Šis straipsnis skirtas išnagrinėti savitosios šilumos sąvoką ir jos priklausomybę nuo temperatūros. Aptarsime, kas yra savitoji šiluma, kaip ji susijusi su medžiagos savybėmis ir kaip temperatūra veikia šį svarbų fizikinį dydį. Taip pat paliesime virimo procesą, kuris yra glaudžiai susijęs su šilumos mainais ir temperatūros pokyčiais.
Virimas: Fizikinis Reiškinys
Virimas - tai fizikinis reiškinys, kurio metu skystis virsta dujomis (garais) visu tūriu. Skirtingai nuo garavimo, kuris vyksta tik skysčio paviršiuje, virimas apima visą skysčio tūrį. Tai intensyvus procesas, kurio metu susidaro burbuliukai skysčio viduje. Skystyje visada yra ištirpusių dujų. Šios dujos, šylant skysčiui, mažais burbuliukais nusėda ant indo dugno. Šylant toliau, burbuliukai plečiasi, kyla į viršų ir sprogsta, sukeldami skysčio maišymąsi ir intensyvų garavimą.
Virimo temperatūra - tai temperatūra, kurioje skystis pradeda virti. Ji priklauso nuo skysčio prigimties ir slėgio. Normaliomis sąlygomis (1 atmosfera) vanduo užverda 100 °C temperatūroje. Kuo didesnis slėgis, tuo aukštesnė virimo temperatūra, ir atvirkščiai. Skirtingų medžiagų virimo temperatūros skiriasi. Pavyzdžiui, aukso virimo temperatūra yra labai aukšta, o benzino - žemesnė nei vandens. Įvairiems vienodos masės skysčiams paversti garais reikia skirtingo šilumos kiekio. Šilumos kiekis (Q), reikalingas skysčiui paversti garais, apskaičiuojamas pagal formulę: Q = L * m, kur L - savitoji garavimo šiluma, o m - skysčio masė.
Virimas plačiai naudojamas įvairiose srityse, nuo maisto gaminimo iki pramoninių procesų. Maisto gamyboje, pavyzdžiui, verdant kiaušinį, svarbu žinoti, kiek laiko jį virti, kad jis būtų tinkamai išviręs. Pramonėje virimas naudojamas chemijos, energetikos ir maisto pramonėje. Termodinamika nagrinėja šilumos ir kitų energijos formų sąveiką. Virimas yra termodinaminis procesas, kurio metu šiluma naudojama skysčiui paversti garais. Slėgis skystyje priklauso nuo skysčio tankio, sunkio jėgos ir skysčio stulpelio aukščio. Tirpalo virimo temperatūra skiriasi nuo gryno tirpiklio virimo temperatūros. Tirpalo ir tirpiklio virimo temperatūrų skirtumas vadinamas tirpalo virimo temperatūros pakilimu: Δt vir. = t vir. - to vir., kur Δt vir. - tirpalo ir tirpiklio virimo temperatūros pakilimas, t vir. - tirpalo virimo temperatūra, to vir. - tirpiklio virimo temperatūra.
Vidinė Energija ir Agregatinės Būsenos
Kiekvienas kūnas turi energijos net ir tada, kai nejuda ir nesąveikauja su kitais kūnais makroskopiniu lygmeniu. Ši energija vadinama vidine energija. Vidinė energija susideda iš molekulių kinetinės energijos (dėl jų judėjimo) ir potencinės energijos (dėl jų sąveikos). Medžiagos vidinė energija priklauso nuo jos agregatinės būsenos: dujose potencinė energija yra beveik lygi nuliui, o skysčiuose ir kietuosiuose kūnuose ji yra reikšminga ir neigiama. Idealiųjų dujų vidinė energija lygi tik molekulių kinetinių energijų sumai ir priklauso tik nuo temperatūros (ir medžiagos kiekio).
Taip pat skaitykite: Apie metalų varžą
Vidinė energija gali kisti dviem būdais: atliekant mechaninį darbą ir perduodant šilumą (šilumos mainai). Kai kūnas deformuojamas (trinamas, spaudžiamas), išorinės jėgos atlieka darbą, kuris virsta vidine energija (kūnas šyla). Šilumos perdavimas vyksta iš šiltesnio kūno šaltesniam be darbo atlikimo.
Šilumos Perdavimo Būdai
Yra trys pagrindiniai šilumos perdavimo būdai: šiluminis laidumas, konvekcija ir spinduliavimas.
- Šiluminis laidumas: Šilumos perdavimas per medžiagą be makroskopinio medžiagos judėjimo. Tai efektyviausias būdas šilumai perduoti kietuosiuose kūnuose.
- Konvekcija: Šilumos perdavimas per skysčius ir dujas, kai šiltesnės medžiagos dalys kyla aukštyn, o šaltesnės leidžiasi žemyn, taip sukuriant sroves.
- Šiluminis spinduliavimas: Šilumos perdavimas elektromagnetinėmis bangomis. Šis būdas nereikalauja medžiagos ir gali vykti vakuume.
Šilumos Kiekis ir Savitoji Šiluma
Šilumos kiekis
Šilumos kiekis (Q) - tai energijos kiekis, perduotas tarp kūnų dėl temperatūrų skirtumo. Jis matuojamas džauliais (J). Šilumos kiekis yra vidinės energijos kitimo matas.
Savitoji šiluma
Savitoji šiluma (c) - tai fizikinė medžiagos savybė, rodanti, kiek šilumos reikia suteikti 1 kg medžiagos, kad jos temperatūra pakiltų 1 K (arba 1 °C). Jos SI vienetas yra J/(kg·K). Kuo didesnė savitoji šiluma, tuo daugiau energijos reikia, norint pakeisti medžiagos temperatūrą.
Šilumos kiekis, reikalingas kūno temperatūrai pakeisti, apskaičiuojamas pagal formulę:
Taip pat skaitykite: Dujų molinės šilumos analizė
Q = m * c * ΔTkur:
Q- šilumos kiekis (J)m- kūno masė (kg)c- savitoji šiluma (J/(kg·K))ΔT- temperatūros pokytis (K arba °C)
Fazinių Virsmų Šiluma
Medžiaga gali būti trijų pagrindinių agregatinių būsenų: kietosios, skystosios ir dujinės. Perėjimas iš vienos būsenos į kitą vadinamas faziniu virsmu. Faziniai virsmai vyksta tam tikroje temperatūroje, o jų metu sugeriamas arba išskiriamas šilumos kiekis.
- Lydymasis: Kietosios medžiagos virtimas skysčiu. Šilumos kiekis, reikalingas 1 kg kietosios medžiagos išlydyti lydymosi temperatūroje, vadinamas savitąja lydymosi šiluma (λ). Q = m * λ
- Kietėjimas (kristalizacija): Skysčio virtimas kietąja medžiaga. Šiluma išsiskiria.
- Garavimas: Skysčio virtimas dujomis. Šilumos kiekis, reikalingas 1 kg skysčio paversti garais virimo temperatūroje, vadinamas savitąja garavimo šiluma (L). Q = m * L
- Kondensacija: Dujų virtimas skysčiu. Šiluma išsiskiria.
- Sublimacija: Kietosios medžiagos virtimas dujomis, aplenkiant skystąją būseną.
- Desublimacija: Dujų virtimas kietąja medžiaga, aplenkiant skystąją būseną.
Kuro Degimo Šiluma
Kuras - tai medžiaga, kuri degdama išskiria šilumą. Savitoji kuro degimo šiluma (q) rodo, kiek šilumos išsiskiria visiškai sudegus 1 kg kuro. Šilumos kiekis, išsiskiriantis sudegus kurui, apskaičiuojamas pagal formulę:
Q = m * qkur:
Q- išsiskiriantis šilumos kiekis (J)m- kuro masė (kg)q- savitoji kuro degimo šiluma (J/kg)
Šilumos Balanso Lygtis
Kai šilumos mainuose dalyvauja keli kūnai izoliuotoje sistemoje (nevyksta šilumos mainai su aplinka), bendras energijos kiekis išlieka pastovus. Tai reiškia, kad šiltesnių kūnų atiduota šiluma yra lygi šaltesnių kūnų gautai šilumai. Šilumos balanso lygtis užrašoma taip:
Taip pat skaitykite: Kraujo judėjimo iššūkiai
Q_atid + Q_gav = 0kur:
Q_atid- šiltesnių kūnų atiduota šiluma (neigiama)Q_gav- šaltesnių kūnų gauta šiluma (teigiama)
Savitosios Šilumos Priklausomybė Nuo Temperatūros
Nors dažnai laikoma, kad savitoji šiluma yra pastovi medžiagos savybė, iš tiesų ji šiek tiek priklauso nuo temperatūros. Ši priklausomybė ypač pastebima dideliame temperatūrų intervale.
Kristaliniai ir Amorfiniai Kūnai
Kristaliniai kūnai pasižymi tvarkinga atomų ir molekulių struktūra, vadinama kristaline gardele. Amorfiniai kūnai, priešingai, neturi tokios tvarkingos struktūros. Šildant kristalinį kūną, jo temperatūra kyla, kol pasiekia lydymosi temperatūrą. Tuomet kristalinė gardelė pradeda irti, o kristalas lydosi. Kol visa kristalinė medžiaga išsilydo, jos temperatūra nekinta, nes visa gaunama energija eikvojama darbui molekulių sankibos jėgoms nugalėti. Metalų lydinių lydymosi temperatūra paprastai yra žemesnė negu lydinį sudarančių metalų. Atvėsinus skystį iki jo lydymosi temperatūros, jis pradeda kristalizuotis.
Savitosios Šilumos Matavimas
Laboratoriniuose darbuose galima nustatyti kietojo kūno savitąją šilumą. Taip pat, atliekant eksperimentus su šaltu ir karštu vandeniu, galima palyginti šilumos kiekius ir patikrinti energijos tvermės dėsnį.
Pavyzdžiai ir Uždaviniai
Štai keletas pavyzdžių ir uždavinių, iliustruojančių šilumos mainų ir temperatūros kitimo procesus:
- Uždavinys 1: Į indą, kuriame yra 4,5 kg 60 °C temperatūros vandens, įmesta 1,5 kg 0 °C ledo. Kokia bus vandens temperatūra ištirpus ledui? (Atsakymas: t=25°C)
- Uždavinys 2: Norint 2 l 80 °C temperatūros vandens atvėsinti iki 60 °C, į jį įpilama 10 °C temperatūros vandens. Kiek šalto vandens reikia įpilti?
Elektros Išlydis
Elektros išlydis - tai elektros srovės tekėjimas dujose. Nors dujos ir yra dielektrikas, dėl vykstančios jonizacijos, elektros srovė gali tekėti dujomis.
tags: #savitosios #silumos #priklausomybe #nuoo #temp