Căldură

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 13 octombrie 2022; verificarea necesită 1 editare .

Energia internă a unui sistem termodinamic se poate modifica în două moduri: lucrând asupra sistemului și prin schimbul de căldură cu mediul. Energia pe care un sistem (corp) o primește sau o pierde în procesul de schimb de căldură cu mediul se numește cantitate de căldură sau pur și simplu căldură [1] . Căldura este una dintre mărimile termodinamice de bază în termodinamica fenomenologică clasică. Cantitatea de căldură este inclusă în formulările matematice standard ale primei și celei de-a doua legi ale termodinamicii.

Pentru a schimba energia internă a sistemului prin transfer de căldură, este, de asemenea, necesar să lucrați. Cu toate acestea, aceasta nu este o muncă mecanică, care este asociată cu deplasarea limitei sistemului macroscopic. La nivel microscopic, acest lucru este realizat de forțele care acționează între molecule la limita de contact a unui corp mai fierbinte cu unul mai puțin încălzit. De fapt, în timpul transferului de căldură, energia este transferată prin interacțiune electromagnetică în timpul ciocnirilor de molecule. Prin urmare, din punctul de vedere al teoriei molecular-cinetice, diferența dintre muncă și căldură se manifestă doar prin faptul că efectuarea muncii mecanice necesită mișcarea ordonată a moleculelor la scară macroscopică, în timp ce transferul de energie dintr-un corp mai fierbinte. unuia mai putin incalzit nu necesita acest lucru.

Energia poate fi transferată și prin radiație de la un corp la altul și fără contactul lor direct.

Cantitatea de căldură nu este o funcție de stare , iar cantitatea de căldură primită de sistem în orice proces depinde de modul în care a fost transferată din starea inițială în cea finală.

Unitatea de măsură în Sistemul Internațional de Unități (SI) este joule . Caloriile sunt folosite și ca unitate de măsură pentru căldură . În Federația Rusă, caloriile sunt aprobate pentru utilizare ca unitate în afara sistemului, fără limită de timp, în scopul „industriei” [2] .

Definiție

Cantitatea de căldură este inclusă în formularea matematică a primei legi a termodinamicii, care poate fi scrisă ca . Aici este cantitatea de căldură transferată în sistem, este modificarea energiei interne a sistemului și este munca efectuată de sistem. Cu toate acestea, definiția corectă a căldurii ar trebui să indice metoda de măsurare experimentală a acesteia, indiferent de prima lege. Deoarece căldura este energia transferată în timpul schimbului de căldură, este necesar un corp calorimetric de testare pentru a măsura cantitatea de căldură. Schimbând energia internă a corpului de testare, se poate judeca cantitatea de căldură transferată de la sistem către corpul de testare și, prin urmare, se poate verifica experimental validitatea primei legi prin măsurarea independentă a tuturor celor trei cantități incluse în ea: lucru, energie internă și căldură. Dacă în termodinamica fenomenologică nu se indică o metodă pentru măsurarea independentă a cantității de căldură cu ajutorul unui corp calorimetric, atunci prima lege pierde sensul unei legi fizice semnificative și se transformă într-o definiție tautologică a cantității de căldură. $Q=\Delta U+A$ $Q$ $\Delta U$ $A$

O astfel de măsurare poate fi efectuată în felul următor. Să presupunem că într-un sistem format din două corpuri și închis într-o înveliș adiabatic, corpul (testul) este separat de corp printr-o înveliș rigid, dar conducător de căldură. Atunci nu este capabil să efectueze lucrări macroscopice , dar poate face schimb de energie prin schimbul de căldură cu corpul . Să presupunem că corpul poate efectua lucrări mecanice, dar, deoarece întregul sistem este izolat adiabatic, poate face schimb de căldură doar cu corpul . Cantitatea de căldură transferată corpului într-un proces este valoarea , unde este modificarea energiei interne a corpului . Conform legii conservării energiei , munca totală efectuată de sistem este egală cu pierderea energiei interne totale a sistemului a două corpuri: , unde este munca macroscopică efectuată de corp , ceea ce ne permite să scriem aceasta raportul ca expresie pentru prima lege a termodinamicii: . $X$ $Y$ $Y$ $X$ $X$ $X$ $Y$ $X$ $Q_{X}=-\Delta U_{Y}$ $\Delta U_{Y}$ $Y$ $A=-\Delta U_{x}-\Delta U_{y)$ $A$ $X$ $Q=A+\Delta U_{x)$

Astfel, cantitatea de căldură introdusă în termodinamica fenomenologică poate fi măsurată cu ajutorul unui corp calorimetric (a cărui modificare a energiei interne se poate aprecia după indicarea instrumentului macroscopic corespunzător). Corectitudinea definiției introduse a cantității de căldură rezultă din prima lege a termodinamicii, adică independența cantității corespunzătoare de alegerea unui corp de testare și a metodei de schimb de căldură între corpuri. Cu o astfel de definiție a cantității de căldură, prima lege devine o lege semnificativă care permite verificarea experimentală directă, în plus, din aceasta se pot obține și multe consecințe, care se verifică și în experiment [3] . $Y$

Inegalitatea Clausius. Entropie

Să presupunem că corpul în cauză poate face schimb de căldură numai cu rezervoare termice infinite, a căror energie internă este atât de mare încât în timpul procesului luat în considerare temperatura fiecăruia rămâne strict constantă. Să presupunem că pe corp a fost efectuat un proces circular arbitrar , adică la sfârșitul procesului, acesta este absolut în aceeași stare ca la început. Lăsați, în același timp, pentru întregul proces, a împrumutat de la i-lea rezervor, situat la o temperatură , cantitatea de căldură . Atunci următoarea inegalitate Clausius este adevărată : $N$ $T_{i}$ $Q_{i}$

\circ \sum _{i=1}^{N}{\frac {Q_{i}}{T_{i}}}\leqslant 0.

Aici denotă un proces circular. În cazul general al schimbului de căldură cu un mediu de temperatură variabilă, inegalitatea ia forma $\circ$

\oint {\frac {\delta Q(T)}{T))\leqslant 0.

Iată cantitatea de căldură transferată de o secțiune a mediului cu o temperatură (constantă) . Această inegalitate este aplicabilă oricărui proces efectuat asupra unui corp. Într-un caz particular de proces cvasistatic , acesta devine o egalitate. Din punct de vedere matematic, aceasta înseamnă că pentru procesele cvasi-statice se poate introduce o funcție de stare numită entropie , pentru care $\deltaQ(T)$ $T$

S=\int {\frac {\delta Q(T)}{T)),

dS={\frac {\delta Q}{T)).

Aici , este temperatura absolută a rezervorului de căldură extern. În acest sens, este un factor integrator pentru cantitatea de căldură, prin înmulțire cu care se obține diferența totală a funcției de stare. $T$ ${\frac {1}{T}}$

Pentru procesele non-cvasistatice, această definiție a entropiei nu funcționează. De exemplu, în timpul expansiunii adiabatice a unui gaz în vid

\int {\frac {\delta Q(T)}{T))=0,

totuși, entropia crește în acest caz, ceea ce este ușor de verificat prin transferarea sistemului în starea inițială cvasistatic și folosind inegalitatea Clausius. În plus, entropia (în sensul indicat) nu este definită pentru stările de neechilibru ale unui sistem, deși în multe cazuri un sistem poate fi considerat a fi în echilibru local și având o anumită distribuție a entropiei.

Căldura latentă și percepută

Energia internă a unui sistem în care sunt posibile tranziții de fază sau reacții chimice se poate modifica chiar și fără modificarea temperaturii. De exemplu, energia transferată într-un sistem în care apa lichidă este în echilibru cu gheața la zero grade Celsius este cheltuită în topirea gheții, dar temperatura rămâne constantă până când toată gheața sa transformat în apă. Această metodă de transfer de energie este denumită în mod tradițional „căldură latentă” sau izotermă [4] ( ing. căldură latentă ), spre deosebire de căldura „explicită”, „resimțită” sau neizotermă ( ing. căldură sensibilă ), ceea ce înseamnă procesul de transfer de energie către sistem, în urma căruia se modifică doar temperatura sistemului, dar nu și compoziția acestuia.

Căldura de transformare de fază

Energia necesară pentru o tranziție de fază pe unitatea de masă a unei substanțe se numește căldură specifică de transformare de fază [5] . În conformitate cu procesul fizic care are loc în timpul unei transformări de fază, ele pot elibera căldură de fuziune, căldură de evaporare, căldură de sublimare (sublimare), căldură de recristalizare etc. Transformările de fază apar cu o schimbare bruscă a entropiei, care este însoțită de eliberarea sau absorbția de căldură, în ciuda constantei temperaturii.

Pe termenii „căldură”, „cantitate de căldură”, „energie termică”

Multe concepte de termodinamică au apărut în legătură cu teoria învechită a caloricii, care a părăsit etapa după clarificarea fundamentelor molecular-cinetice ale termodinamicii. De atunci, acestea au fost folosite atât în limbajul științific, cât și în limbajul de zi cu zi. Deși în sens strict, căldura este una dintre modalitățile de transfer de energie și doar cantitatea de energie transferată în sistem are sens fizic, cuvântul „căldură” este inclus în concepte științifice bine stabilite precum fluxul de căldură, capacitatea de căldură. , căldura de tranziție de fază, căldura unei reacții chimice, conductivitate termică etc. Prin urmare, acolo unde utilizarea unui astfel de cuvânt nu este înșelătoare, conceptele de „căldură” și „cantitate de căldură” sunt sinonime [6] . Cu toate acestea, acești termeni pot fi folosiți numai cu condiția ca ei să dea o definiție exactă care nu este legată de ideile teoriei calorice și în niciun caz „cantitatea de căldură” nu poate fi atribuită numărului de concepte originale care nu nu necesită o definiție [7] . Prin urmare, unii autori clarifică faptul că, pentru a evita erorile în teoria calorică, conceptul de „căldură” ar trebui înțeles tocmai ca metodă de transfer de energie, iar cantitatea de energie transferată prin această metodă este desemnată prin conceptul de „ cantitatea de căldură” [8] . Se recomandă evitarea unui astfel de termen ca „energie termică”, care în sens coincide cu energia internă [9] .

Note

↑ Sivukhin, 2005 , p. 57.
↑ Reglementări privind unitățile de cantități permise pentru utilizare în Federația Rusă. Aprobat prin Decretul Guvernului Federației Ruse din 31 octombrie 2009 Nr. 879. (link inaccesibil) . Data accesului: 16 februarie 2014. Arhivat din original pe 2 noiembrie 2013. (nedefinit)
↑ Sivukhin, 2005 , p. 58.
↑ Putilov, 1971 , p. 49.
↑ Sivukhin, 2005 , p. 442.
↑ Căldură / Myakishev G. Ya. // Strunino - Tikhoretsk. - M . : Enciclopedia Sovietică, 1976. - ( Marea Enciclopedie Sovietică : [în 30 de volume] / redactor-șef A. M. Prokhorov ; 1969-1978, vol. 25).
↑ Sivukhin, 2005 , p. 13.
↑ Bazarov, 1991 , p. 25.
↑ Sivukhin, 2005 , p. 61.

Literatură

Bazarov I.P. Termodinamică. - M . : Şcoala superioară, 1991. - 376 p.
Putilov K. A. Termodinamică. — M .: Nauka, 1971. — 375 p.
Sivukhin DV Curs general de fizică. - T. II. Termodinamica si fizica moleculara. - ed. a V-a, Rev. - M . : Fizmatlit, 2005. - 544 p. - ISBN 5-9221-0601-5 .