Siltuma daudzumu sauc par šo daļu. Integratīvā pārbaude fizikā "Siltuma parādības"
1. Iekšējā enerģija. Darbs termodinamikā. Siltuma daudzums. Pirmais termodinamikas likums. Pirmā termodinamikas likuma piemērošana dažādiem procesiem.
Atbilde:
Kopā ar mehānisko enerģiju makroskopiskajos ķermeņos ir arī enerģija, kas atrodas pašos ķermeņos. Šo enerģiju sauc par iekšējo enerģiju un tā ir iekļauta enerģijas pārveidojumu bilancē dabā.
Okeāns ir lielākais saules enerģijas savācējs uz Zemes. Ūdens ne tikai klāj vairāk nekā 70 procentus no mūsu planētas virsmas, bet tas var arī absorbēt lielu daudzumu siltuma, būtiski nepaaugstinot temperatūru. Šī milzīgā spēja ilgstoši uzglabāt un izdalīt siltumu piešķir okeānam galveno lomu Zemes klimata sistēmas stabilizēšanā.
Siltumnīcefekta gāzu koncentrācijas palielināšana neļauj siltumam, kas izplūst no Zemes virsmas, izplūst brīvā telpā, kā tas kādreiz notika; lielākā daļa liekā siltuma tiek uzkrāta okeāna augšdaļā. Tā rezultātā pēdējo divu desmitgažu laikā ir ievērojami palielinājies siltuma saturs okeāna augšdaļā.
Makroskopiska ķermeņa iekšējā enerģija ir vienāda ar visu ķermeņa molekulu (vai atomu) nejaušās kustības kinētisko enerģiju summu un visu molekulu savstarpējās mijiedarbības potenciālo enerģiju (bet ne ar citu molekulām). ķermeņi).
Formula monatomas iekšējās enerģijas aprēķināšanai ideāla gāze:
Ideālas monatomiskas gāzes iekšējā enerģija ir tieši proporcionāla tās absolūtajai temperatūrai.
Galvenais okeāna siltuma avots ir saules gaisma. Turklāt mākoņi, ūdens tvaiki un siltumnīcefekta gāzes ražo siltumu, ko tie absorbē, un daļa no šīs siltumenerģijas nonāk okeānā. Viļņi, plūdmaiņas un straumes pastāvīgi sajauc okeānu, pārvietojot siltumu no siltākiem uz aukstākiem platuma grādiem un dziļākiem līmeņiem.
Siltums, ko absorbē okeāns, pārvietojas no vienas vietas uz otru, bet tas nepazūd. Termiskā enerģija galu galā atgriežas pārējā Zemes sistēmā, kūstot ledus plauktiem, iztvaicējot ūdeni vai tieši sasildot atmosfēru. Tādējādi siltumenerģija okeānā var sildīt planētu gadu desmitiem pēc tās absorbcijas. Ja okeāns absorbē vairāk siltuma, nekā tas atbrīvo, tā siltuma saturs palielinās. Lai izprastu un modelētu globālo klimatu, ir svarīgi zināt, cik daudz siltumenerģijas okeāns absorbē un izdala.
Darbs termodinamikā tiek definēts tāpat kā mehānikā, bet ir vienāds ar izmaiņām nevis ķermeņa kinētiskajā enerģijā, bet gan tā iekšējā enerģijā.
Kad notiek saspiešana vai izplešanās, mainās arī vidējā potenciālā mijiedarbības enerģija starp molekulām, jo mainās arī vidējais attālums starp molekulām.
Aprēķināsim darbu atkarībā no tilpuma izmaiņām, izmantojot piemēru par gāzi cilindrā zem virzuļa.Vienkāršākais veids ir vispirms aprēķināt nevis spēka F darbu, kas iedarbojas uz gāzi no ārējā korpusa (virzuļa), bet gan darbs, ko veic pati gāze, iedarbojoties uz virzuli ar spēku F." Saskaņā ar Ņūtona trešo likumu F"=- F.
Vēsturiski, mērot okeāna temperatūru, kuģi ūdenī iedzina sensorus vai paraugu savācējus. Šī laikietilpīgā metode varēja nodrošināt temperatūru tikai nelielai planētas plašā okeāna daļai. Lai iegūtu globālu pārklājumu, zinātnieki pievērsās satelītiem, kas mēra okeāna virsmas augstumu. Kad ūdens sasilst, tas izplešas, tāpēc aprēķinus par okeāna temperatūru var iegūt no jūras virsmas augstuma.
Lai iegūtu pilnīgāku priekšstatu par okeāna termisko saturu dažādos dziļumos, zinātnieki un inženieri izmanto arī dažādus instrumentus temperatūras mērīšanai in situ. Sensori, kas pazīstami kā Argo pludiņi, dreifē pāri okeānam dažādos dziļumos. Apmēram ik pēc 10 dienām saskaņā ar ieprogrammētajiem norādījumiem tie paceļas pa ūdeni, reģistrējot temperatūru, kad tie paaugstinās. Kad pludiņš sasniedz virsmu, tas ar satelīta starpniecību nosūta zinātniekiem savu atrašanās vietu un citu informāciju un pēc tam atkal nolaižas.
Spēka modulis, kas iedarbojas no gāzes uz virzuli, ir vienāds ar F"=pS, kur p ir gāzes spiediens, S ir virzuļa virsmas laukums. Ļaujiet gāzei izplesties un virzulim pārvietoties virzienā spēks F" nelielā attālumā h = h 2 - h 1. Ja pārvietojums ir mazs, tad gāzes spiedienu var uzskatīt par nemainīgu.
Gāzes veiktais darbs ir
Šo darbu var izteikt ar gāzes tilpuma izmaiņām. Sākotnējais tilpums ir F 1 = Sh 1, un galīgais tilpums ir V 2 = Sh 2. Tāpēc
Instrumenti okeāna temperatūras mērīšanai ir vadītspējas mērītāji, temperatūras mērītāji, patērējami batitermogrāfi un peldošie argo. Zinātnieki pastāvīgi salīdzina datus no satelītiem, pludiņiem un zondēm, lai pārliecinātos, ka to radītajām vērtībām ir jēga. Viņi apstrādā virkni mērījumu, lai ik pēc trim mēnešiem aprēķinātu globālo vidējo gada okeāna siltuma saturu. Temperatūras pārvēršana džoulos ļauj salīdzināt siltumu okeānā ar apkuri citās Zemes klimata sistēmas daļās.
Vairāk nekā 90 procenti no sasilšanas, kas uz Zemes ir notikusi pēdējo 50 gadu laikā, ir notikusi okeānā. Pat ja atmosfērā šodien ir pilnīgi brīva no globālās sasilšanas, siltums, kas jau ir uzkrāts okeānā, galu galā tiks atbrīvots, izraisot Zemei turpmāku sasilšanu nākotnē.
kur AV=V 2 - V 1 - gāzes tilpuma izmaiņas.
Paplašinoties, gāze veic pozitīvu darbu, jo spēka virziens un virzuļa kustības virziens sakrīt. Izplešanās procesā gāze nodod enerģiju apkārtējiem ķermeņiem.
Ja gāze ir saspiesta, tad gāzes darba formula paliek spēkā. Bet tagad V2
Pašlaik okeāna ūdens sasilšana paaugstina globālo jūras līmeni, jo ūdens izplešas, kad tas sasilst. Apvienojumā ar ūdeni no ledāju kušanas uz sauszemes, augošā jūra apdraud dabiskās ekosistēmas un cilvēku struktūras piekrastes līniju tuvumā visā pasaulē. Okeāna ūdeņu sasilšana ir saistīta arī ar ledus plauktu un jūras ledus izsīkumu, kam ir papildu ietekme uz Zemes klimata sistēmu. Visbeidzot, okeāna ūdeņu sasilšana apdraud jūras ekosistēmas un cilvēku iztikas līdzekļus.
Darbs A, ko veic ārējie ķermeņi uz gāzi, atšķiras no gāzes A" darba tikai ar zīmi: A = -A",
Gāzes darbu A" pastāvīga spiediena gadījumā var sniegt vienkāršu ģeometrisku interpretāciju.
Uzzīmēsim gāzes spiediena atkarību no tilpuma (162. att.). Šeit taisnstūra abdc laukums, ko ierobežo grafiks p 1 = const, V ass un segmenti ab un cd, kas vienāds ar gāzes spiedienu, ir skaitliski vienāds ar darbu:
Piemēram, siltie ūdeņi apdraud koraļļu veselību un, savukārt, jūras dzīvības kopienas, kuras ir atkarīgas no tiem, meklējot pajumti un pārtiku. Galu galā cilvēki, kuru pārtika un darbs ir atkarīgi no jūras zvejniecības, varētu saskarties ar okeāna sasilšanas negatīvo ietekmi.
Norēķinoties par gāzi, ir dažādi norēķinu veidi: siltuma un tilpuma gāzes rēķini. Stingrs rēķins: gāzes plūsma piegādes zonā parasti ir termiska, ko aprēķina energobloki. Padotās gāzes daudzumu mēra kubikmetros un pārvērš patērēto kilovatstundu skaitā, reizinot to ar nominālo patēriņa vērtību. Pārrēķinot kubikmetrus kilovatstundās, tiek ņemta vērā siltumspēja un atbilstošais gāzes agregātstāvoklis.
Gāzes iekšējo enerģiju balonā var mainīt ne tikai veicot darbu, bet arī sildot gāzi.
Enerģijas pārnešanas procesu no viena ķermeņa uz otru, neveicot darbu, sauc par siltuma apmaiņu vai siltuma pārnesi.
Kvantitatīvu mērījumu iekšējās enerģijas izmaiņām siltuma pārneses laikā sauc par siltuma daudzumu J.
Šis stāvoklis ir atkarīgs no gāzes temperatūras un spiediena un tiek reģistrēts tā sauktajā valsts numurā. Stāvokļu skaits, kas reizināts ar siltumspēju, dod siltuma sildīšanas vērtību. Kubikmetri, kas izmērīti ar skaitītāju, reizināti ar rēķinā norādīto apkures vērtību, dod aprēķinam nepieciešamo kilovatstundu skaitu.
Tilpuma norēķini: Gāzes plūsmu aprēķina pēc patērētās dabasgāzes kubikmetriem, nevis siltuma rēķiniem, kuru pamatā ir enerģijas vienības. Ikmēneša maksājamo summu apmērs tiek aprēķināts, pamatojoties uz pašreizējām cenām un patēriņu pagājušajā gadā.
Siltuma daudzums ir enerģija, ko ķermenis izdala siltuma apmaiņas laikā.
Siltuma apmaiņas laikā uz robežas starp ķermeņiem notiek auksta ķermeņa lēni kustīgu molekulu mijiedarbība ar karsta ķermeņa ātri kustīgām molekulām. Tā rezultātā molekulu kinētiskās enerģijas tiek izlīdzinātas un auksta ķermeņa molekulu ātrums palielinās, bet karstā ķermeņa molekulu ātrums samazinās.
Absorberi ir saules siltuma sistēmas daļas, kas absorbē saules starojumu un pārvērš to siltumā. Parasti absorbētāja virsmas ir selektīvi pārklātas, lai pēc iespējas vairāk saules gaismas tiktu absorbētas un novirzītas dzesēšanas šķidrumā zem absorbētāja. Mūsdienās augstas kvalitātes absorbētājs tiek izmantots no 90 līdz 95% saules starojuma.
Absorbcija parasti raksturo starojuma vai vielas absorbciju citā materiālā. Enerģētikas tehnoloģijām, jo īpaši saules starojuma absorbcijai un aukstumaģentu absorbcijai saldēšanas iekārtās vai. 1. piemērs Kad gaisma tiek absorbēta, viela absorbē daļu no starojuma un pārvērš siltumā. Lietošana: siltuma atgūšana, izmantojot saules paneļus.
Siltuma apmaiņas laikā enerģija nepārvēršas no vienas formas citā, daļa no karstā ķermeņa iekšējās enerģijas tiek nodota aukstajam ķermenim.
