Mis on soojusvõimsus?

Sisu

• Termodünaamika teadus
• Mis on soojusvõimsus?
• Soojusmaht: lihtsad arvutused
• Milline on Cp ja Cv suhe γ?
• Õhu Cp ja Cv

Soojusmahtuvus on füüsikas kasutatav termin, mis kirjeldab, kui palju soojust tuleb ainele lisada, et selle temperatuuri tõsta 1 kraadi võrra. See on seotud, kuid eristub spetsiifiline kuumus, mis on aine kogus, mis on vajalik 1 grammi (või mõne muu fikseeritud massiühiku) tõstmiseks 1 kraadi Celsiuse järgi. Ainete soojusmahu C tuletamine selle spetsiifilisest soojusest S on vajalik korrutada olemasoleva aine kogusega ja veenduda, et kasutate kogu probleemi vältel samu massiühikuid. Soojusvõimsus on lihtsustatult näitaja, mis näitab objektide vastupidavust soojusenergia lisamisega.

Aine võib esineda tahke aine, vedeliku või gaasina. Gaaside puhul võib soojusmaht sõltuda nii ümbritsevast rõhust kui ka ümbritseva õhu temperatuurist. Teadlased soovivad sageli teada püsival rõhul oleva gaasi soojusmahtuvust, samal ajal kui muudel muutujatel, näiteks temperatuuril, lastakse muutuda; seda nimetatakse C-ks_lk. Samamoodi võib olla kasulik määrata gaaside soojusmahtuvus konstantse ruumala või C juures_v. C suhe_lk C juurde_v pakub olulist teavet gaasi termodünaamiliste omaduste kohta.

Termodünaamika teadus

Enne soojusmahtuvuse ja spetsiifilise soojuse arutelu alustamist on kasulik kõigepealt mõista füüsika soojusülekande aluseid ja üldiselt kuumuse mõistet ning tutvuda mõne distsipliini põhivõrrandiga.

Termodünaamika on füüsika haru, mis tegeleb süsteemi töö ja energiaga. Tööl, energial ja soojusel on kõigil füüsikas samad ühikud, hoolimata nende erinevast tähendusest ja rakendusest. SI (standardne rahvusvaheline) soojusühik on džaul. Töö määratletakse jõuna, mis on korrutatud vahega, nii et kui vaadata nende koguste SI-ühikuid, on džaul sama asi kui newton-meeter. Muud ühikud, mida tõenäoliselt soojuse käes ilmnevad, on kalorite arv (cal), Briti termilised ühikud (btu) ja erg.(Pange tähele, et "toitumisalaste etikettide nähtavad kalorid" on tegelikult kilokalorid, "kilo-" on kreekakeelne eesliide, mis tähistab "tuhat"; seega, kui näete, et näiteks 12-untsine soodapurk sisaldab 120 " kaloreid ", see võrdub formaalselt füüsilises mõttes 120 000 kaloriga.)

Gaasid käituvad erinevalt vedelikest ja kuivainetest. Seetõttu on aerodünaamika ja sellega seotud erialade füüsikud, kes on loomulikult väga mures õhu ja muude gaaside käitumise üle kiirmootorite ja lendavate masinatega töötades, erilisi muresid soojusmahtuvuse ja muude kvantifitseeritavate füüsikaliste parameetrite pärast selles olekus oluliseks. Üks näide on entalpia, mis on suletud süsteemi sisemise soojuse mõõt. See on süsteemi energia summa pluss selle rõhu ja mahu korrutis:

H = E + PV

Täpsemalt, entalpia muutus on seotud gaasi mahu muutumisega seose kaudu:

∆H = E + P∆V

Kreeka sümbol ∆ või delta tähendab füüsika ja matemaatika tavapäraselt "muutust" või "erinevust". Lisaks saate kontrollida, kas rõhu ja mahu väärtus annab tööühikud; rõhku mõõdetakse njuutonites / m², samas kui ruumala võib väljendada meetrites³.

Samuti on gaasi rõhk ja maht seotud võrrandiga:

P∆V = R∆T

kus T on temperatuur ja R on konstant, millel on iga gaasi korral erinev väärtus.

Neid võrrandeid ei pea te mällu siduma, kuid neid käsitletakse hiljem C-teemalises arutelus_lk ja C_v.

Mis on soojusvõimsus?

Nagu märgitud, on soojusmahtuvus ja erisoojus omavahel seotud kogused. Esimene tuleneb tegelikult teisest. Erisoojus on olekumuutuja, mis tähendab, et see on seotud ainult aine olemuslike omadustega, mitte aga sellega, kui palju ainet selles on. Seetõttu väljendatakse seda soojusühikuna massiühiku kohta. Soojuse läbilaskevõime seevastu sõltub sellest, kui suurel osal kõnealusest ainest toimub soojusülekanne, ja see ei ole olekumuutuja.

Kõigil mateeriatel on sellega seotud temperatuur. See ei pruugi olla esimene asi, mis objekti märgates meelde tuleb ("Huvitav, kui soe see raamat on?"), Kuid teel olles võisite teada saada, et teadlastel pole kunagi õnnestunud saavutada absoluutse nulli temperatuuri. mis tahes tingimustel, ehkki nad on jõudnud piinavalt lähedale. (Põhjus, miks inimesed soovivad sellist asja teha, on seotud äärmiselt külmade materjalide eriti kõrgete juhtivusomadustega; mõelge vaid füüsilise elektrijuhi väärtusele, millel praktiliselt puudub takistus.) Temperatuur on molekulide liikumise mõõt. . Tahketes materjalides on aine paigutatud võresse või võre ja molekulidel pole liikumisvabadust. Vedelikus on molekulid vabamalt liikuda, kuid need on endiselt suures osas piiratud. Gaasis võivad molekulid väga vabalt liikuda. Igal juhul pidage meeles, et madal temperatuur tähendab vähest molekulaarset liikumist.

Kui soovite mõnda eset, sealhulgas ennast, teisaldada ühest füüsilisest kohast teise, peate selleks kulutama energiat - või alternatiivselt, tegema tööd. Peate tõusma ja mööda tuba kõndima või peate vajutama auto gaasipedaali, et suruda kütust läbi selle mootori ja sundida autot liikuma. Samamoodi on mikrotasandil vajalik süsteemi sisenemine, et selle molekulid liikuma hakkaksid. Kui sellest energiatarbimisest piisab, et suurendada molekulaarset liikumist, siis eelneva arutluse põhjal tähendab see tingimata, et tõuseb ka aine temperatuur.

Erinevatel tavalistel ainetel on spetsiifilise soojuse väärtused väga erinevad. Näiteks metallide hulgas registreerib kuld temperatuuril 0,129 J / g ° C, mis tähendab, et 0,129 džauli kuumust piisab 1 grammi kulla temperatuuri tõstmiseks 1 kraadi võrra. Pidage meeles, et see väärtus ei muutu olemasoleva kullakoguse põhjal, kuna massi arvestatakse juba konkreetsete soojusüksuste nimetajas. See ei kehti soojusmahtuvuse kohta, nagu peagi avastad.

Soojusmaht: lihtsad arvutused

See üllatab paljusid sissejuhatava füüsika õpilasi, et vee erisoojus 4,179 on tavalistest metallidest tunduvalt kõrgem. (Selles artiklis on kõik spetsiifilise soojuse väärtused esitatud ühikutes J / g ° C.) Samuti on jää soojusmaht 2,03 vähem kui pool vee omast, ehkki mõlemad koosnevad H₂O. See näitab, et ühendi olek ja mitte ainult selle molekulaarne koostis mõjutab selle erisoojuse väärtust.

Igal juhul öelge, et teil palutakse määrata, kui palju soojust on vaja, et tõsta 150 g raua (mille erisoojus ehk S on 0,450) temperatuuri 5 ° C võrra. Kuidas te seda teeksite?

Arvutamine on väga lihtne; korrutage erisoojus S materjali hulga ja temperatuuri muutusega. Kuna S = 0,450 J / g ° C, on J-le lisatav soojuse kogus (0,450) (g) (∆T) = (0,450) (150) (5) = 337,5 J. Veel üks viis väljendamiseks see tähendab, et 150 g raua soojusmaht on 67,5 J, mis on midagi muud kui erisoojus S, mis on korrutatud esineva aine massiga. Ilmselt, isegi kui vedela vee soojusmaht on antud temperatuuril püsiv, kulub ühe Suure järve soojendamiseks isegi kümnendiku kraadi võrra palju rohkem soojust, kui oleks vaja sooja veega ühe soojakraadi soojendamiseks , või 10 või isegi 50.

Milline on Cp ja Cv suhe γ?

Eelmises jaotises tutvustati teile gaaside konstantse soojusmahtuvuse ideed - see tähendab soojusmahtuvuse väärtusi, mis kehtivad antud aine suhtes tingimustes, kus temperatuuri (T) või rõhku (P) hoitakse konstantsena kogu probleemi vältel. Teile anti ka põhivõrrandid ∆H = E + P∆V ja P∆V = R∆T.

Viimasest kahest võrrandist näete, et entalpia muutuse ∆H väljendamiseks on veel üks viis:

E + R∆T

Ehkki siin tuletisi ei pakuta, on üks viis termodünaamika esimese seaduse väljendamiseks, mida kohaldatakse suletud süsteemide suhtes ja mille kohta võisite kuulda, et kõnekeeles öeldakse: "Energiat ei looda ega hävitata".

∆E = C_vT

Lihtsamalt öeldes tähendab see seda, et kui gaasi sisaldavasse süsteemi lisatakse teatud kogus energiat, ei tohi selle gaasi maht muutuda (seda tähistab alaindeks V C-ga)_v), peab selle temperatuur tõusma otseses proportsioonis selle gaasi soojusmahtuvuse väärtusega.

Nende muutujate vahel on veel üks seos, mis võimaldab tuletada soojusmahtu püsival rõhul C_p, mitte püsiv maht. See suhe on veel üks viis entalpia kirjeldamiseks:

∆H = C_lkT

Kui teid algebras on adresseeritud, võite jõuda kriitilise suhteni C vahel_v ja C_lk:

C_lk = C_v + R

See tähendab, et konstantsel rõhul oleva gaasi soojusmaht on suurem kui selle konstantse ruumala soojusvõimsus mingi konstantse R võrra, mis on seotud kontrollitava gaasi spetsiifiliste omadustega. See on intuitiivne; kui kujutate ette, et gaasil lastakse reageerida suurenevale siserõhule, siis võite tõenäoliselt tajuda, et antud energia lisamisel peab see soojenema vähem kui siis, kui see piirduks samas ruumis.

Lõpuks võite kogu selle teabe abil määratleda mõne muu ainespetsiifilise muutuja γ, mis on C suhe_lk C juurde_vvõi C_lk/ C_v. Eelmisest võrrandist näete, et see suhe suureneb kõrgema R väärtusega gaaside korral.

Õhu Cp ja Cv

C_lk ja C_v Õhu sisaldus on mõlemad olulised vedeliku dünaamika uurimisel, kuna õhk (koosneb peamiselt lämmastiku ja hapniku segust) on kõige tavalisem gaas, mida inimesed kogevad. Mõlemad C_lk ja C_v on temperatuurist sõltuvad ja mitte täpselt samal määral; nagu juhtub, C_v tõuseb temperatuuri tõustes veidi kiiremini. See tähendab, et "konstant" y ei ole tegelikult konstantne, kuid on tõenäoliste temperatuuride vahemikus üllatavalt lähedal. Näiteks 300 kraadi Kelvini või K (võrdne 27 C) korral on γ väärtus 1,400; temperatuuril 400 K, mis on 127 C ja mis on märkimisväärselt kõrgem vee keemistemperatuurist, on γ väärtus 1,395.