Изменение внутренней энергии в процессе выполнения работы. Опыт Джоуля.
ТЕРМОДИНАМИКА
Изменение внутренней энергии тела. Теплообмен.
Мы уже говорили о таком понятии, как внутренняя энергия. Что же это такое? (сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц тела)
Оказывается, найти достаточно легко внутреннюю энергию можно только для идеального газа
Внутренняя энергия зависит от массы, температуры тела, рода вещества и от того, в каком агрегатном состоянии находится тело – твердом, жидком или газообразном.
Внутренняя энергия идеального газа равна кинетической энергии теплового движения его атомов или молекул. Существует формула для внутренней энергии одного моля идеального газа, молекулы которого совершают только поступательное движение:
U =3/2 m / M RT U =3/2 ν RT — Дж (джоуль).
где m – масса газа (кг),
ν — количество вещества (моль),
M – молярная масса (кг/моль),
R – универсальная газовая постоянная ( Дж/(моль × K)),
T – абсолютная температура газа (К).
Внутреннюю энергию нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии, то есть разность внутренней энергии в различных состояниях.
Но для решения практических вопросов важно не само значение внутренней энергии, а ее изменение, т.е. разность между ее значениями в начале и в конце процесса.
А когда мы имеем дело с изменением энергии, тогда, когда данная система провзаимодействовала с другой системой или окружающей средой и в результате взаимодействия увеличилось или уменьшилось значение энергии системы.
|
|
|
Обмен внутренней энергией между телами и окружающей средой или между частями тела без совершения механической работы называется теплообменом.
Изменение внутренней энергии ∆U принято называть количеством теплоты Q .
Если в результате взаимодействия внутренняя энергия системы увеличилась на ∆U, то говорят, что тело получило количество теплоты Q, если уменьшилось, то отдало Q.
То есть Q является количественным показателем полученной или отданной энергии.
Количество теплоты Q является количественной характеристикой изменения внутренней энергии.
∆U = Q [Дж]
Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами:
1. при помощи теплообмена.
2. при совершении механической работы.
Теплообмен – передача внутренней энергии от одних частей вещества к другим или между телом и окружающей средой без совершения механической работы.
Теплопроводность – передача внутренней энергии от одних частей тела к другим посредством хаотического движения молекул.
Конвекция – теплообмен, происходящий при перемешивании слоев жидкости или газа под действием силы тяжести.
|
|
|
Излучение – обмен энергией посредством теплового излучения.
Чтобы подсчитать изменение внутренней энергии достаточно точно, нужно исключить (свести к минимуму) неучтенные потери теплоты, поэтому опыт проводят в калориметре. С помощью опытов было установлено:
∆ U = cm ∆ T или Q = cm ∆ T
с – удельная теплоемкость вещества, характеризующая зависимость Q от рода вещества.
Удельная теплоемкость вещества показывает сколько необходимо теплоты для нагревания ед. массы вещества на 1К.
с = 
[ 
] – величина табличная
Удельная теплоемкость одного и того же вещества резко зависит от его агрегатного состояния.
Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами.
Изменение внутренней энергии в процессе выполнения работы. Опыт Джоуля.
На рубеже 18-19 веков англ. физик Румфорд изучал явления, происходящие при сверлении пушечных стволов. Показал, что теплота может возникать за счет работы в неограниченном количестве. т.е. нагреть тело можно не только при помощи теплообмена, но и при совершении работы над этим телом.
Цель: установить всегда ли за счет одинакового количества работы выделяется одинаковое количество теплоты.
|
|
|
Калориметр наполнен ртутью, через него проходит ось с лопастями, которая приводится в движение системой грузов на нитях. Грузы подняты вверх при помощи валика.
Измерили температуру жидкости. Затем освобождают валик и грузы под действием силы тяжести опускаются вниз, раскручивая ось с лопастями.
Т.к. трением в блоках пренебрегаем, то считаем, что вся механическая энергия грузов 2mgh переходит во внутреннюю энергию жидкости и калориметра, т.е. идет на их нагрев. Измеряя термометром повышение температуры, можно найти соотношение между израсходованной механической энергией и увеличением внутренней энергии жидкости и калориметра.
Вывод: количество теплоты, выделенное при трении, прямопропорционально произведенной работе.
Так для нагрева 1кг Н2О на 1К требуется 4186,8 Дж энергии.
Св = 4186,8 Дж/ (кг К) ~ 4200 Дж/ кг К
Количество теплоты необходимое для нагрева 1кг воды на 1К было названо килокалорией (ккал)
1 ккал = 4186,8 Дж
КПД нагревателя .
Топливо может находиться в 3-х агрегатных состояниях: твердое, жидкое, газообразное.
Опыт показывает, что количество теплоты, выделенной при сжигании топлива ~ массе сгоревшего топлива.
|
|
|
Q = qm (Дж) – формула количества теплоты при сжигании твердого и жидкого топлива.
q– величина, характеризующая зависимость теплоты, выделенной при сжигании топлива, от его рода, называется удельной теплотой сгорания. – величина табличная
Удельная теплота сгорания топлива измеряется количеством теплоты, выделенной при полном сгорании единицы массы топлива. q = 
q – [ 
]
Для газообразного топлива удобнее выражать не через m, а через V
Qв = V , где
ӕ - коэффициент пропорциональности, удельная теплота сгорания газообразного топлива, которая зависит от природы газа.
ӕ = 
; ӕ = 1 
Топливо сжигают в различных устройствах, которые условно называют нагревателями. При сжигании топлива не удается использовать всю его теплоту, так как часть ее уносится с продуктами сгорания, идет на нагрев окружающих предметов и т.д.
Поэтому часто приходится определять какую часть теплоты, выделенной при сжигании топлива использовали по назначению, т.е. определяют коэффициент полезного действия. (КПД)
η = 
100% - показывает какую часть теплоты, выделенной при сжигании топлива Qв, составляет теплота Qп, используемая по назначению.
Дата добавления: 2020-11-23; просмотров: 254; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!