Siltuma daudzums un siltuma jauda.No fizikas kursa ir zināms, ka, lai uzsildītu ķermeni ar masu m no temperatūras t x līdz temperatūrai t 2, ir nepieciešams nodot tam siltuma daudzumu:
Absorbētajai vielai ir aukstumaģenta funkcija, bet otru vielu sauc par šķīdinātāju. Aukstumaģentus un šķīdinātājus kopā sauc par darba pāri. 3. piemēri Litija bromīds absorbē ūdeni Ūdens absorbē amonjaku Pielietojums: Ledusskapis, siltumsūkņa apkure.
Atkritumu siltums ir siltums, kas rodas kā blakusprodukts tehnisko iekārtu vai sistēmu darbības laikā. Parasti šis siltums ir atbilstoši jāizkliedē, lai novērstu ierīces vai sistēmas pārkaršanu. Dažādu procesu atkritumi satur ļoti augstu enerģijas potenciālu. Tātad jūs mēģināt izmantot šo mērķtiecīgo siltumu.
Ķermenim atdziestot, tā galīgā temperatūra t 2 izrādās zemāka par sākotnējo temperatūru t 1 un ķermeņa izdalītā siltuma daudzums ir negatīvs.
Koeficientu c formulā sauc par īpatnējo siltuma jaudu.
Īpašs karstums- Tas ir siltuma daudzums, ko saņem vai atsakās 1 kg vielas, kad tās temperatūra mainās par 1 K.
1. piemērs Automašīnu dzinēji pārvērš tikai daļu degvielas enerģijas kinētiskā enerģijā. Iegūtais siltuma pārpalikums tiek izmantots interjera apsildīšanai. 2. piemērs Elektrostacija ģenerē siltuma pārpalikumu, ko var izmantot kā centralizētu apkuri.
3. piemērs Notekūdeņi no kanalizācijas sistēmas var veicināt siltumsūkņa rentablu termisko darbību, pateicoties tā vienmērīgajai temperatūrai. Vēja ātruma mērīšanai izmanto anemometru, un tas ir daļa no vēja turbīnas vadības.
Īpatnējā siltumietilpība ir atkarīga ne tikai no vielas īpašībām, bet arī no procesa, kurā notiek siltuma pārnese. Ja karsējat gāzi pastāvīgā spiedienā, tā paplašināsies un darbosies. Lai uzsildītu gāzi par 1 °C nemainīgā spiedienā, tai ir jānodod vairāk siltuma nekā sildīt konstantā tilpumā.
Tādējādi anemometrs kalpo vētras gadījumā objektu un apkārtnes drošībai. Pie ļoti zemām vēja slodzēm drošības mehānisms arī izslēdz iekārtu, jo nav sagaidāma būtiska enerģijas izvade. Atmosfēra ir Zemes atmosfēra. Tas sastāv no pastāvīga dažādu gāzveida elementu un savienojumu maisījuma. Svarīgākie komponenti ir slāpeklis, skābeklis, ūdens tvaiki un argons. Papildus oglekļa dioksīdam un ūdens tvaikiem, īpaši nelielās proporcijās esošās gāzes ir metāns un hlorfluorogļūdeņraži.
Šķidrie un cietie ķermeņi karsējot nedaudz izplešas, un to īpatnējās siltumietilpības pie nemainīga tilpuma un nemainīga spiediena atšķiras maz.
Īpatnējais iztvaikošanas siltums.Lai šķidrumu pārvērstu tvaikā, tam ir jānodod noteikts siltuma daudzums. Šīs transformācijas laikā šķidruma temperatūra nemainās.
Akumulators ir elektroķīmiskas enerģijas akumulators un pārveidotājs. Izkraušanas laikā uzkrātā ķīmiskā enerģija tiek pārveidota par elektroenerģiju elektroķīmiskās redoksreakcijā. Pārveidoto enerģiju elektrības patērētājs var izmantot neatkarīgi no tīkla.
Videi draudzīgas uzlādējamās baterijas, kas ir draudzīgas arī maciņam. Bioenerģija ir enerģijas ražošana no cietām, šķidrām vai gāzveida organiskām vielām. Enerģijas izmantošanas priekšrocība ir salīdzinoši slēgtas ķēdes. Biogāze ir kolektīvs termins energoefektīvām gāzēm, kuras ražo no biomasas. Šeit metāna gāze ir enerģētiski noderīgā biogāzes daļa.
Tiek saukts siltuma daudzums, kas nepieciešams, lai 1 kg šķidruma pārvērstu tvaikā nemainīgā temperatūrā īpatnējais iztvaikošanas siltums.Šo vērtību apzīmē ar burtu r un izsaka džoulos uz kilogramu (J/kg).
Kad kristālisks ķermenis kūst, viss tam piegādātais siltums tiek novirzīts, lai palielinātu molekulu potenciālo enerģiju.
Biomasa attiecas uz visām augu vai dzīvnieku izcelsmes organiskajām vielām, no kurām var iegūt enerģiju. Ir divas kategorijas: atjaunojamās izejvielas un organiskie atkritumi. Energoietilpīgas biomasas iespējas Vācijā uzkrājas mežu apsaimniekošanas, kokapstrādes, augkopības un rūpnieciskās lauksaimniecības rezultātā.
Malka, šķelda un bioetanols. Pateicoties dubultās enerģijas izmantošanai, to efektivitāte palielinās līdz aptuveni 85%. Kurināmā šūna ir elektroķīmisks enerģijas pārveidotājs, kas nepārtraukti piegādātas degvielas un oksidētāja reakcijas enerģiju pārvērš elektroenerģijā.
Molekulu kinētiskā enerģija nemainās, jo kušana notiek nemainīgā temperatūrā.
Siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai kušanas punktā 1 kg kristāliskas vielas pārvērstu šķidrumā tajā pašā temperatūrā, sauc.īpatnējais saplūšanas siltums.
Lai izkausētu kristālisku ķermeni ar masu m, ir nepieciešams siltuma daudzums, kas vienāds ar:
Tas nozīmē, ka kurināmā ķīmiskā enerģija – atšķirībā no parastajām elektrostacijām – tiek tieši pārvērsta elektroenerģijā. Tāpēc ar kurināmā elementu var sasniegt potenciāli augstāku elektrisko efektivitāti. Turklāt kurināmā elementi ir vienkāršāki nekā parastie ģeneratori, tiem nav mehāniska nodiluma, tāpēc tos var darbināt uzticamāk un tie ir nodilumizturīgi.
Tā kā ekspluatācijas laikā neveidojas piesārņotāji vai siltumnīcefekta gāzes, degvielas šūna tiek uzskatīta par ārkārtīgi videi draudzīgu un par svarīgu enerģijas avotu nākotnē. Siltumspēja raksturo kopējo sadegšanas rezultātā saražotā siltuma daudzumu.
Siltuma daudzums, kas izdalās ķermeņa kristalizācijas laikā, ir vienāds ar:
Ķermeņa iekšējā enerģija mainās karsēšanas vai dzesēšanas, iztvaikošanas un kondensācijas, kušanas un kristalizācijas laikā. Visos gadījumos noteikts siltuma daudzums tiek pārnests uz ķermeni vai izņemts no tā.
Pirmais termodinamikas likums. Pirmais termodinamikas likums ir enerģijas nezūdamības likums, kas attiecināts arī uz siltuma parādībām.
Sistēmai pārejot no viena stāvokļa uz otru, iekšējā enerģija mainās vienlaikus gan veiktā darba, gan siltuma pārneses dēļ. Pirmais termodinamikas likums ir precīzi formulēts šādiem vispārīgiem gadījumiem:
Sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņas tās pārejas laikā no viena stāvokļa uz otru ir vienādas ar ārējo spēku darba summu Un sistēmai nodotā siltuma daudzums:
Bieži vien sistēmas ārējo ķermeņu darba A vietā tiek uzskatīts sistēmas darbs A" uz ārējiem ķermeņiem. Ņemot vērā, ka A" = - A, pirmo termodinamikas likumu formā (13.10) var uzrakstīt kā šādi: