Količina topline naziva se taj dio. Integrativno testiranje iz fizike “Toplotni fenomeni”
1. Unutarnja energija. Rad u termodinamici. Količina topline. Prvi zakon termodinamike. Primjena prvog zakona termodinamike na različite procese.
Odgovor:
Uz mehaničku energiju, makroskopska tijela također imaju energiju sadržanu u samim tijelima. Ta se energija naziva unutarnja energija i uključena je u ravnotežu energetskih transformacija u prirodi.
Ocean je najveći sakupljač sunčeve energije na Zemlji. Voda ne samo da pokriva više od 70 posto površine našeg planeta, već također može apsorbirati velike količine topline bez značajnog povećanja temperature. Ova ogromna sposobnost skladištenja i otpuštanja topline tijekom dugih vremenskih razdoblja daje oceanu središnju ulogu u stabilizaciji Zemljinog klimatskog sustava.
Povećanje koncentracije stakleničkih plinova sprječava da toplina emitirana sa Zemljine površine kao nekada izlazi u slobodni prostor; većina viška topline pohranjuje se u gornjim slojevima oceana. Kao rezultat toga, sadržaj topline u gornjem dijelu oceana značajno se povećao tijekom posljednja dva desetljeća.
Unutarnja energija makroskopskog tijela jednaka je zbroju kinetičkih energija nasumičnog gibanja svih molekula (ili atoma) tijela i potencijalnih energija međudjelovanja svih molekula jedne s drugom (ali ne i s molekulama drugih tijela).
Formula za izračunavanje unutarnje energije monoatoma idealni plin:
Unutarnja energija idealnog jednoatomnog plina izravno je proporcionalna njegovoj apsolutnoj temperaturi.
Glavni izvor topline oceana je sunčeva svjetlost. Osim toga, oblaci, vodena para i staklenički plinovi proizvode toplinu koju apsorbiraju, a dio te toplinske energije ulazi u ocean. Valovi, plime i struje neprestano miješaju ocean, prenoseći toplinu s toplijih na hladnije geografske širine i na dublje razine.
Toplina koju apsorbira ocean seli se s jednog mjesta na drugo, ali ne nestaje. Toplinska energija se na kraju vraća ostatku Zemljinog sustava otapanjem ledenih ploča, isparavanjem vode ili izravnim zagrijavanjem atmosfere. Tako, Termalna energija u oceanu može zagrijavati planet desetljećima nakon njegove apsorpcije. Ako ocean apsorbira više topline nego što je otpušta, njegov sadržaj topline se povećava. Znati koliko toplinske energije ocean apsorbira i otpušta važno je za razumijevanje i modeliranje globalne klime.
Rad se u termodinamici definira na isti način kao i u mehanici, ali je jednak promjeni ne kinetičke energije tijela, već njegove unutarnje energije.
Kada dođe do kompresije ili ekspanzije, mijenja se i prosječna potencijalna energija interakcije između molekula, budući da se mijenja i prosječna udaljenost između molekula.
Izračunajmo rad ovisno o promjeni volumena na primjeru plina u cilindru ispod klipa.Najlakše je da prvo ne izračunamo rad sile F koja na plin djeluje iz vanjskog tijela (klipa), nego rad koji vrši sam plin, djelujući na klip silom F." Prema Newtonovom trećem zakonu F"=- F.
Povijesno gledano, kada bi mjerili temperaturu oceana, brodovi bi senzore ili sakupljače uzoraka gazili u vodu. Ova dugotrajna metoda mogla je osigurati temperaturu samo za mali dio ogromnog oceana planeta. Kako bi dobili globalnu pokrivenost, znanstvenici su se okrenuli satelitima koji mjere visinu površine oceana. Kako se voda zagrijava, ona se širi, tako da se procjene temperature oceana mogu izvesti iz visine površine mora.
Kako bi dobili cjelovitiju sliku toplinskog sadržaja oceana na različitim dubinama, znanstvenici i inženjeri također koriste niz instrumenata za mjerenje temperature na licu mjesta. Poznati kao Argo plovci, senzori plutaju oceanom na različitim dubinama. Svakih 10-ak dana, prema svojim programiranim uputama, dižu se kroz vodu, bilježeći temperaturu dok se dižu. Kada plovak dosegne površinu, šalje svoju lokaciju i druge informacije znanstvenicima putem satelita, a zatim se ponovno spušta.
Modul sile koja djeluje iz plina na klip jednak je F"=pS, gdje je p tlak plina, S površina klipa. Neka se plin širi i klip se pomiče u smjeru sila F" na malu udaljenost h = h 2 - h 1. Ako je pomak mali, tada se tlak plina može smatrati konstantnim.
Rad koji izvrši plin je
Taj se rad može izraziti u smislu promjene volumena plina. Početni volumen je F 1 = Sh 1, a konačni volumen je V 2 = Sh 2. Zato
Instrumenti za mjerenje temperature oceana uključuju mjerače vodljivosti, mjerače temperature, potrošne batitermografe i plutajuće argose. Znanstvenici stalno uspoređuju podatke sa satelita, plovaka i sondi kako bi bili sigurni da vrijednosti koje proizvode imaju smisla. Oni obrađuju niz mjerenja kako bi proizveli procjenu globalnog srednjeg godišnjeg sadržaja topline u oceanu svaka tri mjeseca. Pretvaranje temperatura u džule omogućuje usporedbu topline u oceanu s grijanjem u drugim dijelovima Zemljinog klimatskog sustava.
Više od 90 posto zagrijavanja koje se dogodilo na Zemlji u proteklih 50 godina dogodilo se u oceanu. Iako je atmosfera danas potpuno oslobođena globalnog zatopljenja, toplina koja je već pohranjena u oceanu s vremenom će se osloboditi, uzrokujući daljnje zagrijavanje Zemlje u budućnosti.
gdje je AV=V 2 - V 1 - promjena volumena plina.
Pri širenju plin vrši pozitivan rad, jer se smjer sile i smjer gibanja klipa podudaraju. Tijekom procesa širenja plin prenosi energiju okolnim tijelima.
Ako je plin komprimiran, tada formula za rad plina ostaje važeća. Ali sada V 2
Trenutno zagrijavanje oceanske vode podiže globalnu razinu mora jer se voda širi kada se zagrije. U kombinaciji s vodom od topljenja ledenjaka na kopnu, rastuće more prijeti prirodnim ekosustavima i ljudskim strukturama u blizini obala diljem svijeta. Zagrijavanje oceanskih voda također je povezano s iscrpljivanjem ledenih polica i morskog leda, što ima daljnje implikacije na klimatski sustav Zemlje. Konačno, zagrijavanje oceanskih voda prijeti morskim ekosustavima i ljudskim sredstvima za život.
Rad A vanjskih tijela nad plinom razlikuje se od rada plina A" samo predznakom: A = -A",
Rad A" plina za slučaj stalnog tlaka može se dati jednostavno geometrijsko tumačenje.
Nacrtajmo ovisnost tlaka plina o volumenu (slika 162). Ovdje je površina pravokutnika abdc, ograničena grafom p 1 = const, V osi i segmentima ab i cd, jednaka tlaku plina, brojčano jednaka radu:
Na primjer, tople vode prijete zdravlju koralja, a zauzvrat i zajednicama morskog života koji o njima ovise za sklonište i hranu. U konačnici, ljudi koji ovise o morskom ribarstvu radi hrane i poslova mogli bi se suočiti s negativnim učincima zagrijavanja oceana.
Kod obračuna plina postoje različite vrste obračuna: toplinski i volumetrijski obračun plina. Usko obračunavanje: protok plina u opskrbnom području obično je toplinski, što izračunavaju jedinice napajanja. Količina isporučenog plina mjeri se u kubnim metrima i pretvara u broj potrošenih kilovat-sati množenjem s nominalnom vrijednošću potrošnje. Pretvorba kubičnih metara u kilovat-sate uzima u obzir ogrjevnu vrijednost i odgovarajuće agregatno stanje plina.
Unutarnju energiju plina u cilindru možete promijeniti ne samo radom, već i zagrijavanjem plina.
Proces prijenosa energije s jednog tijela na drugo bez vršenja rada naziva se izmjena topline ili prijenos topline.
Kvantitativna mjera promjene unutarnje energije tijekom prijenosa topline naziva se količina topline Q.
Ovo stanje ovisi o temperaturi i tlaku plina i bilježi se u tzv. broju stanja. Broj stanja pomnožen s ogrjevnom vrijednošću daje toplinsku ogrjevnu vrijednost. Kubični metri izmjereni brojilom pomnoženi s obračunskom ogrjevnom vrijednošću daju broj kilovat sati za izračun.
Volumetrijski obračun: protok plina se obračunava prema kubnim metrima utrošenog prirodnog plina, za razliku od toplinskog obračuna koji se temelji na energetskim jedinicama. Visina mjesečnih iznosa za plaćanje izračunava se na temelju trenutno važećih cijena i na temelju potrošnje u prošloj godini.
Količina topline je energija koju tijelo preda tijekom izmjene topline.
Tijekom izmjene topline na granici između tijela dolazi do interakcije sporo gibajućih molekula hladnog tijela s brzo gibajućim molekulama vrućeg tijela. Zbog toga se kinetičke energije molekula izjednačuju te se brzine molekula hladnog tijela povećavaju, a vrućeg tijela smanjuju.
Apsorberi su dijelovi solarnog toplinskog sustava koji apsorbiraju sunčevo zračenje i pretvaraju ga u toplinu. Tipično, površine apsorbera su selektivno obložene tako da se što više sunčeve svjetlosti apsorbira i usmjeri u rashladno sredstvo ispod apsorbera. Danas se visokokvalitetni apsorber koristi za između 90 i 95% sunčevog zračenja.
Apsorpcija općenito opisuje apsorpciju zračenja ili materije drugim materijalom. Za energetske tehnologije, posebno apsorpciju sunčevog zračenja i apsorpciju rashladnih sredstava u rashladnim strojevima ili. Primjer 1. Kada se svjetlost apsorbira, dio zračenja apsorbira tvar i pretvara se u toplinu. Upotreba: povrat topline pomoću solarnih panela.
Tijekom izmjene topline energija se ne pretvara iz jednog oblika u drugi, već se dio unutarnje energije toplog tijela prenosi na hladno tijelo.
Količina topline i toplinski kapacitet.Iz tečaja fizike poznato je da je za zagrijavanje tijela mase m od temperature t x do temperature t 2 potrebno na njega prenijeti određenu količinu topline:
Apsorbirana tvar ima funkciju rashladnog sredstva, dok se druga tvar naziva otapalom. Rashladna sredstva i otapala zajedno se nazivaju radni par. Primjeri 3 Litijev bromid apsorbira vodu Voda apsorbira amonijak Primjena: Hladnjak, grijanje toplinskom pumpom.
Otpadna toplina je toplina koja nastaje kao nusprodukt tijekom rada tehničke opreme ili sustava. Obično se ta toplina mora na odgovarajući način raspršiti kako bi se spriječilo pregrijavanje uređaja ili sustava. Otpad iz raznih procesa sadrži vrlo visok energetski potencijal. Dakle, pokušajte iskoristiti tu ciljanu toplinu.
Kada se tijelo ohladi, njegova konačna temperatura t 2 ispada da je manja od početne temperature t 1 i količina topline koju tijelo preda je negativna.
Koeficijent c u formuli naziva se specifični toplinski kapacitet.
Određena toplina- To je količina topline koju 1 kg tvari prima ili predaje kada se njezina temperatura promijeni za 1 K.
Primjer 1 Automobilski motori pretvaraju samo dio energije goriva u kinetičku energiju. Rezultirajuća otpadna toplina koristi se za zagrijavanje unutrašnjosti. Primjer 2 Elektrana stvara otpadnu toplinu koja se može koristiti kao daljinsko grijanje.
Primjer 3 Otpadne vode iz kanalizacijskog sustava mogu pridonijeti isplativom toplinskom radu dizalice topline zbog svoje ujednačene temperature. Anemometar se koristi za mjerenje brzine vjetra i dio je kontrole vjetroturbine.
Specifični toplinski kapacitet ne ovisi samo o svojstvima tvari, već io procesu prijenosa topline. Ako zagrijavate plin pri konstantnom tlaku, on će se širiti i raditi. Da bi se plin zagrijao za 1 °C pri konstantnom tlaku, potrebno mu je predati više topline nego da bi se zagrijao pri konstantnom volumenu.
Dakle, anemometar služi u slučaju nevremena za sigurnost objekata i okoline. Kod vrlo niskih opterećenja vjetrom, sigurnosni mehanizam također isključuje instalaciju budući da se ne očekuju značajniji energetski učinci. Atmosfera je atmosfera zemlje. Sastoji se od stalne mješavine raznih plinovitih elemenata i spojeva. Najvažnije komponente su dušik, kisik, vodena para i argon. Osim ugljičnog dioksida i vodene pare, posebno plinovi koji su prisutni u malim udjelima su metan i klorofluorougljici.
Tekuća i čvrsta tijela lagano se šire zagrijavanjem, a njihovi specifični toplinski kapaciteti pri stalnom volumenu i stalnom tlaku malo se razlikuju.
Specifična toplina isparavanja.Da bi se tekućina pretvorila u paru, mora joj se predati određena količina topline. Temperatura tekućine se ne mijenja tijekom ove transformacije.
Baterija je elektrokemijsko pohranjivanje i pretvarač energije. Tijekom rasterećenja, pohranjena kemijska energija pretvara se u električnu energiju elektrokemijskom redoks reakcijom. Pretvorenu energiju potrošač električne energije može koristiti bez obzira na mrežu.
Ekološke punjive baterije koje su ujedno i prikladne za novčanik. Bioenergija je proizvodnja energije iz čvrste, tekuće ili plinovite organske tvari. Prednost korištenja energije su relativno zatvoreni krugovi. Bioplin je skupni naziv za energetski korisne plinove koji nastaju iz biomase. Ovdje je plin metan energetski koristan dio bioplina.
Količina topline potrebna da se 1 kg tekućine pretvori u paru pri stalnoj temperaturi naziva se specifična toplina isparavanja. Ova vrijednost je označena slovom r i izražena u džulima po kilogramu (J/kg).
Kada se kristalno tijelo topi, sva toplina koja mu se dovodi odlazi na povećanje potencijalne energije molekula.
Biomasa se odnosi na sve organske tvari biljnog ili životinjskog podrijetla iz kojih se može izvući energija. Dvije su kategorije: obnovljive sirovine i organski otpad. Energetski intenzivne mogućnosti biomase gomilaju se u Njemačkoj kroz gospodarenje šumama, preradu drva, proizvodnju usjeva i tvorničku poljoprivredu.
Ogrjevno drvo, drvna sječka i bioetanol. Zbog korištenja dvostruke energije, njihova učinkovitost raste na približno 85%. Gorivna ćelija je elektrokemijski pretvarač energije koji reakcijsku energiju kontinuirano dovedenog goriva i oksidatora pretvara u električnu energiju.
Kinetička energija molekula se ne mijenja, budući da se taljenje događa pri konstantnoj temperaturi.
Količina topline potrebna da se 1 kg kristalne tvari na talištu pretvori u tekućinu na istoj temperaturi naziva sespecifična toplina taljenja.
Za taljenje kristalnog tijela mase m potrebna je količina topline jednaka:
To znači da se kemijska energija goriva - za razliku od konvencionalnih elektrana - pretvara izravno u električnu energiju. Stoga se s gorivnom ćelijom može postići potencijalno veća električna učinkovitost. Osim toga, gorivne ćelije jednostavnije su od konvencionalnih generatora, ne troše se mehanički i stoga mogu pouzdanije raditi te su otporne na habanje.
Budući da tijekom rada ne nastaju nikakvi zagađivači ili staklenički plinovi, gorive ćelije se smatraju iznimno ekološki prihvatljivima i važnim izvorom energije u budućnosti. Kalorična vrijednost opisuje ukupnu količinu topline proizvedenu izgaranjem.
Količina topline koja se oslobađa tijekom kristalizacije tijela jednaka je:
Unutarnja energija tijela mijenja se tijekom zagrijavanja ili hlađenja, tijekom isparavanja i kondenzacije, tijekom taljenja i kristalizacije. U svim slučajevima određena količina topline prenosi se na tijelo ili se od njega odvodi.
Prvi zakon termodinamike. Prvi zakon termodinamike je zakon održanja energije, proširen na toplinske pojave.
Kada sustav prijeđe iz jednog stanja u drugo, unutarnja energija se istovremeno mijenja i zbog obavljenog rada i zbog prijenosa topline. Prvi zakon termodinamike formuliran je upravo za takve opće slučajeve:
Promjena unutarnje energije sustava tijekom njegovog prijelaza iz jednog stanja u drugo jednaka je zbroju rada vanjskih sila I količina topline prenesena u sustav:
Često se umjesto rada A vanjskih tijela na sustavu razmatra rad A" sustava na vanjskim tijelima. S obzirom da je A" = - A, prvi zakon termodinamike u obliku (13.10) može se napisati kao slijedi: