كمية الحرارة تسمى هذا الجزء. الاختبار التكاملي في الفيزياء "الظواهر الحرارية"
1. الطاقة الداخلية. العمل في الديناميكا الحرارية. كمية الحرارة. القانون الأول للديناميكا الحرارية. تطبيق القانون الأول للديناميكا الحرارية على العمليات المختلفة.
إجابه:
إلى جانب الطاقة الميكانيكية ، تحتوي الأجسام العيانية أيضًا على طاقة داخل الأجسام نفسها. هذه الطاقة تسمى الطاقة الداخلية وتدخل في توازن تحولات الطاقة في الطبيعة.
المحيط هو أكبر مجمع للطاقة الشمسية على الأرض. لا تغطي المياه أكثر من 70 في المائة من سطح كوكبنا فحسب ، بل يمكنها أيضًا امتصاص كميات كبيرة من الحرارة دون ارتفاع كبير في درجة الحرارة. هذه القدرة الهائلة لتخزين وإطلاق الحرارة على مدى فترات طويلة من الزمن تمنح المحيط دورًا مركزيًا في استقرار نظام مناخ الأرض.
تؤدي الزيادة في تركيز غازات الدفيئة إلى منع الحرارة المنبعثة من سطح الأرض من الهروب إلى الفضاء الحر ، كما كان من قبل ؛ يتم تخزين معظم الحرارة الزائدة في أعالي المحيط. نتيجة لذلك ، على مدى العقدين الماضيين ، زاد المحتوى الحراري في الطبقات العليا من المحيط بشكل كبير.
الطاقة الداخلية للجسم العياني تساوي مجموع الطاقات الحركية للحركة العشوائية لجميع جزيئات (أو ذرات) الجسم والطاقات المحتملة لتفاعل جميع الجزيئات مع بعضها البعض (ولكن ليس مع جزيئات الهيئات الأخرى).
صيغة حساب الطاقة الداخلية لأحادي الذرة غاز مثالي:
تتناسب الطاقة الداخلية لغاز أحادي الذرة بشكل مباشر مع درجة حرارته المطلقة.
المصدر الرئيسي لحرارة المحيطات هو ضوء الشمس. بالإضافة إلى ذلك ، تطلق السحب وبخار الماء وغازات الدفيئة الحرارة التي تمتصها ، ويدخل بعض هذه الطاقة الحرارية إلى المحيط. تمزج الأمواج والمد والجزر والتيارات المحيط باستمرار ، حيث تنقل الحرارة من خطوط العرض الأكثر دفئًا إلى برودة وإلى المستويات الأعمق.
الحرارة التي يمتصها المحيط تنتقل من مكان إلى آخر لكنها لا تختفي. تعود الطاقة الحرارية في النهاية إلى بقية نظام الأرض عن طريق ذوبان طبقات الجليد ، أو تبخير المياه ، أو تسخين الغلاف الجوي مباشرة. في هذا الطريق، طاقة حراريةفي المحيط يمكن أن يسخن الكوكب لعقود بعد أن يتم استهلاكه. إذا كان المحيط يمتص حرارة أكثر مما يطلقه ، يزداد محتواه الحراري. إن معرفة مقدار الطاقة الحرارية التي يمتصها المحيط ويطلقها أمر مهم لفهم المناخ العالمي وصياغته.
يُعرَّف العمل في الديناميكا الحرارية بنفس الطريقة كما في الميكانيكا ، ولكنه يساوي التغيير ليس في الطاقة الحركية للجسم ، ولكن في طاقته الداخلية.
أثناء الضغط أو التمدد ، يتغير متوسط الطاقة الكامنة لتفاعل الجزيئات أيضًا ، نظرًا لأن متوسط المسافة بين الجزيئات يتغير في هذه الحالة.
دعونا نحسب الشغل اعتمادًا على التغير في الحجم باستخدام مثال الغاز في أسطوانة أسفل المكبس. أسهل طريقة هي أولاً حساب ليس القوة F المؤثرة على الغاز من جانب الجسم الخارجي (المكبس) ، ولكن الشغل الذي يقوم به الغاز نفسه ، والذي يعمل على المكبس بالقوة F. وفقًا لقانون نيوتن الثالث F "= - F.
تاريخيًا ، بافتراض درجة حرارة المحيط ، كان على السفن هز أجهزة الاستشعار أو عينات المجمعات في الماء. يمكن أن توفر هذه الطريقة التي تستغرق وقتًا طويلاً درجات حرارة لجزء صغير من المحيط الشاسع للكوكب. للحصول على تغطية عالمية ، لجأ العلماء إلى الأقمار الصناعية التي تقيس ارتفاع سطح المحيط. مع ارتفاع درجة حرارة المياه ، يتمدد ، لذلك يمكن اشتقاق تقديرات درجة حرارة المحيط من ارتفاع سطح البحر.
للحصول على صورة أفضل للمحتوى الحراري للمحيط على أعماق مختلفة ، يستخدم العلماء والمهندسون أيضًا مجموعة من الأدوات لقياس درجة الحرارة في الموقع. تنجرف المستشعرات المعروفة باسم Argo Floats ، عبر المحيط على أعماق مختلفة. كل 10 أيام أو نحو ذلك ، وفقًا لتعليماتهم المبرمجة ، يرتفعون عبر الماء ، ويسجلون درجة الحرارة أثناء ارتفاعهم. عندما يصل الطفو إلى السطح ، فإنه يرسل موقعه ومعلومات أخرى إلى العلماء عبر الأقمار الصناعية ثم ينزل مرة أخرى.
معامل القوة المؤثرة من جانب الغاز على المكبس هو F "= pS ، حيث p هو ضغط الغاز ، S هي مساحة سطح المكبس. دع الغاز يتمدد ويتم إزاحة المكبس في اتجاه القوة F "بمسافة صغيرة h = h 2 - h 1. إذا كانت الإزاحة صغيرة ، فيمكن اعتبار ضغط الغاز ثابتًا.
الشغل الذي يقوم به الغاز هو
يمكن التعبير عن هذا العمل من حيث التغيير في حجم الغاز. الحجم الأولي F 1 = Sh 1 ، والحجم النهائي V 2 = Sh 2. لهذا
تشمل أدوات قياس درجة حرارة المحيط الموصلية ودرجة الحرارة وأجهزة قياس حرارة الأعماق القابلة للاستهلاك والحجج العائمة. يقارن العلماء باستمرار البيانات من الأقمار الصناعية والعوامات والمجسات للتأكد من أن القيم التي تخلقها منطقية. يقومون بمعالجة نطاق القياس لحساب تقدير المتوسط العالمي السنوي للمحتوى الحراري للمحيطات كل ثلاثة أشهر. يتيح لك تحويل درجة الحرارة بالجول مقارنة حرارة المحيط بهدف التسخين في أجزاء أخرى من نظام مناخ الأرض.
أكثر من 90 في المائة من الاحترار الذي حدث على الأرض خلال الخمسين عامًا الماضية حدث في المحيط. على الرغم من أن الغلاف الجوي خال تمامًا من ظاهرة الاحتباس الحراري اعتبارًا من اليوم ، إلا أن الحرارة المخزنة بالفعل في المحيط ستنطلق في النهاية ، وستزداد حرارة الأرض في المستقبل.
حيث AV = V 2 - V 1 - تغيير في حجم الغاز.
عند التمدد ، يقوم الغاز بعمل إيجابي ، حيث يتزامن اتجاه القوة واتجاه حركة المكبس. في عملية التمدد ، ينقل الغاز الطاقة إلى الأجسام المحيطة.
إذا تم ضغط الغاز ، فإن صيغة عمل الغاز تظل صالحة. ولكن الآن v2
في الوقت الحالي ، يؤدي ارتفاع درجة حرارة مياه المحيطات إلى ارتفاع مستويات سطح البحر العالمية لأن المياه تتمدد مع ارتفاع درجة حرارتها. إلى جانب المياه الناتجة عن ذوبان الأنهار الجليدية على الأرض ، فإن ارتفاع مستوى البحر يهدد النظم البيئية الطبيعية والهياكل البشرية بالقرب من السواحل في جميع أنحاء العالم. يرتبط احترار مياه المحيطات أيضًا باستنفاد الجروف الجليدية والجليد البحري ، مما له آثار إضافية على نظام مناخ الأرض. أخيرًا ، يهدد ارتفاع درجة حرارة مياه المحيط النظم البيئية البحرية وسبل عيش الناس.
يختلف العمل أ الذي تقوم به الهيئات الخارجية على الغاز عن عمل الغاز أ "فقط في اللافتة: أ \ u003d -A" ،
يمكن إعطاء العمل أ "للغاز في حالة الضغط المستمر تفسيرًا هندسيًا بسيطًا.
لنقم ببناء رسم بياني لاعتماد ضغط الغاز على الحجم (الشكل 162). هنا ، مساحة المستطيل أبج ، التي يحدها الرسم البياني p 1 = const ، والمحور V والقطاعات ab و cd ، التي تساوي ضغط الغاز ، تساوي عدديًا العمل:
على سبيل المثال ، تهدد المياه الدافئة صحة الشعاب المرجانية ، وبالتالي مجتمعات الحياة البحرية التي تعتمد عليها في المأوى والغذاء. في النهاية ، قد يواجه الأشخاص الذين يعتمدون على مصايد الأسماك البحرية في الغذاء والوظائف الآثار السلبية لارتفاع درجة حرارة المحيط.
هناك أنواع مختلفة من فواتير الغاز: فواتير الغاز الحراري والحجمي. إغلاق الفواتير: عادة ما يكون استهلاك الغاز في منطقة التوريد حراريًا ، والذي يتم حسابه بواسطة وحدات الطاقة. يتم قياس كمية الغاز الموردة بالمتر المكعب وتحويلها إلى كيلو وات / ساعة يتم استهلاكها بضربها في قيمة الاستهلاك الاسمية. يأخذ تحويل الأمتار المكعبة إلى كيلو وات / ساعة في الاعتبار القيمة الحرارية والحالة الفيزيائية المقابلة للغاز.
من الممكن تغيير الطاقة الداخلية للغاز في الأسطوانة ليس فقط من خلال العمل ، ولكن أيضًا عن طريق تسخين الغاز.
تسمى عملية نقل الطاقة من جسم إلى آخر دون القيام بأي عمل بنقل الحرارة أو نقل الحرارة.
يُطلق على المقياس الكمي للتغير في الطاقة الداخلية أثناء انتقال الحرارة كمية الحرارة س.
تعتمد هذه الحالة على درجة حرارة الغاز وضغطه ويتم تسجيلها فيما يسمى برقم الحالة. يعطي عدد الحالات مضروبًا في القيمة الحرارية القيمة الحرارية الحرارية. الأمتار المكعبة المقاسة بالمتر مضروبًا في القيمة الحرارية للفواتير تعطي عدد الكيلووات ساعة المطلوب حسابها.
حجم الفواتير: يتم احتساب استهلاك الغاز وفقًا للأمتار المكعبة المستهلكة من الغاز الطبيعي ، على عكس الفواتير الحرارية التي تعتمد على وحدات الطاقة. يتم احتساب مبلغ المبالغ الشهرية المستحقة الدفع على أساس الأسعار الحالية وعلى أساس استهلاك العام الماضي.
كمية الحرارة تسمى الطاقة التي يعطيها الجسم في عملية نقل الحرارة.
أثناء التبادل الحراري عند الحدود بين الأجسام ، تتفاعل جزيئات الجسم البارد التي تتحرك ببطء مع الجزيئات سريعة الحركة في الجسم الساخن. نتيجة لذلك ، تتساوى الطاقات الحركية للجزيئات وتزداد سرعات جزيئات الجسم البارد ، بينما تقل سرعات الجسم الساخن.
الماصات هي أجزاء من نظام حراري شمسي يمتص الإشعاع الشمسي ويحوله إلى حرارة. كقاعدة عامة ، يتم تزويد الأسطح الماصة بطبقة انتقائية ، بحيث يتم امتصاص أكبر قدر ممكن من ضوء الشمس وتوجيهه إلى سائل نقل الحرارة أسفل جهاز الامتصاص. اليوم ، يتم استخدام جهاز امتصاص عالي الجودة بين 90 و 95 ٪ من الإشعاع الشمسي.
يصف الامتصاص عمومًا امتصاص الإشعاع أو مادة بواسطة مادة أخرى. لتكنولوجيات الطاقة ، ولا سيما امتصاص الإشعاع الشمسي وامتصاص المبردات في آلات التبريد أو. مثال 1 عند امتصاص الضوء ، تمتص المادة جزءًا من الإشعاع وتحويله إلى حرارة. الاستعمال: استعادة الحرارة مع الألواح الشمسية.
أثناء التبادل الحراري ، لا يوجد تحويل للطاقة من شكل إلى آخر ؛ يتم نقل جزء من الطاقة الداخلية للجسم الساخن إلى الجسم البارد.
مقدار السعة الحرارية والحرارة.من المعروف من مسار الفيزياء أنه من أجل تسخين جسم كتلته m من درجة الحرارة t x إلى درجة الحرارة t 2 ، من الضروري نقل كمية الحرارة إليه:
المادة الممتصة لها وظيفة المبرد بينما يشار إلى المادة الأخرى بالمذيب. يشار إلى المبردات والمذيبات مجتمعة بزوجين عاملين. أمثلة 3 بروميد الليثيوم يمتص الماء الماء يمتص الأمونيا التطبيق: الثلاجة ، تسخين مضخة الحرارة.
الحرارة المهدرة هي الحرارة التي تتولد كمنتج ثانوي من تشغيل المعدات أو الأنظمة التقنية. بشكل عام ، يجب تبديد هذه الحرارة بشكل مناسب لمنع ارتفاع درجة حرارة الجهاز أو النظام. هناك إمكانات طاقة كبيرة جدًا في إهدار العمليات المختلفة. لذلك أنت تحاول استخدام تلك الحرارة المستهدفة.
عندما يبرد الجسم ، يتبين أن درجة حرارته النهائية t 2 أقل من درجة الحرارة الأولية t 1 وتكون كمية الحرارة المنبعثة من الجسم سالبة.
يُطلق على المعامل c في الصيغة السعة الحرارية النوعية.
حرارة نوعية- هذه هي كمية الحرارة التي يتلقاها 1 كجم من مادة ما أو تنبعث منها عندما تتغير درجة حرارتها بمقدار 1 كلفن.
مثال 1: تقوم محركات السيارات بتحويل جزء فقط من طاقة الوقود إلى طاقة حركية. يتم استخدام الحرارة المهدرة الناتجة لتسخين الداخل. مثال 2: تولد محطة توليد الطاقة حرارة مهدرة يمكن استخدامها كتدفئة محلية.
مثال 3 يمكن أن تساهم المياه العادمة من نظام الصرف الصحي في التشغيل الحراري المربح لمضخة حرارية بسبب درجة حرارتها الموحدة. يستخدم مقياس شدة الريح لقياس سرعة الرياح وهو جزء من التحكم في توربينات الرياح.
لا تعتمد السعة الحرارية المحددة على خصائص المادة فحسب ، بل تعتمد أيضًا على العملية التي يتم من خلالها نقل الحرارة. إذا قمت بتسخين غاز بضغط ثابت ، فسيتمدد ويعمل. لتسخين غاز بمقدار 1 درجة مئوية تحت ضغط ثابت ، يجب نقل المزيد من الحرارة إليه بدلاً من تسخينه بحجم ثابت.
وبالتالي ، فإن مقياس شدة الريح يعمل في حالة العواصف لسلامة الأشياء والمنطقة المحيطة. في حالة أحمال الرياح المنخفضة للغاية ، تقوم آلية الأمان أيضًا بإغلاق المصنع ، حيث لا يُتوقع وجود مخرجات طاقة كبيرة. الغلاف الجوي هو الغلاف الجوي للأرض. يتكون من خليط ثابت من العناصر والمركبات الغازية المختلفة. أهم المكونات هي النيتروجين والأكسجين وبخار الماء والأرجون. بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء ، خاصة الغازات الموجودة بنسب صغيرة هي الميثان ومركبات الكربون الكلورية فلورية.
تتوسع السوائل والمواد الصلبة قليلاً عند تسخينها ، وتختلف سعتها الحرارية النوعية عند الحجم الثابت والضغط الثابت قليلاً.
الحرارة النوعية للتبخير.لتحويل سائل إلى بخار ، يجب نقل كمية معينة من الحرارة إليه. لا تتغير درجة حرارة السائل أثناء هذا التحول.
البطارية عبارة عن محول لتخزين الطاقة الكهروكيميائية. أثناء التفريغ ، يتم تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة إلى طاقة كهربائية عن طريق تفاعل الأكسدة والاختزال الكهروكيميائي. يمكن للمستهلك الكهربائي استخدام الطاقة المحولة بغض النظر عن الشبكة.
