Изменение внутренней энергии тела в процессе теплообмена и совершения работы. Уравнение теплового баланса

Внутренней энергией тела называется сумма кинетической и потенциальной энергии всех частиц тела и энергии ядер его атомов. Изменение внутренней энергии тела всегда связано с его взаимодействием с другими телами и с окружающей средой. Опыты показывают, что когда совершается работа A по преодолению трения или разрушению материала (пиление, точение и т.д.), то происходит нагревание тел, т.е. увеличение их внутренней энергии. Происходит превращение механической энергии во внутреннюю энергию тела.

Одним из важнейших видов обмена энергией между телами и окружающей средой является теплообмен. Обмен внутренней энергией между телами и окружающей средой или частями тела без свершения работы называется теплообменом.

Величину изменения внутренней энергии тела обусловленного теплообменом, называют количеством теплоты .

В системе СИ единицей измерения количества теплоты (как и внутренней энергии) служит 1 джоуль (Дж).

Раньше единицей теплоты Q являлась калори я: 1 ≈4,2 .

В природе существует три вида теплообмена:

· - Теплопроводность.

· - Излучение.

· - Конвекция.

Теплопроводностью называется передача внутренней энергии от одних частей вещества к другим, обусловленная хаотическим движением молекул и других частиц вещества.

Теплообмен с помощью излучения происходит и при отсутствии вещества между телами. Излучение тела, которое определяется только его температурой, называется тепловым излучением.

Теплообмен, который происходит при перемешивании неравномерно нагретых слоев жидкости или газа под действием силы тяжести, называется конвекцией.

Уравнение теплового баланса

При теплообмене сумма количеств теплоты, отданных всеми телами, у которых внутренняя энергия уменьшается, равна сумме количеств теплоты, полученных всеми телами, у которых внутренняя энергия увеличивается.

Теплообмен происходит до тех пор, пока температуры всех тел, участвующих в теплообмене, не сравняются. Общую температуру, которая получается после окончания теплообмена, обозначают (тэта).

Установлено, что изменение внутренней энергии () какого-либо тела массой m может быть вычислено по формуле: ,

где c - коэффициент пропорциональности,

-изменение температуры.

Величина "c" называется удельной теплоемкостью. Удельная теплоемкость вещества "c" измеряется количеством теплоты, необходимым для нагревания единицы массы вещества на единицу температуры. Т.к. , то ; .

В системе СИ [c]=1

Если тело, нагретое до температуры , опустить в калориметр с жидкостью температурой , то через некоторое время установится общая температура Θ. Тогда в процессе теплообмена тело отдало количество теплоты , а калориметр и жидкость получили соответственно и . Поэтому = + . (2.2)

= ; = ; = .

Подставив эти выражения в (2.2) получим:

= + .

Отсюда можно вычислить или Θ.

Контрольные вопросы:

 

1. Что такое теплообмен, и какие виды теплообмена Вам известны?

2. Расскажите о видах теплообмена.

3. Расскажите, как составляется уравнение теплового баланса.