ما هو مطلوب هو المزيد من الحرارة ل. كيفية حساب كمية الحرارة والتأثير الحراري وحرارة التكوين

1. إن التغير في الطاقة الداخلية نتيجة بذل الشغل يتميز بكمية الشغل، أي: الشغل هو مقياس للتغير في الطاقة الداخلية في عملية معينة. يتميز التغير في الطاقة الداخلية للجسم أثناء انتقال الحرارة بكمية تسمى كمية من الحرارة.

كمية الحرارة هي التغير في الطاقة الداخلية للجسم أثناء عملية انتقال الحرارة دون بذل شغل.

يُشار إلى كمية الحرارة بالحرف ​\(Q\) ​. وبما أن كمية الحرارة هي مقياس للتغير في الطاقة الداخلية، فإن وحدتها هي الجول (1 J).

عندما ينقل الجسم كمية معينة من الحرارة دون بذل شغل، فإن طاقته الداخلية تزداد؛ وإذا أطلق الجسم كمية معينة من الحرارة، فإن طاقته الداخلية تنخفض.

2. إذا صببت 100 جرام من الماء في وعاءين متطابقين، أحدهما و400 جرام في الآخر بنفس درجة الحرارة ووضعتهما على شعلات متطابقة، فإن الماء الموجود في الوعاء الأول سوف يغلي مبكرًا. وبالتالي، كلما زادت كتلة الجسم، زادت كمية الحرارة التي يحتاجها للتسخين. وينطبق الشيء نفسه على التبريد: عندما يتم تبريد جسم ذي كتلة أكبر، فإنه يطلق كمية أكبر من الحرارة. هذه الأجسام مصنوعة من نفس المادة وتسخن أو تبرد بنفس عدد الدرجات.

​3. إذا قمنا الآن بتسخين 100 جرام من الماء من 30 إلى 60 درجة مئوية، أي. عند 30 درجة مئوية، ثم حتى 100 درجة مئوية، أي. بمقدار 70 درجة مئوية، ففي الحالة الأولى سيستغرق التسخين وقتًا أقل مما هو عليه في الحالة الثانية، وبالتالي فإن تسخين الماء بمقدار 30 درجة مئوية سيتطلب حرارة أقل من تسخين الماء بمقدار 70 درجة مئوية. وبالتالي، فإن كمية الحرارة تتناسب طرديًا مع الفرق بين درجات الحرارة النهائية ​\((t_2\,^\circ C) \) ​ ودرجات الحرارة الأولية \((t_1\,^\circ C) \): ​\( س\سيم(t_2- t_1) \) ​.

4. إذا صببت الآن 100 جرام من الماء في وعاء واحد، وسكبت القليل من الماء في وعاء آخر مماثل ووضعت فيه جسمًا معدنيًا بحيث تكون كتلته وكتلة الماء 100 جرام، وقمت بتسخين الأوعية على بلاطات متماثلة، إذن ستلاحظ أنه في الوعاء الذي يحتوي على الماء فقط ستكون درجة حرارته أقل من الوعاء الذي يحتوي على الماء وجسم معدني. لذلك، لكي تكون درجة حرارة المحتويات في كلا الوعاءين هي نفسها، من الضروري نقل حرارة إلى الماء أكثر من الماء والجسم المعدني. وبالتالي، فإن كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم تعتمد على نوع المادة التي يتكون منها الجسم.

5. يتميز اعتماد كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم على نوع المادة بكمية فيزيائية تسمى السعة الحرارية النوعية للمادة.

تسمى الكمية الفيزيائية التي تساوي كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى 1 كجم من المادة لتسخينها بمقدار 1 درجة مئوية (أو 1 كلفن) بالسعة الحرارية النوعية للمادة.

يطلق 1 كجم من المادة نفس كمية الحرارة عند تبريدها بمقدار 1 درجة مئوية.

يُشار إلى السعة الحرارية النوعية بالحرف ​\(c\) ​. وحدة السعة الحرارية النوعية هي 1 جول/كجم درجة مئوية أو 1 جول/كجم كلفن.

يتم تحديد السعة الحرارية المحددة للمواد تجريبيا. تتمتع السوائل بسعة حرارية نوعية أعلى من المعادن؛ الماء لديه أعلى حرارة نوعية، والذهب لديه حرارة نوعية صغيرة جدا.

الحرارة النوعية للرصاص هي 140 جول/كجم درجة مئوية. هذا يعني أنه لتسخين 1 كجم من الرصاص بمقدار 1 درجة مئوية، من الضروري إنفاق كمية حرارة قدرها 140 جول. وسيتم إطلاق نفس الكمية من الحرارة عندما يبرد 1 كجم من الماء بمقدار 1 درجة مئوية.

وبما أن كمية الحرارة تساوي التغير في الطاقة الداخلية للجسم، فيمكننا القول إن السعة الحرارية النوعية توضح مقدار تغير الطاقة الداخلية لـ 1 كجم من المادة عندما تتغير درجة حرارتها بمقدار 1 درجة مئوية. على وجه الخصوص، تزيد الطاقة الداخلية لـ 1 كجم من الرصاص بمقدار 140 جول عند تسخينه بمقدار 1 درجة مئوية، وتنخفض بمقدار 140 جول عند تبريده.

كمية الحرارة ​\(Q \) ​ اللازمة لتسخين جسم كتلته ​\(m \) ​ من درجة الحرارة \((t_1\,^\circ C) \) إلى درجة الحرارة \((t_2\,^\ circ C) \) يساوي حاصل ضرب السعة الحرارية النوعية للمادة وكتلة الجسم والفرق بين درجتي الحرارة النهائية والابتدائية، أي.

\[ Q=cm(t_2()^\circ-t_1()^\circ) \]

وتستخدم نفس الصيغة لحساب كمية الحرارة التي يطلقها الجسم عند تبريده. فقط في هذه الحالة يجب طرح درجة الحرارة النهائية من درجة الحرارة الأولية، أي. اطرح القيمة الأصغر من قيمة درجة الحرارة الأكبر.

6. مثال على حل المشكلة. تم صب 100 جرام من الماء عند درجة حرارة 20 درجة مئوية في كوب يحتوي على 200 جرام من الماء عند درجة حرارة 80 درجة مئوية. وبعد ذلك وصلت درجة الحرارة في الوعاء إلى 60 درجة مئوية. ما مقدار الحرارة التي استقبلها الماء البارد وما مقدار الحرارة التي أطلقها الماء الساخن؟

عند حل مشكلة ما، يجب عليك تنفيذ التسلسل التالي من الإجراءات:

1. اكتب بإيجاز شروط المشكلة؛
2. تحويل قيم الكميات إلى SI؛
3. تحليل المشكلة، وتحديد الهيئات التي تشارك في التبادل الحراري، والتي تعطي الطاقة والتي تستقبلها؛
4. حل المشكلة بشكل عام.
5. إجراء العمليات الحسابية.
6. تحليل الإجابة المستلمة.

1. حالة المشكلة.

منح:
​\(م_1 \) ​ = 200 غرام
​\(م_2\) ​ = 100 جرام
​\(t_1 \) ​ = 80 درجة مئوية
​\(t_2 \) ​ = 20 درجة مئوية
​\(ر\) ​ = 60 درجة مئوية
______________

​\(س_1 \) ​ — ؟ ​\(س_2 \) ​ — ؟
​\(c_1 \) ​ = 4200 جول/كجم درجة مئوية

2. سي:​\(m_1\) ​ = 0.2 كجم؛ ​\(م_2\) ​ = 0.1 كجم.

3. تحليل المهمة. تصف المشكلة عملية التبادل الحراري بين الماء الساخن والبارد. يعطي الماء الساخن كمية من الحرارة ​\(Q_1 \) ​ ويبرد من درجة الحرارة ​\(t_1 \) ​ إلى درجة الحرارة ​\(t \) ​. يستقبل الماء البارد كمية الحرارة ​\(Q_2 \) ​ ويتم تسخينه من درجة الحرارة ​\(t_2 \) ​ إلى درجة الحرارة ​\(t \) ​.

4. حل المشكلة بشكل عام. يتم حساب كمية الحرارة المنبعثة من الماء الساخن بالصيغة: ​\(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \)​.

يتم حساب كمية الحرارة التي يستقبلها الماء البارد بالصيغة: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) .

5. الحسابات.
​\(Q_1 \) ​ = 4200 جول/كجم · درجة مئوية · 0.2 كجم · 20 درجة مئوية = 16800 جول
\(Q_2\) = 4200 جول/كجم درجة مئوية 0.1 كجم 40 درجة مئوية = 16800 جول

6. الجواب هو أن كمية الحرارة المنبعثة من الماء الساخن تساوي كمية الحرارة التي يستقبلها الماء البارد. في هذه الحالة، تم النظر في الوضع المثالي ولم يؤخذ في الاعتبار استخدام كمية معينة من الحرارة لتسخين الزجاج الذي يوجد فيه الماء والهواء المحيط. في الواقع، كمية الحرارة المنبعثة من الماء الساخن أكبر من كمية الحرارة التي يستقبلها الماء البارد.

الجزء 1

1. السعة الحرارية النوعية للفضة هي 250 جول/(كجم درجة مئوية). ماذا يعني هذا؟

1) عندما يبرد 1 كجم من الفضة عند 250 درجة مئوية، تنطلق كمية من الحرارة قدرها 1 جول
2) عندما يبرد 250 كجم من الفضة بمقدار 1 درجة مئوية، تنطلق كمية من الحرارة مقدارها 1 جول
3) عندما يبرد 250 كجم من الفضة بمقدار 1 درجة مئوية، يتم امتصاص كمية من الحرارة مقدارها 1 J
4) عندما يبرد 1 كجم من الفضة بمقدار 1 درجة مئوية، تنطلق كمية من الحرارة قدرها 250 جول

2. تبلغ السعة الحرارية النوعية للزنك 400 جول/(كجم درجة مئوية). وهذا يعني ذلك

1) عند تسخين 1 كجم من الزنك بمقدار 400 درجة مئوية، تزداد طاقته الداخلية بمقدار 1 J
2) عند تسخين 400 كجم من الزنك بمقدار 1 درجة مئوية، تزداد طاقته الداخلية بمقدار 1 J
3) لتسخين 400 كجم من الزنك بمقدار 1 درجة مئوية، من الضروري إنفاق 1 J من الطاقة
4) عند تسخين 1 كجم من الزنك بمقدار 1 درجة مئوية، تزداد طاقته الداخلية بمقدار 400 J

3. عند نقل كمية من الحرارة ​\(Q \) ​ إلى جسم صلب له كتلة ​\(m \) ​، تزيد درجة حرارة الجسم بمقدار \(\Delta t^\circ \) ​. أي من العبارات التالية تحدد السعة الحرارية النوعية لمادة هذا الجسم؟

1) ​\(\frac(m\Delta t^\circ)(Q) \)​
2) \(\frac(Q)(m\Delta t^\circ) \)​
3) \(\frac(Q)(\Delta t^\circ) \) ​
4) \(Qm\Delta t^\circ \) ​

4. يوضح الشكل رسمًا بيانيًا لاعتماد كمية الحرارة اللازمة لتسخين جسمين (1 و 2) لهما نفس الكتلة على درجة الحرارة. قارن بين قيم السعة الحرارية النوعية (​\(c_1 \) ​ و ​\(c_2 \) ​) للمواد التي تتكون منها هذه الأجسام.

1) ​\(c_1=c_2 \) ​
2) ​\(c_1>c_2 \) ​
3)\(ج_1 4) الجواب يعتمد على قيمة كتلة الأجسام

5. يوضّح الشكل كمية الحرارة المنتقلة إلى جسمين متساويين في الكتلة عندما تتغير درجة حرارتهما بنفس عدد الدرجات. ما العلاقة الصحيحة بين السعات الحرارية النوعية للمواد التي تتكون منها الأجسام؟

1) \(c_1=c_2\)
2) \(c_1=3c_2\)
3) \(c_2=3c_1\)
4) \(c_2=2c_1\)

6. يوضح الشكل رسمًا بيانيًا لدرجة حرارة الجسم الصلب اعتمادًا على كمية الحرارة المنبعثة منه. وزن الجسم 4 كجم. ما هي السعة الحرارية النوعية لمادة هذا الجسم؟

1) 500 جول/(كجم درجة مئوية)
2) 250 جول/(كجم درجة مئوية)
3) 125 جول/(كجم درجة مئوية)
4) 100 جول/(كجم درجة مئوية)

7. عند تسخين مادة بلورية وزنها 100 جرام، تم قياس درجة حرارة المادة وكمية الحرارة المنقولة للمادة. تم تقديم بيانات القياس في شكل جدول. بافتراض إمكانية إهمال فقدان الطاقة، حدد السعة الحرارية النوعية للمادة في الحالة الصلبة.

1) 192 جول/(كجم درجة مئوية)
2) 240 جول/(كجم درجة مئوية)
3) 576 جول/(كجم درجة مئوية)
4) 480 جول/(كجم درجة مئوية)

8. لتسخين 192 جم من الموليبدينوم بمقدار 1 K، يلزمك نقل كمية من الحرارة قدرها 48 J إليها. ما هي الحرارة النوعية لهذه المادة؟

1) 250 جول/(كجم ك)
2) 24 جول/(كجم ك)
3) 4·10 -3 ي/(كجم ك)
4) 0.92 جول/(كجم ك)

9. ما كمية الحرارة اللازمة لتسخين 100 جم من الرصاص من 27 إلى 47 درجة مئوية؟

1) 390 ج
2) 26 كيلوجول
3) 260 ج
4) 390 كيلوجول

10. يتطلب تسخين الطوب من 20 إلى 85 درجة مئوية نفس كمية الحرارة التي يتطلبها تسخين الماء بنفس الكتلة بمقدار 13 درجة مئوية. السعة الحرارية النوعية للطوب هي

1) 840 جول/(كجم ك)
2) 21000 جول/(كجم ك)
3) 2100 جول/(كجم ك)
4) 1680 جول/(كجم ك)

11. من قائمة العبارات أدناه، اختر جملتين صحيحتين واكتب أرقامهما في الجدول.

1) كمية الحرارة التي يتلقاها الجسم عندما ترتفع درجة حرارته بعدد معين من الدرجات تساوي كمية الحرارة التي يطلقها هذا الجسم عندما تنخفض درجة حرارته بنفس العدد من الدرجات.
2) عندما تبرد المادة تزداد طاقتها الداخلية .
3) تستخدم كمية الحرارة التي تتلقاها المادة عند تسخينها بشكل أساسي لزيادة الطاقة الحركية لجزيئاتها.
4) تستخدم كمية الحرارة التي تتلقاها المادة عند تسخينها بشكل أساسي لزيادة الطاقة الكامنة للتفاعل بين جزيئاتها
5) لا يمكن تغيير الطاقة الداخلية للجسم إلا عن طريق إمداده بقدر معين من الحرارة

12. يعرض الجدول نتائج قياسات الكتلة ​\(\m\) ​ والتغيرات في درجات الحرارة ​\(\Delta t\) ​ وكمية الحرارة ​\(Q\) ​ المنبعثة أثناء تبريد الأسطوانات المصنوعة من النحاس أو الألومنيوم .

ما هي العبارات التي تتوافق مع نتائج التجربة؟ حدد اثنين الصحيحين من القائمة المقدمة. اذكر أرقامهم. وبناء على القياسات التي تم إجراؤها، يمكن القول أن كمية الحرارة المنبعثة أثناء التبريد

1) يعتمد على المادة التي تصنع منها الاسطوانة.
2) لا يعتمد على المادة التي تصنع منها الاسطوانة.
3) يزداد مع زيادة كتلة الاسطوانة.
4) يزداد مع زيادة اختلاف درجات الحرارة.
5) السعة الحرارية النوعية للألمنيوم أكبر بأربع مرات من السعة الحرارية النوعية للقصدير.

الجزء 2

ج1.تم وضع جسم صلب وزنه 2 كجم في فرن قدرته 2 كيلو وات وبدأ في التسخين. يوضح الشكل اعتماد درجة الحرارة ​\(t\) ​ لهذا الجسم على وقت التسخين ​\(\tau \) ​. ما هي السعة الحرارية النوعية للمادة؟

1) 400 جول/(كجم درجة مئوية)
2) 200 جول/(كجم درجة مئوية)
3) 40 جول/(كجم درجة مئوية)
4) 20 جول/(كجم درجة مئوية)

الإجابات

سوف نتعلم في هذا الدرس كيفية حساب كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم أو التي يطلقها عند تبريده. للقيام بذلك، سوف نقوم بتلخيص المعرفة التي تم الحصول عليها في الدروس السابقة.

بالإضافة إلى ذلك سنتعلم باستخدام صيغة كمية الحرارة التعبير عن الكميات المتبقية من هذه الصيغة وحسابها مع معرفة الكميات الأخرى. سيتم أيضًا النظر في مثال لمشكلة مع حل لحساب كمية الحرارة.

هذا الدرس مخصص لحساب كمية الحرارة عند تسخين الجسم أو إطلاقها عند تبريده.

القدرة على حساب الكمية المطلوبة من الحرارة مهمة جدًا. قد يكون ذلك ضروريًا، على سبيل المثال، عند حساب كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى الماء لتدفئة الغرفة.

أرز. 1. كمية الحرارة التي يجب إيصالها إلى الماء لتدفئة الغرفة

أو لحساب كمية الحرارة المنبعثة عند احتراق الوقود في المحركات المختلفة:

أرز. 2. كمية الحرارة المنبعثة عند احتراق الوقود في المحرك

وهذه المعرفة مطلوبة أيضًا، على سبيل المثال، لتحديد كمية الحرارة التي تطلقها الشمس وتهطل على الأرض:

أرز. 3. كمية الحرارة التي تطلقها الشمس وتسقط على الأرض

لحساب كمية الحرارة، عليك أن تعرف ثلاثة أشياء (الشكل 4):

• وزن الجسم (والذي يمكن قياسه عادة باستخدام مقياس)؛
• الفرق في درجة الحرارة الذي يجب من خلاله تسخين الجسم أو تبريده (يتم قياسه عادةً باستخدام مقياس الحرارة)؛
• السعة الحرارية المحددة للجسم (والتي يمكن تحديدها من الجدول).

أرز. 4. ما تحتاج إلى معرفته لتحديد

تبدو الصيغة التي يتم من خلالها حساب كمية الحرارة كما يلي:

تظهر الكميات التالية في هذه الصيغة:

كمية الحرارة المقاسة بالجول (J)؛

يتم قياس السعة الحرارية النوعية للمادة بـ :

- الفرق في درجات الحرارة، ويقاس بالدرجة المئوية ().

دعونا ننظر في مشكلة حساب كمية الحرارة.

مهمة

يحتوي كوب من النحاس كتلته بالجرام على ماء حجمه لتر عند درجة حرارة. ما مقدار الحرارة التي يجب نقلها إلى كوب من الماء حتى تصبح درجة حرارته مساوية؟

أرز. 5. توضيح لظروف المشكلة

أولا نكتب شرطا قصيرا ( منح) وتحويل جميع الكميات إلى النظام الدولي (SI).

منح:	سي
يجد:

حل:

أولًا، حدد الكميات الأخرى التي نحتاجها لحل هذه المشكلة. باستخدام جدول السعة الحرارية النوعية (جدول 1) نجد (السعة الحرارية النوعية للنحاس، حيث أن الزجاج حسب الحالة نحاس)، (السعة الحرارية النوعية للماء، لأنه حسب الحالة يوجد ماء في الزجاج). بالإضافة إلى ذلك، نحن نعلم أنه لحساب كمية الحرارة نحتاج إلى كتلة من الماء. وفقًا للشرط، يُعطى لنا الحجم فقط. لذلك نأخذ من الجدول كثافة الماء: (الجدول 2).

طاولة 1. السعة الحرارية النوعية لبعض المواد،

طاولة 2. كثافات بعض السوائل

الآن لدينا كل ما نحتاجه لحل هذه المشكلة.

لاحظ أن الكمية النهائية للحرارة ستتكون من مجموع كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الزجاج النحاسي وكمية الحرارة المطلوبة لتسخين الماء الموجود فيه:

لنحسب أولاً كمية الحرارة اللازمة لتسخين كوب من النحاس:

قبل حساب كمية الحرارة اللازمة لتسخين الماء، دعونا نحسب كتلة الماء باستخدام صيغة مألوفة لنا من الصف السابع:

الآن يمكننا حساب:

ثم يمكننا حساب:

دعونا نتذكر ما يعنيه كيلوجول. البادئة "كيلو" تعني .

إجابة:.

ولتسهيل حل مسائل العثور على كمية الحرارة (ما يسمى بالمسائل المباشرة) والكميات المرتبطة بهذا المفهوم، يمكنك استخدام الجدول التالي.

الكمية المطلوبة	تعيين	وحدات القياس	الصيغة الأساسية	صيغة للكمية
كمية من الحرارة

« الفيزياء - الصف العاشر"

في أي العمليات تحدث التحولات الكلية للمادة؟
كيف يمكنك تغيير حالة تجميع المادة؟

يمكنك تغيير الطاقة الداخلية لأي جسم عن طريق بذل شغل أو تسخينه أو تبريده.
لذلك، عند تزوير المعدن، يتم العمل ويتم تسخينه، في نفس الوقت يمكن تسخين المعدن على لهب مشتعل.

أيضًا، إذا قمت بإصلاح المكبس (الشكل 13.5)، فلن يتغير حجم الغاز عند تسخينه ولا يتم القيام بأي عمل. لكن درجة حرارة الغاز، وبالتالي طاقته الداخلية، تزداد.

الطاقة الداخلية يمكن أن تزيد وتنقص، لذلك يمكن أن تكون كمية الحرارة موجبة أو سالبة.

تسمى عملية نقل الطاقة من جسم إلى آخر دون بذل شغل التبادل الحراري.

يسمى المقياس الكمي للتغير في الطاقة الداخلية أثناء انتقال الحرارة كمية من الحرارة.

الصورة الجزيئية لنقل الحرارة.

أثناء التبادل الحراري عند الحدود بين الأجسام، يحدث تفاعل بين الجزيئات التي تتحرك ببطء في الجسم البارد مع الجزيئات سريعة الحركة في الجسم الساخن. ونتيجة لذلك، تتساوى الطاقات الحركية للجزيئات، وتزداد سرعة جزيئات الجسم البارد، وتقل سرعتها في الجسم الساخن.

أثناء التبادل الحراري، لا يتم تحويل الطاقة من شكل إلى آخر؛ بل يتم نقل جزء من الطاقة الداخلية لجسم أكثر حرارة إلى جسم أقل حرارة.

كمية الحرارة والقدرة الحرارية.

أنت تعلم بالفعل أنه من أجل تسخين جسم كتلته m من درجة الحرارة t 1 إلى درجة الحرارة t 2، من الضروري نقل كمية من الحرارة إليه:

س = سم(ر 2 - ر 1) = سم Δt. (13.5)

عندما يبرد الجسم، فإن درجة حرارته النهائية t 2 تكون أقل من درجة الحرارة الأولية t 1 وتكون كمية الحرارة المنبعثة من الجسم سالبة.

يسمى المعامل c في الصيغة (13.5). سعة حرارية محددةالمواد.

حرارة محددة- هذه كمية تساوي عدديًا كمية الحرارة التي تستقبلها أو تطلقها مادة تزن 1 كجم عندما تتغير درجة حرارتها بمقدار 1 كلفن.

تعتمد السعة الحرارية النوعية للغازات على العملية التي يحدث بها انتقال الحرارة. إذا قمت بتسخين غاز عند ضغط ثابت، فسوف يتمدد ويبذل شغلًا. لتسخين الغاز بمقدار 1 درجة مئوية عند ضغط ثابت، فإنه يحتاج إلى نقل حرارة أكثر من تسخينه بحجم ثابت، عندما يسخن الغاز فقط.

تتمدد السوائل والمواد الصلبة قليلاً عند تسخينها. تختلف سعاتها الحرارية المحددة عند حجم ثابت وضغط ثابت قليلاً.

حرارة التبخير النوعية.

لتحويل السائل إلى بخار أثناء عملية الغليان، يجب أن تنتقل إليه كمية معينة من الحرارة. لا تتغير درجة حرارة السائل عندما يغلي. إن تحول السائل إلى بخار عند درجة حرارة ثابتة لا يؤدي إلى زيادة في الطاقة الحركية للجزيئات، بل يصاحبه زيادة في الطاقة الكامنة لتفاعلها. ففي نهاية المطاف، فإن متوسط ​​المسافة بين جزيئات الغاز أكبر بكثير من المسافة بين جزيئات السائل.

تسمى الكمية التي تساوي عدديا كمية الحرارة اللازمة لتحويل سائل وزنه 1 كجم إلى بخار عند درجة حرارة ثابتة حرارة التبخير النوعية.

تحدث عملية تبخر السائل عند أي درجة حرارة، بينما تترك الجزيئات الأسرع السائل، ويبرد أثناء التبخر. الحرارة النوعية للتبخر تساوي الحرارة النوعية للتبخر.

يُشار إلى هذه القيمة بالحرف r ويتم التعبير عنها بالجول لكل كيلوغرام (J/kg).

الحرارة النوعية لتبخير الماء عالية جدًا: r H20 = 2.256 10 6 J/kg عند درجة حرارة 100 درجة مئوية. بالنسبة للسوائل الأخرى، على سبيل المثال الكحول والأثير والزئبق والكيروسين، تكون الحرارة النوعية للتبخر أقل بـ 3-10 مرات من حرارة الماء.

لتحويل سائل كتلته m إلى بخار، يلزم وجود كمية من الحرارة تساوي:

س ع = جمهورية مقدونيا. (13.6)

عندما يتكثف البخار، يتم إطلاق نفس الكمية من الحرارة:

س ك = -RM. (13.7)

حرارة الانصهار النوعية.

عندما يذوب جسم بلوري، فإن كل الحرارة الموردة إليه تذهب لزيادة الطاقة الكامنة للتفاعل بين الجزيئات. لا تتغير الطاقة الحركية للجزيئات، لأن الذوبان يحدث عند درجة حرارة ثابتة.

تسمى القيمة التي تساوي عدديا كمية الحرارة اللازمة لتحويل مادة بلورية وزنها 1 كجم عند نقطة الانصهار إلى سائل حرارة محددة للانصهارويشار إليه بالحرف α.

عندما تتبلور مادة تزن 1 كجم، يتم إطلاق نفس كمية الحرارة تمامًا التي يتم امتصاصها أثناء الذوبان.

الحرارة النوعية لذوبان الجليد عالية جدًا: 3.34 · 10 · 5 جول/كجم.

"إذا لم يكن للجليد حرارة انصهار عالية، ففي الربيع يجب أن تذوب كتلة الجليد بأكملها في بضع دقائق أو ثواني، لأن الحرارة تنتقل باستمرار إلى الجليد من الهواء. وستكون عواقب ذلك وخيمة؛ ففي نهاية المطاف، حتى في الوضع الحالي، تنشأ فيضانات كبيرة وتدفقات قوية من المياه عندما تذوب كتل كبيرة من الجليد أو الثلج. ر. بلاك، القرن الثامن عشر.

من أجل إذابة جسم بلوري كتلته m، يلزم وجود كمية من الحرارة تساوي:

Qpl = μm. (13.8)

كمية الحرارة المنطلقة أثناء تبلور الجسم تساوي:

س كر = - μm (13.9)

معادلة التوازن الحراري.

دعونا نفكر في التبادل الحراري داخل نظام يتكون من عدة أجسام لها درجات حرارة مختلفة في البداية، على سبيل المثال، التبادل الحراري بين الماء في وعاء وكرة حديدية ساخنة تم إنزالها في الماء. وفقا لقانون حفظ الطاقة، فإن كمية الحرارة المنبعثة من جسم واحد تساوي عدديا كمية الحرارة التي يتلقاها جسم آخر.

تعتبر كمية الحرارة المعطاة سلبية، وكمية الحرارة المتلقاة تعتبر موجبة. وبالتالي فإن إجمالي كمية الحرارة Q1 + Q2 = 0.

إذا حدث تبادل حراري بين عدة أجسام في نظام معزول، إذن

س 1 + س 2 + س 3 + ... = 0. (13.10)

تسمى المعادلة (13.10). معادلة التوازن الحراري.

هنا Q 1 Q 2, Q 3 هي كميات الحرارة التي تستقبلها أو تطلقها الأجسام. يتم التعبير عن هذه الكميات من الحرارة بالصيغة (13.5) أو الصيغ (13.6) - (13.9)، إذا حدثت تحولات طورية مختلفة للمادة (الذوبان، التبلور، التبخر، التكثيف) أثناء عملية التبادل الحراري.

القدرة الحرارية- هي كمية الحرارة التي يمتصها الجسم عند تسخينه بمقدار درجة واحدة.

يُشار إلى السعة الحرارية لجسم ما بحرف لاتيني كبير مع.

على ماذا تعتمد السعة الحرارية للجسم؟ بادئ ذي بدء، من كتلته. ومن الواضح أن تسخين كيلوغرام واحد من الماء، على سبيل المثال، سيتطلب حرارة أكثر من تسخين 200 جرام.

وماذا عن نوع المادة؟ دعونا نقوم بالتجربة. لنأخذ وعاءين متطابقين، وبعد سكب الماء الذي يزن 400 جرام في أحدهما، وفي الآخر زيت نباتي يزن 400 جرام، سنبدأ في تسخينهما باستخدام شعلات متطابقة. ومن خلال مراقبة قراءات مقياس الحرارة سنرى أن الزيت يسخن بسرعة. لتسخين الماء والزيت إلى نفس درجة الحرارة، يجب تسخين الماء لفترة أطول. ولكن كلما قمنا بتسخين الماء لفترة أطول، كلما زادت الحرارة التي يتلقاها من الموقد.

وبالتالي، هناك حاجة إلى كميات مختلفة من الحرارة لتسخين نفس الكتلة من المواد المختلفة إلى نفس درجة الحرارة. تعتمد كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم، وبالتالي سعته الحرارية، على نوع المادة التي يتكون منها الجسم.

لذلك، على سبيل المثال، لزيادة درجة حرارة الماء وزنه 1 كجم بمقدار 1 درجة مئوية، يلزم وجود كمية حرارة تساوي 4200 جول، ولتسخين نفس الكتلة من زيت عباد الشمس بمقدار 1 درجة مئوية، يلزم وجود كمية حرارة تساوي مطلوب 1700ج.

تسمى الكمية الفيزيائية التي توضح مقدار الحرارة اللازمة لتسخين 1 كجم من المادة بمقدار 1 درجة مئوية سعة حرارية محددةمن هذه المادة.

كل مادة لها قدرتها الحرارية الخاصة، والتي يُشار إليها بالحرف اللاتيني c وتُقاس بالجول لكل كيلوغرام درجة (J/(kg °C)).

تختلف السعة الحرارية النوعية لنفس المادة في حالات التجميع المختلفة (الصلبة والسائلة والغازية). على سبيل المثال، السعة الحرارية النوعية للماء هي 4200 جول/(كجم درجة مئوية)، والسعة الحرارية النوعية للثلج هي 2100 جول/(كجم درجة مئوية)؛ الألومنيوم في الحالة الصلبة لديه قدرة حرارية محددة تبلغ 920 جول/(كجم - درجة مئوية)، وفي الحالة السائلة - 1080 جول/(كجم - درجة مئوية).

لاحظ أن الماء لديه قدرة حرارية نوعية عالية جدًا. ولذلك فإن الماء الموجود في البحار والمحيطات عند تسخينه في الصيف يمتص كمية كبيرة من الحرارة من الهواء. وبفضل هذا، في تلك الأماكن التي تقع بالقرب من المسطحات المائية الكبيرة، الصيف ليس حارا كما هو الحال في الأماكن البعيدة عن الماء.

حساب كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم أو التي يطلقها أثناء التبريد.

ومما سبق يتبين أن كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم تعتمد على نوع المادة التي يتكون منها الجسم (أي سعتها الحرارية النوعية) وعلى كتلة الجسم. ومن الواضح أيضًا أن كمية الحرارة تعتمد على عدد الدرجات التي سنزيد بها درجة حرارة الجسم.

لذا، لتحديد كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الجسم أو التي يطلقها أثناء التبريد، عليك ضرب السعة الحرارية النوعية للجسم بكتلته وبالفرق بين درجتي حرارته النهائية والابتدائية:

س= سم (ر 2 -ر 1),

أين س- كمية الحرارة، ج- سعة حرارية محددة، م- وزن الجسم، ر 1- درجة الحرارة الأولية، ر 2- درجة الحرارة النهائية .

عندما يسخن الجسم ر 2> ر 1وبالتالي س >0 . عندما يبرد الجسم ر 2ط< ر 1وبالتالي س< 0 .

إذا عرفت السعة الحرارية للجسم كله مع, ستحددها الصيغة: س = ج (ر 2 - ر 1).

22) الذوبان: التعريف، حساب كمية الحرارة اللازمة للانصهار أو التصلب، الحرارة النوعية للانصهار، الرسم البياني لـ t 0 (Q).

الديناميكا الحرارية

فرع من فروع الفيزياء الجزيئية يدرس نقل الطاقة، وأنماط تحول نوع من الطاقة إلى نوع آخر. على عكس النظرية الحركية الجزيئية، لا تأخذ الديناميكا الحرارية في الاعتبار البنية الداخلية للمواد والمعلمات الدقيقة.

النظام الديناميكي الحراري

هي مجموعة من الأجسام التي تتبادل الطاقة (على شكل عمل أو حرارة) مع بعضها البعض أو مع البيئة. على سبيل المثال، يبرد الماء الموجود في الغلاية، ويتم تبادل الحرارة بين الماء والغلاية وحرارة الغلاية مع البيئة. أسطوانة بها غاز تحت المكبس: يقوم المكبس بعمل، ونتيجة لذلك يتلقى الغاز الطاقة وتتغير معلماته الكبيرة.

كمية من الحرارة

هذا طاقةالتي يستقبلها النظام أو يطلقها أثناء عملية التبادل الحراري. ويشار إليها بالرمز Q، ويتم قياسها، مثل أي طاقة، بالجول.

ونتيجة لعمليات التبادل الحراري المختلفة، يتم تحديد الطاقة المنقولة بطريقتها الخاصة.

التدفئة والتبريد

تتميز هذه العملية بتغير درجة حرارة النظام. يتم تحديد كمية الحرارة بواسطة الصيغة

السعة الحرارية النوعية للمادة ذاتتقاس بكمية الحرارة اللازمة للإحماء وحدات الكتلةمن هذه المادة بمقدار 1K. يتطلب تسخين 1 كجم من الزجاج أو 1 كجم من الماء كميات مختلفة من الطاقة. السعة الحرارية النوعية هي كمية معروفة، محسوبة بالفعل لجميع المواد؛ انظر القيمة في الجداول الفيزيائية.

السعة الحرارية للمادة C- هذه هي كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجسم دون مراعاة كتلته بمقدار 1 كيلو.

ذوبان وتبلور

الانصهار هو انتقال المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. ويسمى التحول العكسي التبلور.

يتم تحديد الطاقة التي يتم إنفاقها على تدمير الشبكة البلورية للمادة من خلال الصيغة

الحرارة النوعية للانصهار هي قيمة معروفة لكل مادة؛ انظر القيمة في الجداول الفيزيائية.

التبخير (التبخر أو الغليان) والتكثيف

التبخير هو انتقال المادة من الحالة السائلة (الصلبة) إلى الحالة الغازية. العملية العكسية تسمى التكثيف.

والحرارة النوعية للتبخر هي قيمة معروفة لكل مادة؛ انظر القيمة في الجداول الفيزيائية.

الاحتراق

كمية الحرارة المنطلقة عند احتراق المادة

والحرارة النوعية للاحتراق هي قيمة معروفة لكل مادة؛ انظر القيمة في الجداول الفيزيائية.

بالنسبة لنظام أجسام مغلق ومعزول بشكل ثابت، تكون معادلة التوازن الحراري مستوفاة. المجموع الجبري لكميات الحرارة المقدمة والمستقبلة من قبل جميع الهيئات المشاركة في التبادل الحراري يساوي صفر:

س1 +س2+...+س ن =0

23) بنية السوائل. الطبقة السطحية. قوة التوتر السطحي: أمثلة على مظاهرها، حسابها، معامل التوتر السطحي.

من وقت لآخر، قد ينتقل أي جزيء إلى مكان شاغر قريب. تحدث مثل هذه القفزات في السوائل في كثير من الأحيان؛ لذلك، لا ترتبط الجزيئات بمراكز محددة، كما هو الحال في البلورات، ويمكن أن تتحرك عبر كامل حجم السائل. وهذا ما يفسر سيولة السوائل. بسبب التفاعل القوي بين الجزيئات المتقاربة، فإنها يمكن أن تشكل مجموعات مرتبة محلية (غير مستقرة) تحتوي على عدة جزيئات. وتسمى هذه الظاهرة أمر وثيق(الشكل 3.5.1).

يسمى المعامل β معامل درجة حرارة التمدد الحجمي . وهذا المعامل للسوائل أكبر بعشرات المرات من معامل المواد الصلبة. للمياه، على سبيل المثال، عند درجة حرارة 20 درجة مئوية β في ≈ 2 10 – 4 K – 1، للصلب β st ≈ 3.6 10 – 5 K – 1، لزجاج الكوارتز β kv ≈ 9 10 – 6 K – 1 .

إن التمدد الحراري للمياه له شذوذ مثير للاهتمام ومهم للحياة على الأرض. عند درجات حرارة أقل من 4 درجات مئوية، يتمدد الماء مع انخفاض درجة الحرارة (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

عندما يتجمد الماء، فإنه يتمدد، وبالتالي يبقى الجليد طافيا على سطح المسطحات المائية المتجمدة. درجة حرارة الماء المتجمد تحت الجليد هي 0 درجة مئوية. وفي طبقات الماء الأكثر كثافة في قاع الخزان، تبلغ درجة الحرارة حوالي 4 درجات مئوية. بفضل هذا، يمكن أن توجد الحياة في مياه الخزانات المتجمدة.

الميزة الأكثر إثارة للاهتمام للسوائل هي وجودها سطح حر . السائل، على عكس الغازات، لا يملأ كامل حجم الحاوية التي يُسكب فيها. يتم تشكيل واجهة بين السائل والغاز (أو البخار)، والتي تكون في ظروف خاصة مقارنة ببقية السائل. وينبغي أن يؤخذ في الاعتبار أنه بسبب الانضغاطية المنخفضة للغاية، فإن وجود طبقة سطحية أكثر كثافة ولا يؤدي إلى أي تغير ملحوظ في حجم السائل. إذا تحرك الجزيء من السطح إلى السائل، فإن قوى التفاعل بين الجزيئات ستقوم بعمل إيجابي. على العكس من ذلك، من أجل سحب عدد معين من الجزيئات من أعماق السائل إلى السطح (أي زيادة مساحة سطح السائل)، يجب أن تؤدي القوى الخارجية عملاً إيجابياً Δ أخارجي، يتناسب مع التغيير Δ سمساحة السطح:

من المعروف من الميكانيكا أن حالات توازن النظام تتوافق مع القيمة الدنيا لطاقة الوضع. ويترتب على ذلك أن السطح الحر للسائل يميل إلى تقليل مساحته. ولهذا السبب، تأخذ قطرة السائل الحرة شكلًا كرويًا. يتصرف السائل كما لو أن القوى المؤثرة بشكل عرضي على سطحه تتقلص (تسحب) هذا السطح. تسمى هذه القوى قوى التوتر السطحي .

إن وجود قوى التوتر السطحي يجعل سطح السائل يبدو وكأنه فيلم مرن مشدود، مع الاختلاف الوحيد في أن القوى المرنة في الفيلم تعتمد على مساحة سطحه (أي على كيفية تشوه الفيلم)، والتوتر السطحي. القوات لا تعتمدعلى مساحة سطح السائل.

بعض السوائل، مثل الماء والصابون، لديها القدرة على تكوين أغشية رقيقة. فقاعات الصابون المعروفة لها شكل كروي منتظم - وهذا يوضح أيضًا تأثير قوى التوتر السطحي. إذا تم إنزال إطار سلكي، أحد جوانبه متحرك، في محلول صابون، فسيتم تغطية الإطار بأكمله بفيلم سائل (الشكل 3.5.3).

تميل قوى التوتر السطحي إلى تقليل سطح الفيلم. لتحقيق التوازن بين الجانب المتحرك من الإطار، يجب تطبيق قوة خارجية عليه إذا تحرك العارضة بمقدار Δ تحت تأثير القوة س، ثم سيتم تنفيذ العمل Δ أن = فن Δ س = Δ ه ص = σΔ س، حيث Δ س = 2لΔ س– زيادة في المساحة السطحية لجانبي فيلم الصابون. وبما أن معاملي القوى متساويان فيمكننا أن نكتب:

وبالتالي، يمكن تعريف معامل التوتر السطحي σ بأنه معامل قوة التوتر السطحي المؤثرة على وحدة طول الخط المحيط بالسطح.

بسبب تأثير قوى التوتر السطحي في قطرات السائل وداخل فقاعات الصابون، ينشأ ضغط زائد Δ ص. إذا قمت بقطع قطرة كروية من نصف القطر عقليًا رإلى نصفين، فيجب أن يكون كل منهما في حالة توازن تحت تأثير قوى التوتر السطحي المطبقة على حد القطع بطول 2π روقوى الضغط الزائد المؤثرة على المنطقة π ر 2 قسم (الشكل 3.5.4). يتم كتابة حالة التوازن كما

وإذا كانت هذه القوى أكبر من قوى التفاعل بين جزيئات السائل نفسه، فالسائل يبللسطح مادة صلبة. في هذه الحالة، يقترب السائل من سطح المادة الصلبة بزاوية حادة معينة θ، وهي خاصية لزوج سائل-صلب معين. تسمى الزاوية θ زاوية الاتصال . إذا كانت قوى التفاعل بين الجزيئات السائلة تتجاوز قوى تفاعلها مع الجزيئات الصلبة، فإن زاوية التلامس θ تصبح منفرجة (الشكل 3.5.5). وفي هذه الحالة يقولون أن السائل لا يبللسطح مادة صلبة. في ترطيب كاملθ = 0، في عدم التبول الكاملθ = 180 درجة.

الظواهر الشعريةيسمى صعود أو هبوط السائل في أنابيب ذات قطر صغير - الشعيرات الدموية. ترتفع السوائل المبللة عبر الشعيرات الدموية، بينما تنزل السوائل غير المبللة.

في الشكل. يوضح الشكل 3.5.6 أنبوبًا شعريًا بنصف قطر معين ص، تم تخفيضه عند الطرف السفلي إلى سائل مبلل بكثافة ρ. الطرف العلوي من الشعيرات الدموية مفتوح. يستمر صعود السائل في الأنبوب الشعري حتى تصبح قوة الجاذبية المؤثرة على عمود السائل في الأنبوب الشعري متساوية في الحجم مع المحصلة ف n قوى التوتر السطحي المؤثرة على طول حدود تلامس السائل مع سطح الأنبوب الشعري: فر = فن، حيث فر = ملغ = ρ حπ ص 2 ز, فن = σ2π صكوس θ.

ويترتب على ذلك:

مع عدم التبلل الكامل θ = 180°، cos θ = -1، وبالتالي، ح < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

يبلل الماء السطح الزجاجي النظيف بالكامل تقريبًا. وعلى العكس من ذلك، فإن الزئبق لا يبلل سطح الزجاج بالكامل. ولذلك، ينخفض ​​مستوى الزئبق في الوعاء الشعري الزجاجي إلى ما دون المستوى الموجود في الوعاء.

24) التبخير: تعريفه، أنواعه (تبخر، غليان)، حساب كمية الحرارة للتبخير والتكثيف، الحرارة النوعية للتبخير.

التبخر والتكثيف. شرح ظاهرة التبخر بناءً على أفكار حول التركيب الجزيئي للمادة. حرارة التبخير النوعية. وحداتها.

تسمى ظاهرة تحول السائل إلى بخار تبخير.

تبخر - عملية التبخر التي تحدث من سطح مفتوح.

تتحرك جزيئات السائل بسرعات مختلفة. إذا انتهى أي جزيء على سطح السائل، فيمكنه التغلب على جاذبية الجزيئات المجاورة ويطير خارج السائل. تشكل الجزيئات المقذوفة بخارًا. تتغير سرعة الجزيئات المتبقية من السائل عند الاصطدام. وفي الوقت نفسه، تكتسب بعض الجزيئات سرعة كافية لتطير خارج السائل. تستمر هذه العملية حتى تتبخر السوائل ببطء.

* يعتمد معدل التبخر على نوع السائل. تلك السوائل التي تنجذب جزيئاتها بقوة أقل تتبخر بشكل أسرع.

* يمكن أن يحدث التبخر في أي درجة حرارة. ولكن في درجات الحرارة المرتفعة يحدث التبخر بشكل أسرع .

* يعتمد معدل التبخر على مساحة سطحه.

*مع الرياح (تدفق الهواء)، يحدث التبخر بشكل أسرع.

أثناء التبخر، تنخفض الطاقة الداخلية، لأن أثناء التبخر، يترك السائل جزيئات سريعة، وبالتالي، ينخفض ​​\u200b\u200bمتوسط ​​سرعة الجزيئات المتبقية. وهذا يعني أنه إذا لم يكن هناك تدفق للطاقة من الخارج، فإن درجة حرارة السائل تنخفض.

تسمى ظاهرة تحول البخار إلى سائل التكثيف. ويرافقه إطلاق الطاقة.

يفسر تكثيف البخار تشكل السحب. ويشكل بخار الماء المتصاعد فوق سطح الأرض سحبًا في الطبقات العليا من الهواء البارد، والتي تتكون من قطرات صغيرة من الماء.

حرارة التبخير النوعية - بدني قيمة توضح مقدار الحرارة اللازمة لتحويل سائل وزنه 1 كجم إلى بخار دون تغير درجة الحرارة.

أود. حرارة التبخير يُشار إليه بالحرف L ويُقاس بـ J/kg

أود. حرارة تبخر الماء: L=2.3×10 6 J/kg، الكحول L=0.9×10 6

كمية الحرارة اللازمة لتحويل السائل إلى بخار: Q = Lm

تسمى عملية نقل الطاقة من جسم إلى آخر دون بذل شغل التبادل الحراريأو نقل الحرارة. يحدث التبادل الحراري بين الأجسام التي لها درجات حرارة مختلفة. عند حدوث اتصال بين الأجسام ذات درجات الحرارة المختلفة، يتم نقل جزء من الطاقة الداخلية من الجسم الذي درجة حرارته أعلى إلى الجسم الذي تكون درجة حرارته أقل. تسمى الطاقة التي تنتقل إلى الجسم نتيجة التبادل الحراري كمية من الحرارة.

السعة الحرارية النوعية للمادة:

إذا لم تكن عملية انتقال الحرارة مصحوبة بشغل، فبناء على القانون الأول للديناميكا الحرارية فإن كمية الحرارة تساوي التغير في الطاقة الداخلية للجسم: .

يتناسب متوسط ​​طاقة الحركة الانتقالية العشوائية للجزيئات مع درجة الحرارة المطلقة. إن التغير في الطاقة الداخلية لجسم ما يساوي المجموع الجبري للتغيرات في طاقة جميع الذرات أو الجزيئات التي يتناسب عددها مع كتلة الجسم، وبالتالي التغير في الطاقة الداخلية، وبالتالي، تتناسب كمية الحرارة مع الكتلة والتغير في درجة الحرارة:

ويسمى عامل التناسب في هذه المعادلة السعة الحرارية النوعية للمادة. توضح السعة الحرارية النوعية مقدار الحرارة اللازمة لتسخين 1 كجم من المادة بمقدار 1 ك.

العمل في الديناميكا الحرارية:

في الميكانيكا، يتم تعريف الشغل على أنه حاصل ضرب معاملي القوة والإزاحة وجيب تمام الزاوية بينهما. يتم الشغل عندما تؤثر قوة على جسم متحرك وتكون مساوية للتغير في طاقته الحركية.

في الديناميكا الحرارية، لا تؤخذ في الاعتبار حركة الجسم ككل؛ فنحن نتحدث عن حركة أجزاء الجسم العياني بالنسبة لبعضها البعض. ونتيجة لذلك يتغير حجم الجسم، لكن سرعته تظل مساوية للصفر. يتم تعريف العمل في الديناميكا الحرارية بنفس الطريقة كما هو الحال في الميكانيكا، ولكنه يساوي التغيير ليس في الطاقة الحركية للجسم، ولكن في طاقته الداخلية.

عند تنفيذ شغل (ضغط أو تمدد)، تتغير الطاقة الداخلية للغاز. السبب في ذلك هو: أثناء التصادمات المرنة لجزيئات الغاز مع مكبس متحرك، تتغير طاقتها الحركية.

دعونا نحسب الشغل الذي يبذله الغاز أثناء التمدد. يؤثر الغاز بقوة على المكبس
، أين - ضغط الغاز، و - مساحة السطح مكبس عندما يتمدد الغاز، يتحرك المكبس في اتجاه القوة مسافة قصيرة
. إذا كانت المسافة صغيرة، فيمكن اعتبار ضغط الغاز ثابتا. الشغل الذي يبذله الغاز هو:

أين
- التغير في حجم الغاز.

وفي عملية تمدد الغاز، فإنه يقوم بعمل إيجابي، لأن اتجاه القوة والإزاحة يتطابقان. أثناء عملية التمدد، يطلق الغاز الطاقة إلى الأجسام المحيطة.

يختلف الشغل الذي تبذله الأجسام الخارجية على الغاز عن الشغل الذي يبذله الغاز فقط بالإشارة
، منذ القوة ، المؤثر على الغاز، معاكس للقوة ، الذي يعمل به الغاز على المكبس، ويساويه في المعامل (قانون نيوتن الثالث)؛ لكن الحركة تبقى كما هي. وبالتالي فإن عمل القوى الخارجية يساوي:

.

القانون الأول للديناميكا الحرارية:

القانون الأول للديناميكا الحرارية هو قانون حفظ الطاقة، ويمتد ليشمل الظواهر الحرارية. قانون حفظ الطاقة: الطاقة في الطبيعة لا تنشأ من لا شيء ولا تختفي: كمية الطاقة لا تتغير، إنها فقط تنتقل من شكل إلى آخر.

تدرس الديناميكا الحرارية الأجسام التي يظل مركز ثقلها دون تغيير تقريبًا. وتظل الطاقة الميكانيكية لمثل هذه الأجسام ثابتة، ولا يمكن أن تتغير إلا الطاقة الداخلية.

يمكن أن تتغير الطاقة الداخلية بطريقتين: نقل الحرارة والشغل. في الحالة العامة، تتغير الطاقة الداخلية بسبب انتقال الحرارة وبسبب الشغل المبذول. تمت صياغة القانون الأول للديناميكا الحرارية خصيصًا لمثل هذه الحالات العامة:

إن التغير في الطاقة الداخلية للنظام أثناء انتقاله من حالة إلى أخرى يساوي مجموع عمل القوى الخارجية وكمية الحرارة المنقولة إلى النظام:

وإذا كان النظام معزولاً فلا يتم بذل أي شغل عليه ولا يتبادل الحرارة مع الأجسام المحيطة به. وفقا للقانون الأول للديناميكا الحرارية تظل الطاقة الداخلية لنظام معزول دون تغيير.

بالنظر إلى ذلك
، يمكن كتابة القانون الأول للديناميكا الحرارية على النحو التالي:

تذهب كمية الحرارة المنقولة إلى النظام لتغيير طاقته الداخلية ولأداء العمل على الأجسام الخارجية بواسطة النظام.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية: من المستحيل نقل الحرارة من نظام أكثر برودة إلى نظام أكثر سخونة في غياب تغييرات أخرى متزامنة في كلا النظامين أو في الأجسام المحيطة.