بطاريات قابلة لإعادة الشحن صديقة للبيئة تعمل أيضًا على تحرير المحفظة. الطاقة الحيوية هي إنتاج الطاقة من المواد العضوية الصلبة أو السائلة أو الغازية. ميزة استخدام الطاقة هي الدوائر المغلقة نسبيًا. الغاز الحيوي هو مصطلح جماعي للغازات المفيدة للطاقة التي يتم إنتاجها من الكتلة الحيوية. هنا ، غاز الميثان هو جزء قابل للاستخدام بقوة من الغاز الحيوي.
تسمى كمية الحرارة المطلوبة لتحويل 1 كجم من السائل إلى بخار عند درجة حرارة ثابتة الحرارة النوعية للتبخر.يُشار إلى هذه القيمة بالحرف r ويتم التعبير عنها بالجول لكل كيلوغرام (J / kg).
عندما يذوب جسم بلوري ، تذهب كل الحرارة المزودة إليه لزيادة الطاقة الكامنة للجزيئات.
تشير الكتلة الحيوية إلى جميع المواد العضوية من أصل نباتي أو حيواني والتي يمكن استخراج الطاقة منها. هناك فئتان: المواد الخام المتجددة والنفايات العضوية. تتراكم فرص الكتلة الحيوية كثيفة الاستهلاك للطاقة في ألمانيا من خلال إدارة الغابات ومعالجة الأخشاب وإنتاج المحاصيل وزراعة المصانع.
الحطب ورقائق الخشب والإيثانول الحيوي. بسبب استخدام الطاقة المزدوجة ، تزداد كفاءتها إلى حوالي 85٪. خلية الوقود عبارة عن محول طاقة كهروكيميائية يحول طاقة التفاعل للوقود والمؤكسد المزودين باستمرار إلى طاقة كهربائية.
لا تتغير الطاقة الحركية للجزيئات ، لأن الذوبان يحدث عند درجة حرارة ثابتة.
تسمى كمية الحرارة المطلوبة لتحويل 1 كجم من مادة بلورية عند نقطة الانصهار إلى سائل بنفس درجة الحرارةحرارة محددة للانصهار.
من أجل إذابة جسم بلوري كتلته m ، يلزم مقدار حرارة مساوٍ لـ:
هذا يعني أن الطاقة الكيميائية في الوقود - على عكس محطات الطاقة التقليدية - يتم تحويلها مباشرة إلى كهرباء. لذلك ، يمكن تحقيق كفاءة كهربائية أعلى محتملة باستخدام خلية الوقود. بالإضافة إلى ذلك ، تعد خلايا الوقود أبسط مقارنة بالمولدات التقليدية ، وليس لها تآكل ميكانيكي ، وبالتالي يمكن تشغيلها بشكل أكثر موثوقية ومقاومة للتآكل.
نظرًا لعدم توليد أي ملوثات أو غازات دفيئة أثناء التشغيل ، تعتبر خلية الوقود مصدرًا مهمًا وصديقًا للبيئة للغاية للطاقة في المستقبل. تصف القيمة الحرارية الكمية الإجمالية للحرارة المتولدة أثناء الاحتراق.
كمية الحرارة المنبعثة أثناء تبلور الجسم تساوي:
تتغير الطاقة الداخلية للجسم عند تسخينها أو تبريدها ، وأثناء التبخير والتكثف ، وأثناء الذوبان والتبلور. في جميع الأحوال ، يتم نقل كمية معينة من الحرارة إلى الجسم أو إزالتها منه.
القانون الأول للديناميكا الحرارية. القانون الأول للديناميكا الحرارية هو قانون الحفاظ على الطاقة ، الممتد إلى الظواهر الحرارية.
أثناء انتقال النظام من حالة إلى أخرى ، تتغير الطاقة الداخلية في وقت واحد بسبب أداء العمل وبسبب انتقال الحرارة. تمت صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية بدقة لمثل هذه الحالات العامة:
التغيير في الطاقة الداخلية للنظام أثناء انتقاله من حالة إلى أخرى يساوي مجموع عمل القوى الخارجية و كمية الحرارة المنقولة إلى النظام:
في كثير من الأحيان ، بدلاً من العمل A للهيئات الخارجية على النظام ، يتم اعتبار العمل A "للنظام على الهيئات الخارجية. مع الأخذ في الاعتبار أن A" \ u003d - A ، يمكن كتابة القانون الأول للديناميكا الحرارية في الشكل (13.10) كالآتي: