Обозначение количество теплоты в физике: Конспект «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость»

Конспект «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость»

«Количество теплоты. Удельная теплоёмкость»

Количество теплоты

Изменение внутренней энергии путём совершения работы характеризуется величиной работы, т.е. работа является мерой изменения внутренней энергии в данном процессе. Изменение внутренней энергии тела при теплопередаче характеризуется величиной, называемой количествоv теплоты.

Количество теплоты – это изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы.  Количество теплоты обозначают буквой Q.

Работа, внутренняя энергия и количество теплоты измеряются в одних и тех же единицах — джоулях (Дж), как и всякий вид энергии.

В тепловых измерениях в качестве единицы количества теплоты раньше использовалась особая единица энергии — калория (кал), равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия (точнее, от 19,5 до 20,5 °С). Данную единицу, в частности, используют в настоящее время при расчетах потребления тепла (тепловой энергии) в многоквартирных домах. Опытным путем установлен механический эквивалент теплоты — соотношение между калорией и джоулем: 1 кал = 4,2 Дж.

При передаче телу некоторого количества теплоты без совершения работы его внутренняя энергия увеличивается, если тело отдаёт какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия уменьшается.

Если в два одинаковых сосуда налить в один 100 г воды, а в другой 400 г при одной и той же температуре и поставить их на одинаковые горелки, то раньше закипит вода в первом сосуде. Таким образом, чем больше масса тела, тем большее количество тепла требуется ему для нагревания. То же самое и с охлаждением.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела зависит еще и от рода вещества, из которого это тело сделано. Эта зависимость количества теплоты, необходимого для нагревания тела, от рода вещества характеризуется физической величиной, называемой удельной теплоёмкостью вещества.

Удельная теплоёмкость

Удельная теплоёмкость – это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества для нагревания его на 1 °С (или на 1 К). Такое же количество теплоты 1 кг вещества отдаёт при охлаждении на 1 °С.

Удельная теплоёмкость обозначается буквой с. Единицей удельной теплоёмкости является 1 Дж/кг °С или 1 Дж/кг °К.

Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, очень маленькую удельную теплоёмкость имеет золото.

Поскольку кол-во теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 °С. В частности, внутренняя энергия 1 кг свинца при его нагревании на 1 °С увеличивается на 140 Дж, а при охлаждении уменьшается на 140 Дж.

Количество теплоты Q, необходимое для нагревания тела массой m от температуры t₁°С до температуры t₂°С, равно произведению удельной теплоёмкости вещества, массы тела и разности конечной и начальной температур, т.е.

Q = c ∙ m (t₂ — t₁) 

По этой же формуле вычисляется и количество теплоты, которое тело отдаёт при охлаждении. Только в этом случае от начальной температуры следует отнять конечную, т.е. от большего значения температуры отнять меньшее.

Это конспект по теме «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость». Выберите дальнейшие действия:

Количество теплоты. Удельная теплоёмкость – FIZI4KA

1. Изменение внутренней энергии путём совершения работы характеризуется величиной работы, т.е. работа является мерой изменения внутренней энергии в данном процессе. Изменение внутренней энергии тела при теплопередаче характеризуется величиной, называемой количеством теплоты.

Количеством теплоты называется изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы.

Количество теплоты обозначают буквой ​\( Q \)​. Так как количество теплоты является мерой изменения внутренней энергии, то его единицей является джоуль (1 Дж).

При передаче телу некоторого количества теплоты без совершения работы его внутренняя энергия увеличивается, если тело отдаёт какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия уменьшается.

2. Если в два одинаковых сосуда налить в один 100 г воды, а в другой 400 г при одной и той же температуре и поставить их на одинаковые горелки, то раньше закипит вода в первом сосуде. Таким образом, чем больше масса тела, тем большее количество теплоты требуется ему для нагревания. То же самое и с охлаждением: тело большей массы при охлаждении отдаёт большее количество теплоты. Эти тела сделаны из одного и того же вещества и нагреваются они или охлаждаются на одно и то же число градусов.

\[ Q\sim m \]

​3. Если теперь нагревать 100 г воды от 30 до 60 °С, т.е. на 30 °С, а затем до 100 °С, т.е. на 70 °С, то в первом случае на нагревание уйдёт меньше времени, чем во втором, и, соответственно, на нагревание воды на 30 °С, будет затрачено меньшее количество теплоты, чем на нагревание воды на 70 °С. Таким образом, количество теплоты прямо пропорционально разности конечной ​\( (t_2\,^\circ C) \)​ и начальной \( (t_1\,^\circ C) \) температур: ​\( Q\sim(t_2-t_1) \)​.

