Cantitatea de căldură se numește acea parte. Testare integrativă în fizică „Fenomene termice
1. Energie internă. Lucru în termodinamică. Cantitatea de căldură. Prima lege a termodinamicii. Aplicarea primei legi a termodinamicii la diferite procese.
Răspuns:
Alături de energia mecanică, corpurile macroscopice au și energie conținută în corpurile înseși. Această energie se numește energie internă și intră în echilibrul transformărilor energetice din natură.
Oceanul este cel mai mare colector de energie solară de pe Pământ. Apa nu numai că acoperă mai mult de 70% din suprafața planetei noastre, dar poate absorbi și cantități mari de căldură fără o creștere semnificativă a temperaturii. Această capacitate enormă de a stoca și elibera căldură pe perioade lungi de timp conferă oceanului un rol central în stabilizarea sistemului climatic al Pământului.
O creștere a concentrației de gaze cu efect de seră împiedică căldura radiată de la suprafața Pământului să scape în spațiul liber, așa cum a fost odinioară; cea mai mare parte a căldurii în exces este stocată în oceanul superior. Ca urmare, în ultimele două decenii, conținutul de căldură din straturile superioare ale oceanului a crescut semnificativ.
Energia internă a unui corp macroscopic este egală cu suma energiilor cinetice ale mișcării aleatoare a tuturor moleculelor (sau atomilor) corpului și a energiilor potențiale ale interacțiunii tuturor moleculelor între ele (dar nu cu moleculele de alte organe).
Formula de calcul a energiei interne a unui monoatomic gaz ideal:
Energia internă a unui gaz monoatomic ideal este direct proporțională cu temperatura sa absolută.
Principala sursă de căldură oceanică este lumina soarelui. În plus, norii, vaporii de apă și gazele cu efect de seră eliberează căldură, pe care o absorb, iar o parte din această energie termică intră în ocean. Valurile, mareele și curenții amestecă în mod constant oceanul, ducând căldura de la latitudini mai calde la latitudini mai reci și la niveluri mai adânci.
Căldura absorbită de ocean se deplasează dintr-un loc în altul, dar nu dispare. Energia termică se întoarce în cele din urmă în restul sistemului Pământului prin topirea rafurilor de gheață, evaporarea apei sau încălzirea directă a atmosferei. În acest fel, energie termalăîn ocean poate încălzi planeta decenii după ce este consumată. Dacă oceanul absoarbe mai multă căldură decât eliberează, conținutul său de căldură crește. A ști cât de multă energie termică este absorbită și eliberată de ocean este importantă pentru înțelegerea și modelarea climatului global.
Munca în termodinamică este definită în același mod ca și în mecanică, dar este egală cu modificarea nu a energiei cinetice a corpului, ci a energiei sale interne.
În timpul compresiei sau expansiunii, energia potențială medie de interacțiune a moleculelor se modifică, de asemenea, deoarece distanța medie dintre molecule se modifică în acest caz.
Să calculăm lucrul în funcție de modificarea volumului folosind exemplul de gaz într-un cilindru sub un piston.Cea mai ușoară modalitate este de a calcula mai întâi nu munca forței F care acționează asupra gazului din partea corpului extern (piston) , dar munca pe care gazul însuși o face, acționând asupra pistonului cu forța F. Conform celei de-a treia legi a lui Newton F "=- F.
Din punct de vedere istoric, presupunând temperatura oceanului, navele au trebuit să treacă senzorii sau colectoarele de mostre în apă. Această metodă consumatoare de timp ar putea furniza temperaturi doar pentru o mică parte din vastul ocean al planetei. Pentru a obține acoperire globală, oamenii de știință au apelat la sateliți care măsoară înălțimea suprafeței oceanului. Pe măsură ce apa se încălzește, se extinde, astfel încât estimările temperaturii oceanului pot fi derivate din înălțimea suprafeței mării.
Pentru a obține o imagine mai bună a conținutului termic al oceanului la diferite adâncimi, oamenii de știință și inginerii folosesc, de asemenea, o serie de instrumente pentru a măsura temperatura in situ. Cunoscuți sub numele de Argo plutește, senzorii plutesc peste ocean la diferite adâncimi. La fiecare 10 zile sau cam asa ceva, conform instructiunilor lor programate, se ridica prin apa, inregistrand temperatura pe masura ce cresc. Când plutitorul ajunge la suprafață, trimite oamenilor de știință locația și alte informații prin satelit și apoi coboară din nou.
