas ir slēgtas sistēmas iekšējā siltuma rādītājs. Tā ir sistēmas enerģijas summa, pieskaitot tās spiediena un tilpuma reizinājumu:

H = E + PV

Precīzāk, entalpijas izmaiņas ir saistītas ar gāzes tilpuma izmaiņām attiecībās:

∆H = E + P∆V

Grieķu simbols ∆ jeb delta pēc fizikas un matemātikas nozīmē "pārmaiņas" vai "atšķirība". Turklāt jūs varat pārbaudīt, vai spiediena reizes tilpums dod darba vienības; spiedienu mēra ņūtonos / m², bet tilpumu var izteikt m³.

Arī gāzes spiediens un tilpums ir saistīti ar vienādojumu:

P∆V = R∆T

kur T ir temperatūra, un R ir konstante, kurai katrai gāzei ir atšķirīga vērtība.

Šie vienādojumi nav jāpievieno atmiņai, bet tie tiks apskatīti vēlāk diskusijā par C_lpp un C_v.

Kā atzīmēts, siltuma jauda un īpatnējais siltums ir saistīti lielumi. Pirmais faktiski rodas no otrā. Īpašais siltums ir stāvokļa mainīgais, kas nozīmē, ka tas attiecas tikai uz vielas raksturīgajām īpašībām, nevis uz to, cik daudz tā ir. Tāpēc to izsaka kā siltumu uz masas vienību. Savukārt siltuma jauda ir atkarīga no tā, cik daudz attiecīgās vielas notiek siltuma pārnese, un tas nav stāvokļa mainīgais.

Visām matērijām ir saistīta temperatūra. Varbūt tas nav pirmais, kas ienāk prātā, pamanot kādu priekšmetu ("Nez, cik silta ir tā grāmata?"), Bet pa ceļam, iespējams, jums ir uzzināja, ka zinātniekiem nekad nav izdevies sasniegt absolūtas nulles temperatūru nekādos apstākļos, kaut arī viņi ir nonākuši mokoši tuvu. (Iemesls, kādēļ cilvēki vēlas darīt kaut ko tādu, ir saistīts ar ārkārtīgi augstām aukstuma materiālu vadītspējas īpašībām; iedomājieties tikai fiziskā elektrības vadītāja vērtību bez praktiskas pretestības.) Temperatūra ir molekulu kustības mērs. Cietos materiālos viela ir izvietota režģī vai tīklā, un molekulas nevar brīvi pārvietoties. Šķidrumā molekulas var brīvāk pārvietoties, taču tās joprojām ir lielā mērā ierobežotas. Gāzē molekulas var pārvietoties ļoti brīvi. Jebkurā gadījumā vienkārši atcerieties, ka zemā temperatūra nozīmē nelielu molekulu kustību.

Ja vēlaties pārvietot objektu, ieskaitot sevi, no vienas fiziskās vietas uz citu, jums to tērēt - vai arī veikt darbu - lai to izdarītu. Jums ir jāceļas un jāiet pāri istabai, vai arī jāpiespiež automašīnas gāzes pedālis, lai caur degvielu darbinātu degvielu un piespiestu automašīnu kustēties. Līdzīgi, mikrolīmenī enerģijas ievade sistēmā ir nepieciešama, lai tās molekulas kustētos. Ja šī enerģijas ievade ir pietiekama, lai izraisītu molekulārās kustības pieaugumu, tad, pamatojoties uz iepriekš minēto diskusiju, tas noteikti nozīmē, ka paaugstinās arī vielas temperatūra.

Dažādām parastajām vielām raksturīgās siltuma vērtības ir ļoti atšķirīgas. Starp metāliem, piemēram, zelts tiek reģistrēts pie 0,129 J / g ° C, tas nozīmē, ka ar 0,129 džouliem siltuma pietiek, lai paaugstinātu 1 grama zelta temperatūru par 1 grādu pēc Celsija. Atcerieties, ka šī vērtība nemainās, pamatojoties uz esošā zelta daudzumu, jo masa jau tiek uzskaitīta konkrēto siltuma vienību saucējā. Tā tas nav siltuma jaudas gadījumā, kā jūs drīz atklāsiet.

Daudzus ievadfizikas studentus pārsteidz tas, ka īpatnējais ūdens siltums (4,179) ir ievērojami lielāks nekā parasto metālu siltums. (Šajā rakstā visas īpatnējā siltuma vērtības ir norādītas J / g ° C.) Arī ledus siltuma jauda, ​​2,03, ir mazāka par pusi no ūdens, pat ja abi sastāv no H₂O. Tas parāda, ka savienojuma stāvoklis un ne tikai tā molekulārais sastāvs ietekmē tā īpatnējā siltuma vērtību.

Jebkurā gadījumā sakiet, ka jums tiek lūgts noteikt, cik daudz siltuma nepieciešams, lai paaugstinātu 150 g dzelzs (kura īpatnējais siltums jeb S ir 0,450) temperatūru par 5 C. Kā jūs to darītu?

Aprēķins ir ļoti vienkāršs; reizināt īpatnējo siltumu S ar materiāla daudzumu un temperatūras izmaiņām. Tā kā S = 0,450 J / g ° C, siltuma daudzums, kas jāpievieno J, ir (0,450) (g) (∆T) = (0,450) (150) (5) = 337,5 J. Vēl viens veids, kā to izteikt, ir teikt, ka 150 g dzelzs siltuma jauda ir 67,5 J, kas ir nekas cits kā īpatnējais siltums S reizināts ar esošās vielas masu. Acīmredzot, pat ja šķidrā ūdens siltuma jauda noteiktā temperatūrā ir nemainīga, tas prasītu ievērojami vairāk siltuma sildīt vienu no Lielajiem ezeriem pat par grāda desmitdaļu, nekā tas būtu nepieciešams, lai uzsildītu puslitru ūdens par 1 grādu vai 10 vai pat par grādu 50.

Iepriekšējā sadaļā jūs iepazīstinājāt ar ideju par gāzes iespējamām siltuma jaudām - tas ir, siltuma jaudas vērtībām, kas attiecas uz konkrētu vielu apstākļos, kad temperatūra (T) vai spiediens (P) tiek nemainīgi turēti visā temperatūrā problēmu. Jums tika doti arī pamata vienādojumi ∆H = E + P∆V un P∆V = R∆T.

No pēdējiem diviem vienādojumiem var redzēt, ka vēl viens veids, kā izteikt izmaiņas entalpijā, ∆H, ir:

R + R∆T

Lai gan atvasinājums šeit nav sniegts, viens no veidiem, kā izteikt pirmo termodinamikas likumu, kas attiecas uz slēgtās sistēmās un kuras jūs, iespējams, dzirdējāt sarunvalodā kā “Enerģija netiek ne radīta, ne iznīcināta”. ir:

∆E = C_v∆T

Vienkāršā valodā tas nozīmē, ka tad, kad sistēmai, ieskaitot gāzi, tiek pievienots noteikts enerģijas daudzums, un šīs gāzes tilpumam nav atļauts mainīties (to norāda V indekss C_v), tā temperatūrai ir jāpalielinās tieši proporcionāli šīs gāzes siltuma jaudas vērtībai.

Starp šiem mainīgajiem lielumiem pastāv vēl viena saistība, kas ļauj iegūt siltuma jaudu pie pastāvīga spiediena C_p, nevis konstants tilpums. Šīs attiecības ir vēl viens veids, kā aprakstīt entalpiju:

∆H = C_lpp∆T

Ja jūs esat prasmīgs algebrā, varat sasniegt kritiskas attiecības starp C_v un C_lpp:

C_lpp = C_v + R

Tas ir, gāzes siltuma jauda pie nemainīga spiediena ir lielāka par tās siltuma jaudu pie nemainīga tilpuma ar kādu konstanti R, kas ir saistīta ar pārbaudāmās gāzes īpašajām īpašībām. Tam ir intuitīva jēga; ja jūs iedomājaties, ka gāzei ir atļauts izplesties, reaģējot uz pieaugošo iekšējo spiedienu, jūs droši vien varat to uztvert ka tai būs mazāk jāsasildās, reaģējot uz doto enerģijas pievienošanu, nekā tad, ja tas būtu ierobežots ar to pašu telpa.

Visbeidzot, visu šo informāciju varat izmantot, lai definētu citu vielai specifisku mainīgo γ, kas ir C attiecība_lpp līdz C_vvai C_lpp/ C_v. No iepriekšējā vienādojuma var redzēt, ka šī attiecība palielinās gāzēm ar augstākām R vērtībām.

C_lpp un C_v Gaisa daudzums ir svarīgs gan šķidruma dinamikas pētījumā, jo gaiss (kas sastāv galvenokārt no slāpekļa un skābekļa maisījuma) ir visizplatītākā gāze, ar kuru cilvēki saskaras. Gan C_lpp un C_v ir atkarīgi no temperatūras un nav precīzi tādā pašā mērā; kā tas notiek, C_v paaugstinoties temperatūrai, paaugstinās nedaudz ātrāk. Tas nozīmē, ka "konstante" y patiesībā nav nemainīga, bet tā ir pārsteidzoši tuvu iespējamo temperatūru diapazonā. Piemēram, pie 300 grādiem Kelvina vai K (vienāds ar 27 C) γ vērtība ir 1,400; pie 400 K temperatūras, kas ir 127 C un ievērojami pārsniedz ūdens viršanas temperatūru, γ vērtība ir 1,395.