Quantità di calore: concetto, calcoli, applicazione

Il focus del nostro articolo è la quantità di calore. Consideriamo il concetto di energia interna, che viene trasformato cambiando questo valore. E mostreremo anche alcuni esempi dell'uso dei calcoli nell'attività umana.

calore

Con qualsiasi parola della lingua madre, ogni persona ha le proprie associazioni. Sono determinati dall'esperienza personale e dai sentimenti irrazionali. Cosa rappresenta in genere la parola "calore"? Una coperta soffice, una batteria funzionante per il riscaldamento centrale in inverno, la prima luce del sole in primavera, un gatto. O lo sguardo della madre, la parola confortante di un amico, l'attenzione mostrata nel tempo.

I fisici intendono con questo termine abbastanza specifico. E molto importante, specialmente in alcune sezioni di questa complessa, ma affascinante scienza.

termodinamica

Considera la quantità di calore isolata dai processi più semplici che fanno affidamento legge di risparmio energetico non ne vale la pena - nulla sarà chiaro. Pertanto, per cominciare, ricordiamo ai loro lettori.

La termodinamica considera qualsiasi cosa o oggetto come un composto di un numero molto grande di parti elementari - atomi, ioni, molecole. Le sue equazioni descrivono qualsiasi cambiamento nello stato collettivo del sistema nel suo complesso e come parte di un intero quando i macroparametri cambiano. Sotto quest'ultimo si riferisce alla temperatura (indicata come T), alla pressione (P), alla concentrazione dei componenti (solitamente C).

Energia interna

Energia interna - un termine piuttosto complicato, nel senso di cui vale la pena selezionare prima di parlare della quantità di calore. Denota l'energia che cambia con l'aumentare o la diminuzione del valore dei macroparametri dell'oggetto e non dipende dal sistema di riferimento. Fa parte dell'energia totale. Si abbina quando centro di massa l'oggetto in studio è a riposo (cioè, non c'è componente cinetica).

Quando una persona sente che un certo oggetto (diciamo una bicicletta) è diventato caldo o freddo, questo indica che tutte le molecole e gli atomi che compongono questo sistema hanno subito un cambiamento nell'energia interna. Tuttavia, la temperatura invariata non significa la conservazione di questo indicatore.

Lavoro e calore

Energia interna qualsiasi sistema termodinamico può essere convertito in due modi:

• lavorando su di esso;
• durante lo scambio di calore con l'ambiente.

La formula per questo processo è:

dU = QA, dove U è energia interna, Q è calore e A è lavoro.

Lascia che il lettore non sia sedotto dalla semplicità dell'espressione. La permutazione mostra che Q = dU + A, ma l'introduzione di entropia (S) porta la formula alla forma dQ = dSxT.

Poiché in questo caso l'equazione assume la forma di una differenziale, la prima espressione richiede anche la stessa. Inoltre, a seconda delle forze che agiscono sull'oggetto in studio e del parametro calcolato, viene calcolato il rapporto richiesto.

Prendi la sfera di metallo come esempio del sistema termodinamico. Se eserciti pressioni su di lui, gettalo su, gettalo in un pozzo profondo, significa lavorare su di lui. Dall'esterno, tutte queste azioni innocue non causeranno alcun danno alla palla, ma la sua energia interna cambierà, anche se leggermente.

Il secondo metodo è lo scambio di calore. Ora veniamo all'obiettivo principale di questo articolo: la descrizione di qual è la quantità di calore. Questo è il cambiamento nell'energia interna del sistema termodinamico che si verifica durante il trasferimento di calore (vedi la formula sopra). Viene misurato in joule o calorie. Ovviamente, se si tiene il pallone sopra un accendino, sotto il sole o semplicemente in una mano calda, si riscalda. E poi puoi cambiare la temperatura per trovare la quantità di calore, che è stata segnalata allo stesso tempo.

Perché il gas è il miglior esempio di cambiamento dell'energia interna e perché, a causa di ciò, agli studenti non piace la fisica

Sopra, abbiamo descritto i cambiamenti nei parametri termodinamici di una palla di metallo. Senza dispositivi speciali, non sono molto evidenti e il lettore è lasciato a credere in una parola sui processi che hanno luogo con l'oggetto. Un'altra cosa, se il sistema - gas. Premerlo su di esso - si vedrà, si scalderà - la pressione salirà, la abbasserà sotto terra - e ciò può essere facilmente risolto. Pertanto, nei libri di testo, è più spesso che il gas è considerato un sistema termodinamico visivo.

Ma, ahimè, nell'educazione moderna non si presta molta attenzione agli esperimenti reali. Lo scienziato che scrive il manuale metodico comprende perfettamente la posta in gioco. Gli sembra che, usando l'esempio delle molecole di gas, tutti i parametri termodinamici saranno adeguatamente dimostrati. Ma uno studente che sta appena scoprendo questo mondo è annoiato dall'ascoltare una fiaschetta ideale con un pistone teorico. Se esistessero veri laboratori di ricerca nella scuola e le ore fossero assegnate al lavoro, tutto sarebbe diverso. Finora, sfortunatamente, gli esperimenti sono solo sulla carta. E, molto probabilmente, questo è ciò che induce le persone a considerare questa sezione della fisica come qualcosa di puramente teorico, lontano dalla vita e non necessario.

Un esempio di modifica dei parametri termodinamici

Pertanto, abbiamo deciso di citare la bicicletta già citata sopra come esempio. Un uomo mette pressione sui pedali - fa il lavoro su di loro. Oltre a raccontare l'intero meccanismo di coppia (grazie al quale la bicicletta si muove nello spazio), l'energia interna dei materiali da cui vengono fatte le leve cambia. Il ciclista fa clic sulle maniglie per girare - e di nuovo fa il lavoro.

L'energia interna del rivestimento esterno (plastica o metallo) aumenta. Una persona va alla radura sotto il sole splendente - la moto si riscalda, la sua quantità di calore cambia. Si ferma all'ombra di una vecchia quercia e il sistema si raffredda, perdendo calorie o joule. Aumenta la velocità: aumenta lo scambio di energia. Tuttavia, il calcolo della quantità di calore in tutti questi casi mostrerà un valore molto piccolo e poco appariscente. Pertanto, sembra che non ci siano manifestazioni della fisica termodinamica nella vita reale.

Applicazione di calcoli per modificare la quantità di calore

Probabilmente, il lettore dirà che tutto questo è molto istruttivo, ma perché siamo così tormentati a scuola con queste formule. E ora daremo esempi in cui le aree dell'attività umana sono necessarie direttamente e come si applica a chiunque nella sua vita quotidiana.

Per prima cosa, guardati attorno e conta: quanti oggetti metallici ti circondano? Sicuramente più di dieci. Ma prima di diventare una clip, un'auto, un anello o un'unità flash, ogni metallo viene fuso. Ogni pianta, che viene elaborata, ad esempio, minerale di ferro, deve capire quanta benzina è necessaria per ottimizzare i costi. E a questo proposito, è necessario conoscere la capacità termica delle materie prime contenenti metalli e la quantità di calore necessaria per comunicare a tutti i processi tecnologici. Poiché l'energia rilasciata da un'unità di carburante viene calcolata in joule o calorie, le formule sono necessarie direttamente.

Oppure un altro esempio: nella maggior parte dei supermercati esiste un reparto con prodotti surgelati: pesce, carne, frutta. Laddove le materie prime da carne di animali o frutti di mare si trasformano in un prodotto semilavorato, dovrebbero sapere quanta elettricità utilizzerà per la refrigerazione e la surgelazione per tonnellata o unità di prodotto finito. Per fare questo, calcola quanto calore perde un chilogrammo di fragole o calamaro una volta raffreddato di un grado Celsius. Ma alla fine mostrerà quanta elettricità spende il congelatore di una certa potenza.

Aerei, vaporetti, treni

Sopra, abbiamo mostrato esempi di oggetti statici relativamente fissi, che vengono segnalati o dai quali, al contrario, si prende una certa quantità di calore. Per gli oggetti in procinto di muoversi in condizioni di temperatura che cambia costantemente, i calcoli della quantità di calore sono importanti per un altro motivo.

C'è una cosa come "stanchezza del metallo". Include anche i carichi massimi consentiti a una determinata velocità di variazione della temperatura. Immagina un aereo che decolla dai tropici umidi agli strati superiori congelati dell'atmosfera. Gli ingegneri devono lavorare molto in modo che non cada a pezzi a causa di incrinature nel metallo, che compaiono quando la temperatura diminuisce. Stanno cercando una composizione della lega in grado di sopportare carichi reali e avrà un ampio margine di sicurezza. E per non guardare ciecamente, sperando di inciampare accidentalmente sulla composizione desiderata, si devono fare molti calcoli, compresi i cambiamenti nella quantità di calore.