4. Если теперь в один сосуд налить 100 г воды, а в другой такой же сосуд налить немного воды и положить в неё такое металлическое тело, чтобы его масса и масса воды составляли 100 г, и нагревать сосуды на одинаковых плитках, то можно заметить, что в сосуде, в котором находится только вода, температура будет ниже, чем в том, в котором находятся вода и металлическое тело. Следовательно, чтобы температура содержимого в обоих сосудах была одинаковой нужно воде передать большее количество теплоты, чем воде и металлическому телу. Таким образом, количество теплоты, необходимое для нагревания тела зависит от рода вещества, из которого это тело сделано.

5. Зависимость количества теплоты, необходимого для нагревания тела, от рода вещества характеризуется физической величиной, называемой удельной теплоёмкостью вещества.

Физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества для нагревания его на 1 °С (или на 1 К), называется удельной теплоёмкостью вещества.

Такое же количество теплоты 1 кг вещества отдаёт при охлаждении на 1 °С.

Удельная теплоёмкость обозначается буквой ​\( c \)​. Единицей удельной теплоёмкости является 1 Дж/кг °С или 1 Дж/кг К.

Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, очень маленькую удельную теплоёмкость имеет золото.

Удельная теплоёмкость свинца 140 Дж/кг °С. Это значит, что для нагревания 1 кг свинца на 1 °С необходимо затратить количество теплоты 140 Дж. Такое же количество теплоты выделится при остывании 1 кг воды на 1 °С.

Поскольку количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 °С. В частности, внутренняя энергия 1 кг свинца при его нагревании на 1 °С увеличивается на 140 Дж, а при охлаждении уменьшается на 140 Дж.

Количество теплоты ​\( Q \)​, необходимое для нагревания тела массой ​\( m \)​ от температуры \( (t_1\,^\circ C) \) до температуры \( (t_2\,^\circ C) \), равно произведению удельной теплоёмкости вещества, массы тела и разности конечной и начальной температур, т.е.

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

​По этой же формуле вычисляется и количество теплоты, которое тело отдаёт при охлаждении. Только в этом случае от начальной температуры следует отнять конечную, т.е. от большего значения температуры отнять меньшее.

6. Пример решения задачи. В стакан, содержащий 200 г воды при температуре 80 °С, налили 100 г воды при температуре 20 °С. После чего в сосуде установилась температура 60 °С. Какое количество теплоты получила холодная вода и отдала горячая вода?

При решении задачи необходимо выполнять следующую последовательность действий:

1. записать кратко условие задачи;
2. перевести значения величин в СИ;
3. проанализировать задачу, установить, какие тела участвуют в теплообмене, какие тела отдают энергию, а какие получают;
4. решить задачу в общем виде;
5. выполнить вычисления;
6. проанализировать полученный ответ.

1. Условие задачи.

Дано:
​\( m_1 \)​ = 200 г
​\( m_2 \)​ = 100 г
​\( t_1 \)​ = 80 °С
​\( t_2 \)​ = 20 °С
​\( t \)​ = 60 °С
______________

​\( Q_1 \)​ — ? ​\( Q_2 \)​ — ?
​\( c_1 \)​ = 4200 Дж/кг · °С

2. СИ: ​\( m_1 \)​ = 0,2 кг; ​\( m_2 \)​ = 0,1 кг.

3. Анализ задачи. В задаче описан процесс теплообмена между горячей и холодной водой. Горячая вода отдаёт количество теплоты ​\( Q_1 \)​ и охлаждается от температуры ​\( t_1 \)​ до температуры ​\( t \)​. Холодная вода получает количество теплоты ​\( Q_2 \)​ и нагревается от температуры ​\( t_2 \)​ до температуры ​\( t \)​.

4. Решение задачи в общем виде. Количество теплоты, отданное горячей водой, вычисляется по формуле: ​\( Q_1=c_1m_1(t_1-t) \)​.

Количество теплоты, полученное холодной водой, вычисляется по формуле: \( Q_2=c_2m_2(t-t_2) \).

5. Вычисления.
​\( Q_1 \)​ = 4200 Дж/кг · °С · 0,2 кг · 20 °С = 16800 Дж
\( Q_2 \) = 4200 Дж/кг · °С · 0,1 кг · 40 °С = 16800 Дж

6. В ответе получено, что количество теплоты, отданное горячей водой, равно количеству теплоты, полученному холодной водой. При этом рассматривалась идеализированная ситуация и не учитывалось, что некоторое количество теплоты пошло на нагревание стакана, в котором находилась вода, и окружающего воздуха. В действительности же количество теплоты, отданное горячей водой, больше, чем количество теплоты, полученное холодной водой.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Удельная теплоёмкость серебра 250 Дж/(кг · °С). Что это означает?

1) при остывании 1 кг серебра на 250 °С выделяется количество теплоты 1 Дж
2) при остывании 250 кг серебра на 1 °С выделяется количество теплоты 1 Дж
3) при остывании 250 кг серебра на 1 °С поглощается количество теплоты 1 Дж
4) при остывании 1 кг серебра на 1 °С выделяется количество теплоты 250 Дж

2. Удельная теплоёмкость цинка 400 Дж/(кг · °С). Это означает, что

1) при нагревании 1 кг цинка на 400 °С его внутренняя энергия увеличивается на 1 Дж
2) при нагревании 400 кг цинка на 1 °С его внутренняя энергия увеличивается на 1 Дж
3) для нагревания 400 кг цинка на 1 °С его необходимо затратить 1 Дж энергии
4) при нагревании 1 кг цинка на 1 °С его внутренняя энергия увеличивается на 400 Дж

3. При передаче твёрдому телу массой ​\( m \)​ количества теплоты ​\( Q \)​ температура тела повысилась на ​\( \Delta t^\circ \)​. Какое из приведённых ниже выражений определяет удельную теплоёмкость вещества этого тела?

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. На рисунке приведён график зависимости количества теплоты, необходимого для нагревания двух тел (1 и 2) одинаковой массы, от температуры. Сравните значения удельной теплоёмкости (​\( c_1 \)​ и ​\( c_2 \)​) веществ, из которых сделаны эти тела.

1) ​\( c_1=c_2 \)​
2) ​\( c_1>c_2 \)​
3) \( c_1<c_2 \)
4) ответ зависит от значения массы тел

5. На диаграмме представлены значения количества теплоты, переданного двум телам равной массы при изменении их температуры на одно и то же число градусов. Какое соотношение для удельных теплоёмкостей веществ, из которых изготовлены тела, является верным?

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

6. На рисунке представлен график зависимости температуры твёрдого тела от отданного им количества теплоты. Масса тела 4 кг. Чему равна удельная теплоёмкость вещества этого тела?

1) 500 Дж/(кг · °С)
2) 250 Дж/(кг · °С)
3) 125 Дж/(кг · °С)
4) 100 Дж/(кг · °С)

7. При нагревании кристаллического вещества массой 100 г измеряли температуру вещества и количество теплоты, сообщённое веществу. Данные измерений представили в виде таблицы. Считая, что потерями энергии можно пренебречь, определите удельную теплоёмкость вещества в твёрдом состоянии.

1) 192 Дж/(кг · °С)
2) 240 Дж/(кг · °С)
3) 576 Дж/(кг · °С)
4) 480 Дж/(кг · °С)

8. Чтобы нагреть 192 г молибдена на 1 К, нужно передать ему количество теплоты 48 Дж. Чему равна удельная теплоёмкость этого вещества?

1) 250 Дж/(кг · К)
2) 24 Дж/(кг · К)
3) 4·10^-3 Дж/(кг · К)
4) 0,92 Дж/(кг · К)

9. Какое количество теплоты необходимо для нагревания 100 г свинца от 27 до 47 °С?

1) 390 Дж
2) 26 кДж
3) 260 Дж
4) 390 кДж

10. На нагревание кирпича от 20 до 85 °С затрачено такое же количество теплоты, как для нагревания воды такой же массы на 13 °С. Удельная теплоёмкость кирпича равна

1) 840 Дж/(кг · К)
2) 21000 Дж/(кг · К)
3) 2100 Дж/(кг · К)
4) 1680 Дж/(кг · К)

11. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Количество теплоты, которое тело получает при повышении его температуры на некоторое число градусов, равно количеству теплоты, которое это тело отдаёт при понижении его температуры на такое же число градусов.
2) При охлаждении вещества его внутренняя энергия увеличивается.
3) Количество теплоты, которое вещество получает при нагревании, идёт главным образом на увеличение кинетической энергии его молекул.
4) Количество теплоты, которое вещество получает при нагревании, идёт главным образом на увеличение потенциальной энергии взаимодействия его молекул
5) Внутреннюю энергию тела можно изменить, только сообщив ему некоторое количество теплоты

12. В таблице представлены результаты измерений массы ​\( m \)​, изменения температуры ​\( \Delta t \)​ и количества теплоты ​\( Q \)​, выделяющегося при охлаждении цилиндров, изготовленных из меди или алюминия.

Какие утверждения соответствуют результатам проведённого эксперимента? Из предложенного перечня выберите два правильных. Укажите их номера. На основании проведенных измерений можно утверждать, что количество теплоты, выделяющееся при охлаждении,

1) зависит от вещества, из которого изготовлен цилиндр.
2) не зависит от вещества, из которого изготовлен цилиндр.
3) увеличивается при увеличении массы цилиндра.
4) увеличивается при увеличении разности температур.
5) удельная теплоёмкость алюминия в 4 раза больше, чем удельная теплоёмкость олова.

Часть 2

C1.Твёрдое тело массой 2 кг помещают в печь мощностью 2 кВт и начинают нагревать. На рисунке изображена зависимость температуры ​\( t \)​ этого тела от времени нагревания ​\( \tau \)​. Чему равна удельная теплоёмкость вещества?

1) 400 Дж/(кг · °С)
2) 200 Дж/(кг · °С)
3) 40 Дж/(кг · °С)
4) 20 Дж/(кг · °С)

Ответы

Количество теплоты. Удельная теплоёмкость

5 (100%) 1 vote

Количество теплоты

Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин.
Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние.

Внутренняя энергия тела может изменяться за счет работы внешних сил. Для характеристики изменения внутренней энергии при теплообмене вводится величина, называемая количеством теплоты и обозначаемая Q.
В международной системе единицей количества теплоты, также как работы и энергии, является джоуль: [Q] = [A] = [E] = 1 Дж.
На практике еще иногда применяется внесистемная единица количества теплоты – калория. 1 кал. = 4,2 Дж.

Количество теплоты, передаваемое от одного тела к другому, может идти на нагревание тела, плавление, парообразование, либо выделяться при противоположных процессах – остывании тела, кристаллизации, конденсации. Теплота выделяется при сгорании топлива.
Между массой вещества и количеством теплоты, необходимым для его нагревания, существует прямая пропорциональная зависимость.

• Количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяющееся при его охлаждении, прямо пропорционально массе тела и изменению его температуры:

Q = cmΔT,
где с — удельная теплоемкость [Дж/кг·К], m — масса тела [кг], ΔT — изменение температуры [К]

• Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар или выделяющееся при его конденсации, прямо пропорционально массе жидкости:

Q = Lm,
где L — удельная теплота парообразования [Дж/кг], m — масса тела [кг]

• Количество теплоты, необходимое для плавления тела или выделяющееся при его кристаллизации, прямо пропорционально массе этого тела:

Q = λm,
где λ (лямбда) — удельная теплота плавления [Дж/кг], m — масса тела [кг]

• Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива, прямо пропорционально его массе:

Q = qm,
где q — удельная теплота сгорания [Дж/кг], m — масса тела [кг]

Удельная теплоемкость вещества показывает, чему равно количество теплоты, необходимое для нагревания или выделяющееся при охлаждении 1 кг вещества на 1 К.

Удельные теплоты парообразования, плавления, сгорания показывают, какое количество теплоты требуется для парообразования, плавления или выделяется при конденсации, кристаллизации, сгорании 1 кг вещества.

Другие заметки по физике

Все формулы по физике 8 класса

Количество теплоты, выделяемое проводником с током — урок. Физика, 8 класс.

Проходя по проводнику, ток может оказывать некоторые действия: тепловое, химическое и магнитное (подробно об этом можно почитать в \(7\) теме). Вспомним, с чем связано тепловое действие тока. Оно объясняется тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, кислот, щелочей, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В результате работы электрического тока внутренняя энергия проводника увеличивается. Например, спираль лампочки раскаляется до такой температуры, что начинает излучать свет.

Нагретый проводник отдаёт полученную энергию окружающим телам путём теплопередачи. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течёт ток, равно работе тока, т.е. Q = A, где \(А\) — работа тока, \(Q\) — количество теплоты.
Работу тока рассчитывают по формуле: A = U⋅I⋅t. Тогда количество теплоты будет определяться по такой же формуле: Q = U⋅I⋅t.

Пользуясь законом Ома, можно количество теплоты, выделяемое проводником с током, выразить через силу тока \(I\), сопротивление участка цепи \(R\) и время \(t\). Зная, что напряжение U = IR, получим: Q = I2⋅R⋅t.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

К такому же выводу на основании опытов пришли независимо друг от друга английский учёный Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Поэтому сформулированный выше вывод называется законом Джоуля—Ленца.

Джоуль Джеймс Прескотт (\(1818—1889\)) — английский физик, член Лондонского королевского общества. Он внёс значительный вклад в исследование электромагнетизма и тепловых явлений, в создание физики низких температур, в обоснование закона сохранения и превращения энергии. Именем Джоуля назвали единицу измерения работы и энергии в системе СИ.

Эмилий Христианович Ленц (\(1804—1865\)) — российский физик и электротехник, академик Петербургской АН (\(1830\)), ректор Санкт-Петербургского университета (с \(1863\)) — один из основоположников электротехники. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока.

Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах.

Состояние сети, когда по проводам и приборам проходит ток больше допустимого значения, называется перегрузкой. Опасность этого явления в тепловом действии тока, ведь при большой перегрузке изоляция проводников легко воспламеняется. Перегрузка может возникнуть при подключении устройств большой мощности через удлинитель (смотри рисунок и никогда так не делай!).

Для примера, перегрузка проводов на \(25\)% приводит к сокращению срока их службы где-то с \(20\) лет до \(3—5\) месяцев, а перегрузка проводов на \(50\)% — до нескольких часов.

Источники:

Пёрышкин А.В. Физика, 8 класс// ДРОФА, 2013.

http://www.myshared.ru/slide/93472/ 
http://electricalschool.info/main/osnovy/1090-zakon-dzhoulja-lenca.html
http://class-fizika.narod.ru/10_7.htm
http://уроки.мирфизики.рф/%d0%b7%d0%b0%d0%ba%d0%be%d0%bd-%d0%b4%d0%b6%d0%be%d1%83%d0%bb%d1%8f-%d0%bb%d0%b5%d0%bd%d1%86%d0%b0/
http://www.nscience.ru/chemistry/physical/thermodynamics/what_does_thermidynamics_research/
http://energetika.in.ua/ru/books/book-2/part-2/section-1/1-2
http://to-name.ru/biography/emilij-lenc.htm
http://mistroim.ru/remont-pomesheniy/elektrichestvo/kakie-neispravnosti-v-elektroseti-mogut-vozniknut/
http://frutmrut.ru/zakon-dzhoulya-lenca

термодинамика | Законы, определения и уравнения

Термодинамика , наука о взаимосвязи между теплотой, работой, температурой и энергией. В широком смысле термодинамика имеет дело с передачей энергии из одного места в другое и из одной формы в другую. Ключевое понятие заключается в том, что тепло — это форма энергии, соответствующая определенному количеству механической работы.

Популярные вопросы

Что такое термодинамика?

Термодинамика — это исследование отношений между теплотой, работой, температурой и энергией.Законы термодинамики описывают, как изменяется энергия в системе и может ли система выполнять полезную работу со своим окружением.

Является ли термодинамика физикой?

Да, термодинамика — это раздел физики, изучающий изменение энергии в системе. Ключевой вывод термодинамики состоит в том, что тепло — это форма энергии, которая соответствует механической работе (то есть приложению силы к объекту на расстоянии).

Тепло не было официально признано формой энергии примерно до 1798 года, когда граф Рамфорд (сэр Бенджамин Томпсон), британский военный инженер, заметил, что при сверлении стволов пушек может выделяться безграничное количество тепла и что количество тепла Вырабатываемое тепло пропорционально работе, выполняемой при токарной обработке тупого расточного инструмента.Наблюдение Рамфорда о пропорциональности выделяемого тепла и проделанной работы лежит в основе термодинамики. Еще одним пионером был французский военный инженер Сади Карно, который ввел концепцию цикла тепловой машины и принцип обратимости в 1824 году. Работа Карно касалась ограничений на максимальный объем работы, которую можно получить от паровой машины, работающей с высокотемпературная теплопередача как движущая сила. Позже в том же веке эти идеи были развиты Рудольфом Клаузиусом, немецким математиком и физиком, в первый и второй законы термодинамики, соответственно.

Наиболее важные законы термодинамики:

• Нулевой закон термодинамики. Когда две системы находятся в тепловом равновесии с третьей системой, первые две системы находятся в тепловом равновесии друг с другом. Это свойство делает целесообразным использование термометров в качестве «третьей системы» и определения шкалы температур.

• Первый закон термодинамики или закон сохранения энергии. Изменение внутренней энергии системы равно разнице между теплом, добавленным к системе из окружающей среды, и работой, выполняемой системой над своим окружением.

• Второй закон термодинамики. Тепло не перетекает самопроизвольно из более холодной области в более горячую, или, что то же самое, тепло при данной температуре не может быть полностью преобразовано в работу. Следовательно, энтропия замкнутой системы или тепловая энергия на единицу температуры со временем увеличивается до некоторого максимального значения. Таким образом, все закрытые системы стремятся к состоянию равновесия, в котором энтропия максимальна, а энергия недоступна для выполнения полезной работы.
• Третий закон термодинамики. Энтропия идеального кристалла элемента в его наиболее стабильной форме стремится к нулю, когда температура приближается к абсолютному нулю. Это позволяет установить абсолютную шкалу энтропии, которая со статистической точки зрения определяет степень случайности или беспорядка в системе.

Хотя термодинамика быстро развивалась в 19 веке в ответ на потребность в оптимизации производительности паровых двигателей, широкая общность законов термодинамики делает их применимыми ко всем физическим и биологическим системам.В частности, законы термодинамики дают полное описание всех изменений энергетического состояния любой системы и ее способности выполнять полезную работу со своим окружением.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.
Подпишитесь сегодня

Эта статья посвящена классической термодинамике, которая не включает рассмотрение отдельных атомов или молекул. Такие проблемы находятся в центре внимания раздела термодинамики, известного как статистическая термодинамика или статистическая механика, которая выражает макроскопические термодинамические свойства с точки зрения поведения отдельных частиц и их взаимодействий.Его корни уходят в последнюю половину 19 века, когда атомные и молекулярные теории материи стали общепринятыми.

Основные концепции

Термодинамические состояния

Применение принципов термодинамики начинается с определения системы, которая в некотором смысле отличается от своего окружения. Например, система может представлять собой образец газа внутри цилиндра с подвижным поршнем, целую паровую машину, марафонца, планету Земля, нейтронную звезду, черную дыру или даже всю Вселенную.В общем, системы могут свободно обмениваться теплом, работой и другими видами энергии со своим окружением.

Состояние системы в любой момент времени называется ее термодинамическим состоянием. Для газа в цилиндре с подвижным поршнем состояние системы определяется температурой, давлением и объемом газа. Эти свойства являются характеристическими параметрами, которые имеют определенные значения в каждом состоянии и не зависят от способа, которым система пришла в это состояние. Другими словами, любое изменение значения свойства зависит только от начального и конечного состояний системы, а не от пути, пройденного системой от одного состояния к другому.Такие свойства называются функциями состояния. Напротив, работа, выполняемая при движении поршня и расширении газа, и тепло, которое газ поглощает из окружающей среды, зависят от того, каким образом происходит расширение.

Поведение сложной термодинамической системы, такой как атмосфера Земли, можно понять, сначала применив принципы состояний и свойств к ее составным частям — в данном случае к воде, водяному пару и различным газам, составляющим атмосферу. Выделяя образцы материала, состояниями и свойствами которых можно управлять и управлять ими, можно изучать свойства и их взаимосвязи по мере того, как система изменяется от состояния к состоянию.

.

Измерение и погрешности — IB Physics

См. Руководство по этой теме.

1.1 — Измерения в физике

• Основные и производные единицы

Основные единицы СИ

Производные единицы представляют собой комбинации основных единиц.-15

Для определенного значения все цифры значимы, кроме:

1. Ведущие нули
2. Завершающие нули, если это значение не имеет десятичной точки, например:

• 12300 имеет 3 значащие цифры. Два нуля в конце не имеют значения.
• 012300 имеет 5 значащих цифр. Два ведущих нуля не имеют значения. Два конечных нуля значимы.

При умножении или делении чисел количество значащих цифр в значении результата не должно превышать наименьшее точное значение вычисления.

Количество значащих цифр в любом ответе должно соответствовать количеству значащих цифр в данных в вопросе.

FYI

• При умножении / делении ответьте на наименьшую значащую цифру (S.F.).
• В ответ на сложение / вычитание укажите наименьший десятичный разряд (D.P.).

Порядки величины даны в степенях 10, аналогично тем, которые были даны ранее в разделе научных обозначений.0 0

Оценки обычно делаются с точностью до степени 10. Некоторые примеры приведены в таблицах в разделе порядков величин.

1.2 — Неопределенности и ошибки

• Случайные и систематические ошибки

• Абсолютная, дробная и процентная погрешности

Физические измерения иногда выражаются в форме x ± Δx.Например, 10 ± 1 будет означать диапазон от 9 до 11 для измерения.

Расчет с погрешностями

Планки погрешностей — это столбики на графиках, которые указывают на погрешности.Они могут быть горизонтальными или вертикальными с общей длиной двух абсолютных неопределенностей.

• Неопределенность градиента и пересечения

Линия наилучшего соответствия : прямая линия, нарисованная на графике так, чтобы среднее расстояние между точками данных и линией было минимальным.

Линия максимума / минимума: Две линии с максимально возможным уклоном и минимально возможным уклоном при условии, что они обе проходят через все планки погрешностей.

Неопределенность пересечений прямолинейного графика: Разница между точками пересечения линии наилучшего соответствия и линии максимума / минимума.

Неопределенность градиента: Разница между градиентами линии наилучшего соответствия и линии максимума / минимума.

1.3 — Векторы и скаляры

• Векторные и скалярные величины

• Сочетание и разрешение векторов

Сложение и вычитание векторов может выполняться методом параллелограмма или методом «голова к хвосту».Сумма векторов, образующих замкнутый многоугольник (цикл), равна нулю.

При разрешении векторов в двух направлениях, векторы можно разрешить на пару перпендикулярных компонентов.

FYI

Связь между двумя наборами данных можно определить графически.

Нравится:

Нравится Загрузка…

.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Тепло — это сумма кинетической энергии атомов или молекул. В термодинамике тепло означает энергию, которая перемещается между двумя объектами, когда одна из них имеет более высокую температуру, чем другая.

Добавление тепла к чему-либо увеличивает его температуру, но тепло — это не то же самое, что температура. Температура объекта — это мера средней скорости движущихся в нем частиц. Энергия частиц называется внутренней энергией.Когда объект нагревается, его внутренняя энергия может увеличиваться, делая объект более горячим. Первый закон термодинамики гласит, что увеличение внутренней энергии равно добавленному теплу за вычетом работы, совершаемой с окружающей средой.

Тепло также можно определить как количество тепловой энергии в системе. ^[1] Тепловая энергия — это тип энергии, который объект имеет благодаря своей температуре. В термодинамике тепловая энергия — это внутренняя энергия, присутствующая в системе в состоянии термодинамического равновесия из-за ее температуры. ^[2] То есть тепла определяется как самопроизвольный поток энергии (энергия в пути) от одного объекта к другому, вызванный разницей в температуре между двумя объектами; следовательно, предметы не обладают теплом. ^[3]

Тепло — это форма энергии, а не физическая субстанция. У тепла нет массы.

Тепло может перемещаться из одного места в другое по-разному:

Мерилом того, сколько тепла необходимо для изменения температуры материала, является удельная теплоемкость материала.Если частицы в материале тяжело перемещаются, то требуется больше энергии, чтобы заставить их двигаться быстро, поэтому большое количество тепла вызовет небольшое изменение температуры. Другой частице, которую легче перемещать, потребуется меньше тепла для того же изменения температуры.

Удельную теплоемкость можно посмотреть в таблице, подобной этой.

Если не выполнить некоторую работу, тепло переходит только от горячего к холодному.

Тепло можно измерить. То есть количество отдаваемого или принимаемого тепла может быть определено.Одной из единиц измерения тепла является джоуль.

Тепло обычно измеряется калориметром, когда энергия материала может поступать в близлежащую воду с известной удельной теплоемкостью. Затем измеряется температура воды до и после, а тепло можно определить по формуле.

1. ↑ «Как физики определяют тепло». Обзоры . Проверено 24 апреля 2018.
2. ↑ Тепловая энергия — Британика
3. ↑ Шредер, Дэниел, Р.(2000). Теплофизика . Нью-Йорк: Эддисон Уэсли Лонгман. ISBN 0201380277 . CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка)

.

энтропия | Определение и уравнение

Энтропия , мера тепловой энергии системы на единицу температуры, которая недоступна для выполнения полезной работы. Поскольку работа получается из упорядоченного молекулярного движения, количество энтропии также является мерой молекулярного беспорядка или случайности системы. Концепция энтропии позволяет глубже понять направление спонтанных изменений многих повседневных явлений. Его введение немецким физиком Рудольфом Клаузиусом в 1850 году стало ярким событием в физике XIX века.

Подробнее по этой теме

термодинамика: энтропия

Понятие энтропии было впервые введено в 1850 году Клаузиусом как точный математический способ проверки, соответствует ли второй закон термодинамики …

Идея энтропии предоставляет математический способ закодировать интуитивное представление о том, какие процессы невозможны, даже если они не нарушают фундаментальный закон сохранения энергии.Например, кусок льда, поставленный на горячую плиту, обязательно тает, а плита остывает. Такой процесс называется необратимым, потому что никакие незначительные изменения не заставят талая вода снова превратиться в лед, пока плита нагревается. Напротив, кусок льда, помещенный в баню с ледяной водой, либо немного оттает, либо немного замерзнет, ​​в зависимости от того, добавлено ли небольшое количество тепла к системе или отнято от нее. Такой процесс обратим, потому что требуется лишь бесконечно малое количество тепла, чтобы изменить его направление с постепенного замораживания на прогрессивное оттаивание.Точно так же сжатый газ, заключенный в цилиндр, мог либо свободно расширяться в атмосферу, если клапан был открыт (необратимый процесс), либо он мог выполнять полезную работу, толкая подвижный поршень против силы, необходимой для удержания газа. Последний процесс обратим, потому что только небольшое увеличение удерживающей силы может изменить направление процесса от расширения к сжатию. Для обратимых процессов система находится в равновесии с окружающей средой, а для необратимых — нет.

поршни автомобильного двигателя поршни и цилиндры автомобильного двигателя. Когда воздух и бензин находятся в цилиндре, смесь выполняет полезную работу, давя на поршень после его воспламенения. © Thomas Sztanek / Shutterstock.com

Чтобы обеспечить количественную меру направления спонтанного изменения, Клаузиус ввел понятие энтропии как точного способа выражения второго закона термодинамики. Форма Клаузиуса второго закона гласит, что спонтанное изменение необратимого процесса в изолированной системе (то есть в системе, которая не обменивается теплом и не работает с окружающей средой) всегда происходит в направлении увеличения энтропии.Например, ледяной блок и плита составляют две части изолированной системы, общая энтропия которой увеличивается по мере таяния льда.

По определению Клаузиуса, если количество тепла Q течет в большой тепловой резервуар при температуре T выше абсолютного нуля, то увеличение энтропии составляет Δ S = Q / T . Это уравнение фактически дает альтернативное определение температуры, которое согласуется с обычным определением. Предположим, что имеется два тепловых резервуара R, , _1, и R, , ₂ при температурах T, , _{, 1} и T, , _2, (например, плита и глыба льда).Если количество тепла Q течет от R ₁ к R ₂ , то чистое изменение энтропии для двух резервуаров равно

что положительно при условии, что T ₁ > T ₂ . Таким образом, наблюдение, что тепло никогда не перетекает самопроизвольно от холода к горячему, эквивалентно требованию, чтобы чистое изменение энтропии было положительным для спонтанного потока тепла. Если T ₁ = T ₂ , то резервуары находятся в равновесии, тепловые потоки отсутствуют, и Δ S = 0.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.
Подпишитесь сегодня

Условие Δ S ≥ 0 определяет максимально возможную эффективность тепловых двигателей, то есть таких систем, как бензиновые или паровые двигатели, которые могут работать циклически. Предположим, что тепловая машина поглощает тепло Q ₁ от R ₁ и отводит тепло Q ₂ до R ₂ для каждого полного цикла.За счет сохранения энергии работа, выполненная за цикл, составляет Вт, = Q ₁ — Q ₂ , а чистое изменение энтропии равно

Чтобы сделать W как можно больше, Q ₂ должно быть как можно меньше по сравнению с Q ₁ . Однако Q ₂ не может быть нулевым, потому что это сделало бы Δ S отрицательным и таким образом нарушило бы второй закон. Наименьшее возможное значение Q ₂ соответствует условию Δ S = 0, что дает

как фундаментальное уравнение, ограничивающее эффективность всех тепловых двигателей.Процесс, для которого Δ S = 0, является обратимым, потому что бесконечно малого изменения было бы достаточно, чтобы тепловой двигатель работал в обратном направлении, как холодильник.

По тем же соображениям можно определить изменение энтропии рабочего вещества в тепловом двигателе, например газа в цилиндре с подвижным поршнем. Если газ поглощает дополнительное количество тепла d Q из теплового резервуара при температуре T и обратимо расширяется против максимально возможного сдерживающего давления P , то он выполняет максимальную работу d W = P d V , где d V — изменение объема.Внутренняя энергия газа также может измениться на величину d U по мере его расширения. Тогда по закону сохранения энергии d Q = d U + P d V . Поскольку чистое изменение энтропии для системы плюс резервуар равно нулю, когда выполняется максимальная работа, и энтропия резервуара уменьшается на величину d S _{резервуар} = — d Q / T , это должны уравновешиваться увеличением энтропии на

для рабочего газа, так что d S _{система} + d S _{резервуар} = 0.Для любого реального процесса работа будет меньше максимальной (например, из-за трения), и поэтому фактическое количество тепла d Q ′, поглощенное из теплового резервуара, будет меньше максимального количества d Вопрос . Например, газ может свободно расширяться в вакуум и вообще не работать. Следовательно, можно сказать, что

с d Q ′ = d Q в случае максимальной работы, соответствующей обратимому процессу.

Это уравнение определяет S _{систему} как термодинамическую переменную состояния, что означает, что ее значение полностью определяется текущим состоянием системы, а не тем, как система достигла этого состояния. Энтропия — это обширное свойство, поскольку ее величина зависит от количества материала в системе.

В одной статистической интерпретации энтропии обнаружено, что для очень большой системы, находящейся в термодинамическом равновесии, энтропия S пропорциональна натуральному логарифму величины Ω, представляющей максимальное количество микроскопических способов, в которых макроскопическое состояние, соответствующее S может быть реализовано; то есть S = k ln Ω, где k — постоянная Больцмана, связанная с молекулярной энергией.

Все самопроизвольные процессы необратимы; поэтому было сказано, что энтропия Вселенной увеличивается: то есть все больше и больше энергии становится недоступным для преобразования в работу. Из-за этого говорят, что Вселенная «истощается».

.