Чому дорівнює теплота? Поняття про кількість теплоти

ТЕПЛООБМІН.

1.Теплообмін.

Теплообмін або теплопередача– це процес передачі внутрішньої енергії одного тіла іншому без виконання роботи.

Існують три види теплообміну.

1) Теплопровідність- Це теплообмін між тілами при їх безпосередньому контакті.

2) Конвекція– це теплообмін, у якому перенесення тепла здійснюється потоками газу чи рідини.

3) Випромінювання- Це теплообмін за допомогою електромагнітного випромінювання.

2.Кількість теплоти.

Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою Q.

Одиниця виміру кількості теплоти = 1 Дж.

Кількість теплоти, отримане тілом від іншого тіла в результаті теплообміну, може витрачатися на збільшення температури (збільшення кінетичної енергії молекул) або зміна агрегатного стану (збільшення потенційної енергії).

3.Питома теплоємність речовини.

Досвід показує, що кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла масою m від температури Т 1 до температури Т 2 пропорційно масі тіла m і різниці температур (Т 2 – Т 1), тобто.

Q = cm(Т 2 - Т 1 ) = сmΔ Т,

зназивається питомою теплоємністю речовини тіла, що нагрівається.

Питома теплоємність речовини дорівнює кількості теплоту, яку необхідно повідомити 1 кг речовини, щоб нагріти її на 1 К.

Одиниця виміру питомої теплоємності =.

Значення теплоємності різних речовин можна знайти у фізичних таблицях.

Така сама кількість теплоти Q виділятиметься при охолодженні тіла на ΔТ.

4.Питома теплота пароутворення.

Досвід показує, що кількість теплоти, необхідне перетворення рідини на пару, пропорційно масі рідини, тобто.

Q = Lm,

де коефіцієнт пропорційності Lназивається питомою теплотою пароутворення.

Питома теплота пароутворення дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для перетворення на пару 1 кг рідини, що знаходиться при температурі кипіння.

Одиниця виміру питомої теплоти пароутворення.

При зворотному процесі конденсації пари теплота виділяється в тій же кількості, яка витрачена на пароутворення.

5.Питома теплота плавлення.

Досвід показує, що кількість теплоти, необхідне перетворення твердого тіла на рідину, пропорційно масі тіла, тобто.

Q = λ m,

де коефіцієнт пропорційності називається питомою теплотою плавлення.

Питома теплота плавлення дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для перетворення на рідину твердого тіла масою 1 кг при температурі плавлення.

Одиниця виміру питомої теплоти плавлення.

При зворотному процесі кристалізації рідини теплота виділяється в тій же кількості, яка витрачена на плавлення.

6.Питома теплота згоряння.

Досвід показує, що кількість теплоти, що виділяється за повного згоряння палива, пропорційно масі палива, тобто.

Q = qm,

Де коефіцієнт пропорційності q називається питомою теплотою згоряння.

Питома теплота згоряння дорівнює кількості теплоти, що виділяється за повного згоряння 1 кг палива.

Одиниця виміру питомої теплоти згоряння.

7.Рівняння теплового балансу.

У теплообміні беруть участь два або більше тіла. Одні тіла віддають теплоту, інші приймають. Теплообмін відбувається до тих пір, поки температури тіл не стануть рівними. За законом збереження енергії, кількість теплоти, що віддається, дорівнює кількості, що приймається. На цій підставі записується рівняння теплового балансу.

Розглянемо приклад.

Тіло масою m 1 , теплоємність якого з 1 має температуру Т 1 , а тіло масою m 2 , теплоємність якого з 2 , має температуру Т 2 . Причому Т 1 більше за Т 2 . Ці тіла наведені у зіткнення. Досвід показує, що холодне тіло (m2) починає нагріватися, а гаряче тіло (m1) – охолоджуватися. Це говорить про те, що частина внутрішньої енергії гарячого тіла передається холодному і температури вирівнюються. Позначимо кінцеву загальну температуру θ.

Кількість теплоти, переданої гарячим тілом холодному

Q переданий. = c 1 m 1 (Т 1 – θ )

Кількість теплоти, одержаної холодним тілом від гарячого

Q отримано. = c 2 m 2 (θ – Т 2 )

За законом збереження енергії Q переданий. = Q отримано., тобто.

c 1 m 1 (Т 1 – θ )= c 2 m 2 (θ – Т 2 )

Розкриємо дужки і виразимо значення загальної температури θ, що встановилася.

Значення температури θ у разі отримаємо в кельвинах.

Однак, оскільки у виразах для Q передано. і Q отримано. коштує різницю двох температур, а вона і в кельвінах, і в градусах Цельсія однакова, то розрахунок можна вести і в градусах Цельсія. Тоді

У цьому випадку значення температури отримаємо в градусах Цельсія.

Вирівнювання температур у результаті теплопровідності можна пояснити на підставі молекулярно-кінетичної теорії як обмін кінетичною енергією між молекулами під час зіштовхування в процесі теплового хаотичного руху.

Цей приклад можна проілюструвати графіком.

У цьому уроці ми навчимося розраховувати кількість теплоти, необхідну для нагрівання тіла або виділене ним при охолодженні. Для цього ми узагальнимо ті знання, які були отримані на попередніх уроках.

Крім того, ми навчимося за допомогою формули для кількості теплоти виражати інші величини цієї формули і розраховувати їх, знаючи інші величини. Також буде розглянуто приклад задачі із рішенням на обчислення кількості теплоти.

Даний урок присвячений обчисленню кількості теплоти при нагріванні тіла або виділеного ним при охолодженні.

Вміння обчислювати потрібну кількість теплоти є дуже важливим. Це може знадобитися, наприклад, при обчисленні кількості теплоти, яку потрібно повідомити воді для обігріву приміщення.

Рис. 1. Кількість теплоти, яку необхідно повідомити воді для обігріву приміщення

Або для обчислення кількості теплоти, що виділяється при спалюванні палива у різних двигунах:

Рис. 2. Кількість теплоти, що виділяється при спалюванні палива у двигуні

Також ці знання потрібні, наприклад, щоб визначити кількість теплоти, що виділяється Сонцем та потрапляє на Землю:

Рис. 3. Кількість теплоти, що виділяється Сонцем і потрапляє на Землю

Для обчислення кількості теплоти необхідно знати три речі (рис. 4):

• масу тіла (яку, як правило, можна виміряти за допомогою ваг);
• різницю температур, яку необхідно нагріти тіло чи охолодити його (зазвичай вимірюється з допомогою термометра);
• питому теплоємність тіла (яку можна визначити за таблицею).

Рис. 4. Що потрібно знати для визначення

Формула, за якою обчислюється кількість теплоти, виглядає так:

У цій формулі фігурують такі величини:

Кількість теплоти, що вимірюється в джоулях (Дж);

Питома теплоємність речовини, що вимірюється в ;

- різниця температур, що вимірюється в градусах Цельсія ().

Розглянемо завдання обчислення кількості теплоти.

Завдання

У мідній склянці масою грам знаходиться вода об'ємом літра при температурі. Яку кількість теплоти необхідно передати склянці з водою, щоб її температура дорівнювала ?

Рис. 5. Ілюстрація умови завдання

Спочатку запишемо коротку умову ( Дано) і переведемо всі величини до системи інтернаціонал (СІ).

Рішення:

Спочатку визнач, які ще величини будуть потрібні нам для вирішення цього завдання. За таблицею питомої теплоємності (табл. 1) знаходимо (питома теплоємність міді, оскільки за умовою склянка мідна), (питома теплоємність води, оскільки за умовою у склянці знаходиться вода). Крім того, знаємо, що для обчислення кількості теплоти нам знадобиться маса води. За умовою нам дано лише обсяг. Тому з таблиці візьмемо густину води: (табл. 2).

Табл. 1. Питома теплоємність деяких речовин,

Табл. 2. Щільності деяких рідин

Тепер у нас є все необхідне для вирішення цього завдання.

Зауважимо, що підсумкова кількість теплоти складатиметься із суми кількості теплоти, необхідної для нагрівання мідної склянки та кількості теплоти, необхідної для нагрівання води в ньому:

Розрахуємо спочатку кількість теплоти, необхідну для нагрівання мідної склянки:

Перш ніж обчислити кількість теплоти, необхідну для нагрівання води, розрахуємо масу води за формулою, яка добре знайома нам з 7 класу:

Тепер можемо обчислити:

Тоді можемо обчислити:

Нагадаємо, що означає: кілоджоулі. Приставка «кіло» означає , тобто .

Відповідь:.

Для зручності розв'язання задач на знаходження кількості теплоти (так звані прямі завдання) та пов'язаних з цим поняттям величин можна користуватися наступною таблицею.

Внутрішня енергія тіла може змінюватись за рахунок роботи зовнішніх сил. Для характеристики зміни внутрішньої енергії при теплообміні вводиться величина, яка називається кількістю теплоти і Q .

У міжнародній системі одиницею кількості теплоти, як роботи і енергії, є джоуль: = = = 1 Дж.

Насправді ще іноді застосовується позасистемна одиниця кількості теплоти – калорія. 1 кал. = 4,2 Дж.

Слід зазначити, що термін «кількість теплоти» невдалий. Він був запроваджений тоді, коли вважалося, що у тілах міститься якась невагома, невловима рідина – теплород. Процес теплообміну, нібито, полягає в тому, що теплород, переливаючись з одного тіла в інше, переносить із собою кілька теплоти. Зараз, знаючи основи молекулярно-кінетичної теорії будови речовини, ми розуміємо, що теплорода в тілах немає, механізм зміни внутрішньої енергії тіла інший. Проте сила традицій велика і ми продовжуємо користуватися терміном, введеним на основі невірних уявлень про природу теплоти. Разом з тим, розуміючи природу теплообміну, не слід повністю ігнорувати невірні уявлення про нього. Навпаки, проводячи аналогію між потоком тепла і потоком гіпотетичної рідини теплороду, кількістю теплоти і кількістю теплороду, можна при вирішенні деяких класів завдань наочно уявити процеси і правильно вирішити задачі. Зрештою, вірні рівняння, що описують процеси теплообміну, були свого часу отримані на основі невірних уявлень про теплород, як носій теплоти.

Розглянемо докладніше процеси, які можуть протікати внаслідок теплообміну.

Наллємо в пробірку трохи води та закриємо її пробкою. Підвісимо пробірку до стрижня, закріпленого в штативі, та підведемо під неї відкрите полум'я. Від полум'я пробірка отримує деяку кількість теплоти і температура рідини, що у ній, підвищується. У разі підвищення температури внутрішня енергія рідини збільшується. Відбувається інтенсивний процес її пароутворення. Пари рідини, що розширюються, здійснюють механічну роботу з виштовхування пробки з пробірки.

Проведемо ще один досвід із моделлю гармати, виготовленої з відрізка латунної трубки, яка укріплена на візку. З одного боку трубка щільно закрита ебонітовою пробкою, крізь яку пропущено шпильку. До шпильки та трубки припаяні дроти, що закінчуються клемами, на які може подаватися напруга від освітлювальної мережі. Модель гармати, таким чином, є різновидом електричного кип'ятильника.

Наллємо в стовбур гармати трохи води та закриємо трубку гумовою пробкою. Підключимо гармату до джерела струму. Електричний струм, проходячи через воду, нагріває її. Вода закипає, що призводить до її інтенсивного пароутворення. Тиск водяної пари зростає і, нарешті, вони роблять роботу з виштовхування пробки зі стовбура гармати.

Гармата, внаслідок віддачі, відкочується убік, протилежний вильоту пробки.

Обидва досвіди поєднують такі обставини. У процесі нагрівання рідини різними способами температура рідини і, відповідно, її внутрішня енергія збільшувалися. Для того, щоб рідина кипіла та інтенсивно випаровувалась, необхідно було продовжувати її нагрівання.

Пари рідини за рахунок своєї внутрішньої енергії здійснили механічну роботу.

Досліджуємо залежність кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла, від його маси, зміни температури та роду речовини. Для дослідження даних залежностей будемо використовувати воду та олію. (Для вимірювання температури в досвіді застосовується електричний термометр, виготовлений з термопари, підключеної до дзеркального гальванометра. Один спай термопари опущений у посудину з холодною водою для забезпечення сталості його температури. Інший спай термопари вимірює температуру рідини, що досліджується).

Досвід складається із трьох серій. У першій серії досліджується для постійної маси конкретної рідини (у нашому випадку – води) залежність кількості теплоти, необхідної для її нагрівання від зміни температури. Про кількість теплоти, отриманої рідиною від нагрівача (електричної плитки), будемо судити за часом нагрівання, припускаючи, що між ними існує прямо пропорційна залежність. Щоб результат експерименту відповідав цьому припущенню, необхідно забезпечити стаціонарний потік тепла від електроплитки до тіла, що нагрівається. Для цього електроплитка була включена до мережі заздалегідь, так щоб до початку досвіду температура її поверхні перестала змінюватися. Для більш рівномірного нагрівання рідини під час досвіду помішуватимемо її за допомогою самої термопари. Фіксуватимемо показання термометра через рівні проміжки часу до тих пір, поки світловий зайчик не дійде до краю шкали.

Зробимо висновок: між кількістю теплоти, необхідною для нагрівання тіла та зміною його температури, існує пряма пропорційна залежність.

У другій серії дослідів порівнюватимемо кількості теплоти, необхідні для нагрівання однакових рідин різної маси при зміні їх температури на ту саму величину.

Для зручності порівняння одержуваних величин масу води другого досвіду візьмемо вдвічі менше, ніж у першому досвіді.

Знову фіксуватимемо показання термометра через рівні проміжки часу.

Порівнюючи результати першого та другого дослідів можна зробити такі висновки.

У третій серії дослідів порівнюватимемо кількості теплоти, необхідні для нагрівання рівних мас різних рідин, при зміні їх температури на одну і ту ж величину.

Нагріватимемо на електроплитці масло, маса якого дорівнює масі води в першому досвіді. Фіксуватимемо показання термометра через рівні проміжки часу.

Результат досвіду підтверджує висновок про те, що кількість теплоти, необхідна для нагрівання тіла, прямо пропорційно до зміни його температури і, крім того, свідчить про залежність цієї кількості теплоти від роду речовини.

Оскільки в досвіді використовувалося масло, щільність якого менше густини води і для нагрівання олії до деякої температури знадобилася менше теплоти, ніж для нагрівання води, можна припустити, що кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла, залежить від його густини.

Щоб перевірити це припущення, одночасно нагріватимемо на нагрівачі постійної потужності однакові маси води, парафіну і міді.

Через один і той же час температура міді виявляється приблизно в 10 разів, а парафіну приблизно в 2 рази вище за температуру води.

Але мідь має більшу, а парафін меншу щільність, ніж вода.

Досвід показує, що величиною, що характеризує швидкість зміни температури речовин, у тому числі виготовлені тіла, що у теплообміні, не щільність. Ця величина називається питомою теплоємністю речовини і позначається літерою c.

Для порівняння питомих теплоємностей різних речовин є спеціальний прилад. Прилад складається з стійок, у яких кріпиться тонка парафінова пластинка та планка з пропущеними крізь неї стрижнями. На кінцях стрижнів укріплені алюмінієвий, сталевий та латунний циліндри рівної маси.

Нагріємо циліндри до однакової температури, зануривши їх у посудину з водою, що стоїть на гарячій електроплитці. Закріпимо гарячі циліндри на стійках і звільнимо їх від кріплення. Циліндри одночасно торкаються парафінової пластини і, плавлячи парафін, починають занурюватися в неї. Глибина занурення циліндрів однакової маси парафінову пластину, при зміні їх температури на одну і ту ж величину, виявляється різною.

Досвід свідчить про те, що питомі теплоємності алюмінію, сталі та латуні різні.

Виконавши відповідні досліди з плавленням твердих тіл, пароутворенням рідин, згорянням палива отримуємо такі кількісні залежності.

Щоб отримати одиниці питомих величин, їх треба виразити з відповідних формул і отримані вирази підставити одиниці теплоти - 1 Дж, маси - 1 кг, а для питомої теплоємності - і 1 К.

Отримуємо одиниці: питомої теплоємності – 1 Дж/кг·К, інших питомих теплот: 1 Дж/кг.

Поняття про кількість теплоти сформувалося на ранніх стадіях розвитку сучасної фізики, коли ще не існувало виразних уявлень про внутрішню будову речовини, про те, що таке енергія, про те, які форми енергії існують у природі та про енергію, як форму руху та перетворення матерії.

Під кількістю теплоти розуміється фізична величина, еквівалентна переданій матеріальному тілу енергії в процесі теплового обміну.

Застарілою одиницею кількості теплоти є калорія, що дорівнює 4.2 Дж, сьогодні ця одиниця практично не застосовується, а її місце зайняв джоуль.

Спочатку передбачалося, що переносником теплової енергії є якесь абсолютно невагоме середовище, що має властивості рідини. Численні фізичні завдання теплоперенесення вирішувалися і досі вирішуються з такої передумови. Існування гіпотетичного теплорода було покладено в основу безлічі правильних по суті побудов. Вважалося, що теплород виділяється і поглинається в явищах нагрівання та охолодження, плавлення та кристалізації. Вірні рівняння процесів теплообміну було отримано з неправильних фізичних концепцій. Відомий закон, згідно з яким кількість теплоти прямо пропорційна масі тіла, що бере участь у теплообміні, та градієнту температури:

Де Q – кількість теплоти, m маса тіла, а коефіцієнт з- Величина, що отримала назву питомої теплоємності. Питома теплоємність – є характеристика речовини, що бере участь у процесі.

Робота в термодинаміці

У результаті теплових процесів може відбуватися суто механічна робота. Наприклад, нагріваючись газ збільшує свій обсяг. Візьмемо ситуацію, як на малюнку нижче:

В даному випадку механічна робота виявиться рівною силі тиску газу на поршень помноженої на шлях, виконаний поршнем під тиском. Зрозуміло, це найпростіший випадок. Але навіть у ньому можна помітити одну складність: сила тиску залежатиме від обсягу газу, а отже, ми маємо справу не з константами, а зі змінними величинами. Оскільки всі три змінні: тиск, температура та обсяг пов'язані один з одним, то підрахунок роботи суттєво ускладнюється. Вирізняють деякі ідеальні, нескінченно-повільні процеси: ізобарний, ізотермічний, адіабатний та ізохорний – для яких такі розрахунки можна виконати відносно просто. Будується графік залежності тиску від обсягу та робота обчислюється як інтеграл виду.

Теплоємність- Це кількість теплоти, що поглинається тілом при нагріванні на 1 градус.

Теплоємність тіла позначається великою латинською літерою З.

Від чого залежить теплоємність тіла? Насамперед, від його маси. Зрозуміло, що для нагрівання, наприклад, 1 кілограм води потрібно більше тепла, ніж для нагрівання 200 грамів.

А від роду речовини? Зробимо досвід. Візьмемо дві однакові судини і, наливши в одну з них воду масою 400 г, а в іншій - рослинне масло масою 400 г, почнемо їх нагрівати за допомогою однакових пальників. Спостерігаючи за показаннями термометрів, ми побачимо, що олія нагрівається швидке. Щоб нагріти воду та олію до однієї і тієї ж температури, воду слід нагрівати довше. Але чим довше ми нагріваємо воду, тим більше теплоти вона отримує від пальника.

Таким чином, для нагрівання однієї і тієї ж маси різних речовин до однакової температури потрібна різна кількість теплоти. Кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла і, отже, його теплоємність залежить від роду речовини, з якого складається це тіло.

Так, наприклад, щоб збільшити на 1°С температуру води масою 1 кг, потрібна кількість теплоти, що дорівнює 4200 Дж.

Фізична величина, що показує, скільки теплоти потрібно для нагрівання 1 кг речовини на 1 ºС, називається питомою теплоємністюцієї речовини.

У кожної речовини своя питома теплоємність, яка позначається латинською літерою с і вимірюється в джоулях на кілограм-градус (Дж/(кг · ° С)).

Питома теплоємність однієї й тієї ж речовини в різних агрегатних станах (твердому, рідкому та газоподібному) різна. Наприклад, питома теплоємність води дорівнює 4200 Дж/(кг · ºС), а питома теплоємність льоду 2100 Дж/(кг · °С); алюміній у твердому стані має питому теплоємність, що дорівнює 920 Дж/(кг - °С), а в рідкому - 1080 Дж/(кг - °С).

Зауважимо, що вода має дуже велику питому теплоємність. Тому вода в морях та океанах, нагріваючись улітку, поглинає з повітря велику кількість тепла. Завдяки цьому в тих місцях, які розташовані поблизу великих водойм, літо не буває таким спекотним, як у місцях віддалених від води.

Розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла або виділеного ним при охолодженні.

З вищевикладеного ясно, що кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла, залежить від роду речовини, з якого складається тіло (тобто його питомої теплоємності), і зажадав від маси тіла. Зрозуміло також, що кількість теплоти залежить від того, скільки градусів ми збираємося збільшити температуру тіла.

Отже, щоб визначити кількість теплоти, необхідну для нагрівання тіла або виділене ним при охолодженні, потрібно питому теплоємність тіла помножити на його масу і на різницю між кінцевою і початковою температурами:

Q= cm (t 2 -t 1),

де Q- кількість теплоти, c- питома теплоємність, m- маса тіла, t 1- Початкова температура, t 2- Кінцева температура.

При нагріванні тіла t 2> t 1і, отже, Q >0 . При охолодженні тіла t 2і< t 1і, отже, Q< 0 .

Якщо відома теплоємність всього тіла З, Qвизначається за формулою: Q = C (t 2 - t 1).

22) Плавання: визначення, розрахунок кількості теплоти на плавлення чи затвердіння, питома теплота плавлення, графік залежності t 0 (Q).

Термодинаміка

Розділ молекулярної фізики, що вивчає передачу енергії, закономірності перетворення одних видів енергії на інші. На відміну від молекулярно-кінетичної теорії, в термодинаміці не враховується внутрішня будова речовин та мікропараметри.

Термодинамічна система

Це сукупність тіл, які обмінюються енергією (у формі роботи або теплоти) один з одним або навколишнім середовищем. Наприклад, вода в чайнику остигає, відбувається обмін теплотою води з чайником та чайника з навколишнім середовищем. Циліндр з газом під поршнем: поршень виконує роботу, внаслідок чого газ отримує енергію, і змінюються його макропараметри.

Кількість теплоти

Це енергія, що отримує або віддає система в процесі теплообміну. Позначається символом Q, вимірюється, як і будь-яка енергія, в Джоулях.

Внаслідок різних процесів теплообміну енергія, що передається, визначається по-своєму.

Нагрівання та охолодження

Цей процес характеризується зміною температури системи. Кількість теплоти визначається за формулою

Питома теплоємність речовини звимірюється кількістю теплоти, яка необхідна для нагрівання одиниці масицієї речовини на 1К. Для нагрівання 1 кг скла або 1 кг води потрібна різна кількість енергії. Питома теплоємність - відома, вже обчислена всім речовин величина, значення дивитися у фізичних таблицях.

Теплоємність речовини С- це кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла без урахування його маси на 1К.

Плавлення та кристалізація

Плавлення - перехід речовини з твердого стану рідке. Зворотний перехід називається кристалізацією.

Енергія, що витрачається на руйнування кристалічних ґрат речовини, визначається за формулою

Питома теплота плавлення відома кожної речовини величина, значення дивитися у фізичних таблицях.

Пароутворення (випар або кипіння) та конденсація

Пароутворення - це перехід речовини з рідкого (твердого) стану газоподібне. Зворотний процес називається конденсацією.

Питома теплота пароутворення відома кожної речовини величина, значення дивитися у фізичних таблицях.

Горіння

Кількість теплоти, що виділяється при згорянні речовини

Питома теплота згоряння відома кожної речовини величина, значення дивитися у фізичних таблицях.

Для замкнутої та адіабатично ізольованої системи тіл виконується рівняння теплового балансу. Алгебраїчна сума кількостей теплоти, відданих та отриманих усіма тілами, що беруть участь у теплообміні, дорівнює нулю:

Q 1 +Q 2 +...+Q n =0

23) Будова рідин. Поверхневий шар. Сила поверхневого натягу: приклади прояву, розрахунок, коефіцієнт поверхневого натягу.

Іноді будь-яка молекула може переміститися у сусіднє вакантне місце. Такі перескоки у рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрів, як у кристалах, і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Через сильну взаємодію між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) упорядковані групи, що містять декілька молекул. Це явище називається ближнім порядком(Рис. 3.5.1).

Коефіцієнт β називають температурним коефіцієнтом об'ємного розширення . Цей коефіцієнт у рідин у десятки разів більший, ніж у твердих тіл. У води, наприклад, при температурі 20 °С ? - 1 .

Теплове розширення води має цікаву та важливу для життя на Землі аномалію. За температури нижче 4 °С вода розширюється при зниженні температури (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

При замерзанні вода розширюється, тому лід залишається плавати на поверхні замерзаючої водойми. Температура води, що замерзає, під льодом дорівнює 0 °С. У більш щільних шарах води біля дна водоймища температура виявляється близько 4 °С. Завдяки цьому життя може існувати у воді водойм, що замерзають.

Найбільш цікавою особливістю рідин є наявність вільної поверхні . Рідина, на відміну від газів, не заповнює весь обсяг посудини, в яку вона налита. Між рідиною і газом (або парою) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовах у порівнянні з рештою маси рідини. . Якщо молекула переміститься із поверхні всередину рідини, сили міжмолекулярної взаємодії зроблять позитивну роботу. Навпаки, щоб витягнути деяку кількість молекул із глибини рідини на поверхню (тобто збільшити площу поверхні рідини), зовнішні сили повинні здійснити позитивну роботу Δ Aзовніш, пропорційну зміні Δ Sплощі поверхні:

Із механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення її потенційної енергії. Звідси випливає, що вільна поверхня рідини прагне скоротити свою площу. З цієї причини вільна крапля рідини набуває кулястої форми. Рідина поводиться так, ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу .

Наявність сил поверхневого натягу робить поверхню рідини схожою на пружну розтягнуту плівку, з тією різницею, що пружні сили в плівці залежать від площі її поверхні (тобто від того, як плівка деформована), а сили поверхневого натягу не залежатьвід площі поверхні рідини.

Деякі рідини, як, наприклад, мильна вода, мають здатність утворювати тонкі плівки. Всім добре відомі мильні бульбашки мають правильну сферичну форму - у цьому також проявляється дія сил поверхневого натягу. Якщо мильний розчин опустити дротяну рамку, одна зі сторін якої рухома, то вся вона затягнеться плівкою рідини (рис. 3.5.3).

Сили поверхневого натягу прагнуть скоротити поверхню плівки. Для рівноваги рухомої сторони рамки до неї потрібно докласти зовнішню силу. Якщо під дією сили поперечина переміститься на Δ x, то буде проведена робота Δ Aвн = Fвн Δ x = Δ E p = σΔ S, де Δ S = 2LΔ x- Збільшення площі поверхні обох сторін мильної плівки. Оскільки модулі сил і однакові, можна записати:

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу σ може бути визначений як модуль сили поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини лінії, що обмежує поверхню.

Через дію сил поверхневого натягу в краплях рідини та всередині мильних бульбашок виникає надлишковий тиск Δ p. Якщо подумки розрізати сферичну краплю радіусу Rна дві половинки, кожна з них повинна перебувати в рівновазі під дією сил поверхневого натягу, прикладених до межі розрізу довжиною 2π Rі сил надлишкового тиску, що діють на площу R 2 перерізи (рис. 3.5.4). Умова рівноваги записується як

Якщо ці сили більші за сили взаємодії між молекулами самої рідини, то рідина змочуєПоверхня твердого тіла. У цьому випадку рідина підходить до поверхні твердого тіла під деяким гострим кутом θ, характерним для цієї пари рідина – тверде тіло. Кут θ називається крайовим кутом . Якщо сили взаємодії між молекулами рідини перевершують сили їхньої взаємодії з молекулами твердого тіла, то крайовий кут θ виявляється тупим (рис. 3.5.5). У цьому випадку кажуть, що рідина не змочуєПоверхня твердого тіла. При повному змочуванніθ = 0, при повному незмочуванніθ = 180 °.

Капілярними явищаминазивають підйом чи опускання рідини в трубках малого діаметра – капілярах. Змочують рідини піднімаються по капілярах, незмочують - опускаються.

На рис. 3.5.6 зображено капілярну трубку деякого радіусу r, опущена нижнім кінцем у змочуючу рідину щільності ρ. Верхній кінець капіляра відкрито. Підйом рідини в капілярі триває до тих пір, поки сила тяжіння, що діє на стовп рідини в капілярі, не стане рівною по модулю результуючої. Fн сил поверхневого натягу, що діють уздовж межі зіткнення рідини з поверхнею капіляра: Fт = Fн, де Fт = mg = ρ hπ r 2 g, Fн = σ2π r cos θ.

Звідси випливає:

При повному незмочуванні θ = 180 °, cos θ = -1 і, отже, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Вода майже повністю змочує чисту поверхню скла. Навпаки, ртуть не змочує скляну поверхню. Тому рівень ртуті у скляному капілярі опускається нижче рівня судини.

24) Пароутворення: визначення, види (випаровування, кипіння), розрахунок кількості теплоти на пароутворення та конденсацію, питома теплота пароутворення.

Випаровування та конденсація. Пояснення явища випаровування на основі уявлень про молекулярну будову речовини. Питома теплота пароутворення. Її одиниці.

Явище перетворення рідини на пару називається пароутворенням.

Випаровування -процес пароутворення, що відбувається з відкритої поверхні.

Молекули рідини рухаються із різними швидкостями. Якщо якась молекула опиниться біля поверхні рідини, вона може подолати тяжіння сусідніх молекул і вилетіти з рідини. молекули, Що Вилетіли, утворюють пару. У молекул рідини, що залишилися, при зіткненні змінюються швидкості. Деякі молекули при цьому набувають швидкості, достатньої для того, щоб вилетіти з рідини. Цей процес продовжується, тому рідини випаровуються повільно.

*Швидкість випаровування залежить від роду рідини. Швидше випаровуються ті рідини, у яких молекул притягуються з меншою силою.

*Випар може відбуватися за будь-якої температури. Але при високих температурах випаровування відбувається швидше .

*Швидкість випаровування залежить від площі її поверхні.

*При вітрі (потоку повітря) випаровування відбувається швидше.

При випаровуванні внутрішня енергія зменшується, т.к. при випаровуванні рідина залишають швидкі молекули, отже, середня швидкість інших молекул зменшується. Значить, якщо немає припливу енергії ззовні, то температура рідини зменшується.

Явище перетворення пари на рідину називається конденсацією. Вона супроводжується виділенням енергії.

Конденсацією пари пояснюється утворення хмар. Пари води, що піднімаються над землею, утворюють у верхніх холодних шарах повітря хмари, які складаються з найдрібніших крапель води.

Питома теплота пароутворення - Фіз. величина, що показує яку кількість теплоти необхідно, щоб звернути рідину масою 1 кг у пару без зміни температури.

Уд. теплоту пароутворення позначають буквою L і вимірюється Дж/кг

Уд. теплоту пароутворення води: L=2,3×10 6 Дж/кг, спирт L=0,9×10 6

Кількість теплоти, необхідне перетворення рідини на пару: Q = Lm