Modulul forței care acționează din partea gazului asupra pistonului este F "=pS, unde p este presiunea gazului, S este aria suprafeței pistonului. Lăsați gazul să se extindă și pistonul este deplasat în direcția forței F" cu o distanță mică h = h 2 - h 1. Dacă deplasarea este mică, atunci presiunea gazului poate fi considerată constantă.
Munca făcută de gaz este
Acest lucru poate fi exprimat în termeni de modificare a volumului gazului. Volumul inițial F 1 = Sh 1, iar volumul final V 2 = Sh 2. De aceea
Instrumentele pentru măsurarea temperaturii oceanului includ conductivitatea, temperatura, batitermografele consumabile și argoturile plutitoare. Oamenii de știință compară în mod constant datele de la sateliți, flotoare și sonde pentru a se asigura că valorile pe care le creează au sens. Ei procesează intervalul de măsurare pentru a calcula o estimare a conținutului mediu anual de căldură oceanică la fiecare trei luni. Conversia temperaturii în jouli vă permite să comparați căldura din ocean cu scopul de a încălzi în alte părți ale sistemului climatic al Pământului.
Peste 90% din încălzirea care a avut loc pe Pământ în ultimii 50 de ani a avut loc în ocean. Chiar dacă atmosfera este complet lipsită de încălzirea globală de astăzi, căldura care este deja stocată în ocean va fi în cele din urmă eliberată, iar Pământul se va încălzi și mai mult în viitor.
unde AV=V 2 - V 1 - modificarea volumului gazului.
Când se extinde, gazul efectuează o activitate pozitivă, deoarece direcția forței și direcția de mișcare a pistonului coincid. În procesul de expansiune, gazul transferă energie către corpurile înconjurătoare.
Dacă gazul este comprimat, atunci formula pentru funcționarea gazului rămâne valabilă. Dar acum v2
În prezent, încălzirea apei oceanului ridică nivelul mării la nivel global, deoarece apa se extinde pe măsură ce se încălzește. Combinată cu apa din topirea ghețarilor pe uscat, creșterea mării amenință ecosistemele naturale și structurile umane din apropierea coastelor din întreaga lume. Încălzirea apelor oceanice este, de asemenea, asociată cu epuizarea straturilor de gheață și a gheții marine, care au implicații suplimentare pentru sistemul climatic al Pământului. În cele din urmă, încălzirea apelor oceanice amenință ecosistemele marine și mijloacele de trai ale oamenilor.
Lucrarea A efectuată de corpurile externe asupra gazului diferă de munca gazului A „numai în semnul: A \u003d -A”,
Lucrării A" a unui gaz pentru cazul presiunii constante i se poate da o interpretare geometrică simplă.
Să construim un grafic al dependenței presiunii gazului de volum (Fig. 162). Aici, aria dreptunghiului abdc, delimitată de graficul p 1 = const, axa V și segmentele ab și cd, egale cu presiunea gazului, este numeric egală cu munca:
De exemplu, apele calde amenință sănătatea coralilor și, la rândul lor, a comunităților de viață marine care depind de ele pentru adăpost și hrană. În cele din urmă, oamenii care depind de pescuitul marin pentru hrană și locuri de muncă se pot confrunta cu efectele negative ale încălzirii oceanului.
Există diferite tipuri de facturare pentru facturarea gazelor: facturarea gazelor termice și volumetrice. Facturare apropiată: consumul de gaz în zona de alimentare este de obicei termic, care este calculat de unitățile de alimentare. Cantitatea de gaz furnizată se măsoară în metri cubi și se transformă în kilowați-oră consumați prin înmulțirea acesteia cu valoarea nominală a consumului. Conversia metrilor cubi în kilowați-oră ia în considerare puterea calorică și starea fizică corespunzătoare a gazului.
Este posibilă modificarea energiei interne a gazului din cilindru nu numai lucrând, ci și încălzind gazul.
Procesul de transfer de energie de la un corp la altul fără a lucra se numește transfer de căldură sau transfer de căldură.
Măsura cantitativă a modificării energiei interne în timpul transferului de căldură se numește cantitatea de căldură Q.
Această condiție depinde de temperatura și presiunea gazului și este înregistrată în așa-numitul număr de stare. Numărul de stări înmulțit cu puterea calorică dă puterea calorică termică. Metri cubi măsurați cu metrul înmulțit cu puterea calorică de facturare oferă numărul de kilowați oră de calculat.
Facturare de volum: consumul de gaze se calculează în funcție de metrii cubi de gaze naturale consumați, spre deosebire de facturarea termică, care se bazează pe unități de putere. Cuantumul sumelor lunare de plătit se calculează pe baza prețurilor curente și pe baza consumului de anul trecut.
Cantitatea de căldură se numește energia pe care corpul o eliberează în procesul de transfer de căldură.
În timpul schimbului de căldură la granița dintre corpuri, moleculele care se mișcă încet ale unui corp rece interacționează cu moleculele care se mișcă rapid ale unui corp fierbinte. Ca urmare, energiile cinetice ale moleculelor sunt egalizate și vitezele moleculelor unui corp rece cresc, în timp ce cele ale unui corp fierbinte scad.
Absorbantele sunt părți ale unui sistem solar termic care absorb radiația solară și o transformă în căldură. De regulă, suprafețele absorbante sunt prevăzute cu o acoperire selectivă, astfel încât cât mai multă lumină solară este absorbită și direcționată către fluidul de transfer de căldură de sub absorbant. Astăzi, se folosește un absorbant de înaltă calitate între 90 și 95% din radiația solară.
Absorbția descrie în general absorbția radiațiilor sau a unei substanțe de către un alt material. Pentru tehnologiile energetice, în special absorbția radiației solare și absorbția agenților frigorifici în mașinile frigorifice sau. Exemplul 1 Când lumina este absorbită, o parte din radiație este absorbită de substanță și transformată în căldură. Utilizare: recuperare de căldură cu panouri solare.
În timpul schimbului de căldură, nu există nicio conversie a energiei dintr-o formă în alta; o parte din energia internă a unui corp fierbinte este transferată într-un corp rece.
Cantitatea de căldură și capacitatea de căldură.Din cursul fizicii se știe că, pentru a încălzi un corp cu masa m de la temperatura t x la temperatura t 2, este necesar să se transfere acestuia cantitatea de căldură:
Substanța absorbită are funcția de agent frigorific, în timp ce cealaltă substanță este denumită solvent. Agenții frigorifici și solvenții sunt denumiți în mod colectiv cuplu de lucru. Exemple 3 Bromura de litiu absoarbe apa Apa absoarbe amoniacul Aplicație: Frigider, încălzire cu pompă de căldură.
Căldura reziduală este căldură care este generată ca produs secundar din funcționarea echipamentelor sau sistemelor tehnice. În general, această căldură trebuie să fie disipată corespunzător pentru a preveni supraîncălzirea dispozitivului sau a sistemului. Există un potențial energetic foarte mare în deșeurile diferitelor procese. Deci încerci să folosești acea căldură țintită.
Când corpul se răcește, temperatura sa finală t 2 se dovedește a fi mai mică decât temperatura inițială t 1 și cantitatea de căldură degajată de corp este negativă.
Coeficientul c din formulă se numește capacitatea termică specifică.
Căldura specifică- Aceasta este cantitatea de căldură pe care 1 kg dintr-o substanță o primește sau o degajă atunci când temperatura acesteia se schimbă cu 1 K.
Exemplul 1 Motoarele auto transformă doar o parte din energia combustibilului în energie cinetică. Căldura reziduală rezultată este folosită pentru a încălzi interiorul. Exemplul 2 O centrală electrică generează căldură reziduală care poate fi utilizată ca termoficare.
Exemplul 3 Apele uzate dintr-un sistem de canalizare pot contribui la funcționarea termică profitabilă a unei pompe de căldură datorită temperaturii uniforme a acesteia. Un anemometru este folosit pentru a măsura viteza vântului și face parte din controlul turbinei eoliene.
Capacitatea termică specifică depinde nu numai de proprietățile substanței, ci și de procesul prin care are loc transferul de căldură. Dacă încălziți un gaz la presiune constantă, acesta se va extinde și va funcționa. Pentru a încălzi un gaz cu 1°C la presiune constantă, trebuie să i se transfere mai multă căldură decât pentru a-l încălzi la volum constant.
Astfel, anemometrul servește în caz de furtună pentru siguranța obiectelor și a zonei înconjurătoare. La încărcări ale vântului foarte scăzute, mecanismul de siguranță oprește și instalația, deoarece nu sunt așteptate producții semnificative de energie. Atmosfera este atmosfera pământului. Constă dintr-un amestec constant de diferite elemente și compuși gazoși. Cele mai importante componente sunt azotul, oxigenul, vaporii de apă și argonul. Pe lângă dioxidul de carbon și vaporii de apă, în special gazele care sunt prezente în proporții mici sunt metanul și clorofluorocarburile.
Lichidele și solidele se extind ușor atunci când sunt încălzite, iar capacitățile lor specifice de căldură la volum constant și presiune constantă diferă puțin.
Căldura specifică de vaporizare.Pentru a transforma un lichid în vapori, trebuie transferată o anumită cantitate de căldură. Temperatura lichidului în timpul acestei transformări nu se modifică.
Bateria este un stocare și un convertor de energie electrochimică. În timpul descărcării, energia chimică stocată este convertită în energie electrică printr-o reacție redox electrochimică. Energia convertită poate fi utilizată de către consumatorul de electricitate indiferent de rețea.
Baterii reîncărcabile ecologice care eliberează și portofelul. Bioenergia este producerea de energie din substanțe organice solide, lichide sau gazoase. Avantajul utilizării energiei sunt circuitele relativ închise. Biogazul este un termen colectiv pentru gazele utile din punct de vedere energetic care sunt produse din biomasă. Aici, gazul metan este o parte utilizabilă energetic a biogazului.
Se numește cantitatea de căldură necesară pentru a transforma 1 kg de lichid în vapori la o temperatură constantă căldură specifică de vaporizare. Această valoare este notă cu litera r și este exprimată în jouli pe kilogram (J / kg).
Când un corp cristalin se topește, toată căldura furnizată acestuia duce la creșterea energiei potențiale a moleculelor.
Biomasa se referă la toată materia organică de origine vegetală sau animală din care se poate extrage energia. Există două categorii: materii prime regenerabile și deșeuri organice. Oportunitățile de biomasă consumatoare de energie se acumulează în Germania prin gestionarea pădurilor, prelucrarea lemnului, producția de culturi și agricultura în fabrici.
Lemn de foc, așchii de lemn și bioetanol. Datorită utilizării energiei duale, eficiența acestora crește la aproximativ 85%. O celulă de combustie este un convertor de energie electrochimic care transformă energia de reacție a unui combustibil și oxidant furnizat continuu în energie electrică.
Energia cinetică a moleculelor nu se modifică, deoarece topirea are loc la o temperatură constantă.
Cantitatea de căldură necesară pentru a transforma 1 kg dintr-o substanță cristalină la punctul de topire într-un lichid de aceeași temperatură se numeștecăldură specifică de fuziune.
Pentru a topi un corp cristalin cu masa m, este necesară o cantitate de căldură egală cu:
Aceasta înseamnă că energia chimică din combustibil - spre deosebire de centralele electrice convenționale - este transformată direct în energie electrică. Prin urmare, se poate obține o eficiență electrică potențială mai mare cu celula de combustie. În plus, pilele de combustie sunt mai simple în comparație cu generatoarele convenționale, nu au uzură mecanică și, prin urmare, pot fi operate mai fiabil și mai rezistente la uzură.
Deoarece în timpul funcționării nu se generează nici poluanți și nici gaze cu efect de seră, pila de combustibil este considerată o sursă de energie extrem de ecologică și importantă în viitor. Puterea calorică descrie cantitatea totală de căldură care este generată în timpul arderii.
Cantitatea de căldură eliberată în timpul cristalizării corpului este egală cu:
Energia internă a corpului se modifică atunci când este încălzită sau răcită, în timpul vaporizării și condensării, în timpul topirii și cristalizării. În toate cazurile, o anumită cantitate de căldură este transferată sau îndepărtată din corp.
Prima lege a termodinamicii. Prima lege a termodinamicii este legea conservării energiei, extinsă la fenomenele termice.
În timpul trecerii sistemului de la o stare la alta, energia internă se modifică simultan atât datorită efectuării muncii, cât și datorită transferului de căldură. Prima lege a termodinamicii este formulată tocmai pentru astfel de cazuri generale:
Modificarea energiei interne a sistemului în timpul tranziției sale de la o stare la alta este egală cu suma muncii forțelor externe și cantitatea de căldură transferată în sistem:
Adesea, în locul lucrării A a corpurilor externe pe sistem, se ia în considerare lucrarea A "a sistemului pe corpuri externe. Având în vedere că A" \u003d - A, prima lege a termodinamicii în forma (13.10) poate fi scrisă după cum urmează: