Värme

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 13 oktober 2022; verifiering kräver 1 redigering .

Den inre energin i ett termodynamiskt system kan förändras på två sätt: genom att utföra arbete på systemet och genom värmeväxling med omgivningen. Den energi som ett system (kropp) tar emot eller förlorar i processen för värmeväxling med omgivningen kallas mängden värme eller helt enkelt värme [1] . Värme är en av de grundläggande termodynamiska storheterna i klassisk fenomenologisk termodynamik . Mängden värme ingår i de matematiska standardformuleringarnaav termodynamikens första och andra lag.

För att ändra den interna energin i systemet genom värmeöverföring är det också nödvändigt att utföra arbete. Detta är dock inte mekaniskt arbete, som är förknippat med förskjutningen av gränsen för det makroskopiska systemet. På mikroskopisk nivå utförs detta arbete av krafter som verkar mellan molekyler vid kontaktgränsen för en varmare kropp med en mindre uppvärmd. Faktum är att under värmeöverföring överförs energi genom elektromagnetisk interaktion under kollisioner av molekyler. Därför, ur molekylär-kinetisk teoris synvinkel, manifesteras skillnaden mellan arbete och värme endast i det faktum att utförandet av mekaniskt arbete kräver ordnad rörelse av molekyler på makroskopiska skalor, medan överföring av energi från en varmare kropp till en mindre uppvärmd kräver inte detta.

Energi kan också överföras genom strålning från en kropp till en annan och utan deras direkta kontakt.

Mängden värme är inte en tillståndsfunktion , och mängden värme som tas emot av systemet i någon process beror på hur det överfördes från det initiala tillståndet till det sista.

Måttenheten i International System of Units (SI) är joule . Kalorien används också som måttenhet för värme . I Ryska federationen är kalorin godkänd för användning som en enhet utanför systemet utan tidsbegränsning inom ramen för "industri" [2] .

Definition

Mängden värme ingår i den matematiska formuleringen av termodynamikens första lag, som kan skrivas som . Här är mängden värme som överförs till systemet, är förändringen i den interna energin i systemet, och är det arbete som utförs av systemet. Den korrekta definitionen av värme bör dock ange metoden för dess experimentella mätning, oavsett den första lagen. Eftersom värme är den energi som överförs under värmeväxling, behövs en testkalorimetrisk kropp för att mäta mängden värme. Genom att ändra testkroppens inre energi kan man bedöma mängden värme som överförs från systemet till testkroppen och därigenom experimentellt verifiera giltigheten av den första lagen genom att självständigt mäta alla tre kvantiteter som ingår i den: arbete, intern energi och värme. Om man i fenomenologisk termodynamik inte indikerar en metod för att självständigt mäta mängden värme med hjälp av en kalorimetrisk kropp, så förlorar den första lagen innebörden av en meningsfull fysisk lag och förvandlas till en tautologisk definition av mängden värme. $Q=\Delta U+A$ $F$ $\Delta U$ $A$

En sådan mätning kan utföras på följande sätt. Antag att i ett system som består av två kroppar och som är inneslutet i ett adiabatiskt skal, är kroppen (testet) separerad från kroppen av ett styvt men värmeledande skal. Då är det inte kapabelt att utföra makroskopiskt arbete , utan kan utbyta energi genom värmeväxling med kroppen . Antag att kroppen kan utföra mekaniskt arbete, men eftersom hela systemet är adiabatiskt isolerat kan det bara utbyta värme med kroppen . Mängden värme som överförs till kroppen i någon process är värdet , där är förändringen i kroppens inre energi . Enligt lagen om energibevarande är det totala arbetet som utförs av systemet lika med förlusten av den totala inre energin i systemet av två kroppar: , var är det makroskopiska arbete som utförs av kroppen , vilket gör att vi kan skriva detta förhållandet som uttryck för termodynamikens första lag: . $X$ $Y$ $Y$ $X$ $X$ $X$ $Y$ $X$ $Q_{X}=-\Delta U_{Y}$ $\Delta U_{Y}$ $Y$ ${\displaystyle A=-\Delta U_{x}-\Delta U_{y))$ $A$ $X$ $Q=A+\Delta U_{x}$

Således kan mängden värme som introduceras i fenomenologisk termodynamik mätas med hjälp av en kalorimetrisk kropp (förändringen i den inre energin kan bedömas från indikationen av motsvarande makroskopiska instrument). Riktigheten av den införda definitionen av mängden värme följer av termodynamikens första lag, det vill säga oberoendet av motsvarande kvantitet från valet av en testkropp och metoden för värmeväxling mellan kroppar. Med en sådan definition av mängden värme blir den första lagen en meningsfull lag som tillåter direkt experimentell verifiering, dessutom kan många konsekvenser erhållas av den, som också verifieras i experimentet [3] . $Y$

Clausius ojämlikhet. Entropi

Låt oss anta att den aktuella kroppen endast kan utbyta värme med oändliga termiska reservoarer, vars inre energi är så stor att temperaturen för var och en förblir strikt konstant under den aktuella processen. Låt oss anta att en godtycklig cirkulär process har utförts på kroppen, det vill säga i slutet av processen är den i absolut samma tillstånd som i början. Låt samtidigt för hela processen den lånade från den i-te reservoaren, som ligger vid en temperatur , mängden värme . Då är följande Clausius-ojämlikhet sann : $N$ $T_{i}$ $Q_{i}$

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

Här betecknar en cirkulär process. I det allmänna fallet med värmeväxling med ett medium med variabel temperatur tar olikheten formen $\cirkel$

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

Här är mängden värme som överförs av en del av mediet med en (konstant) temperatur . Denna ojämlikhet är tillämplig på alla processer som utförs på en kropp. I ett särskilt fall av en kvasistatisk process blir det en jämlikhet. Matematiskt betyder detta att man för kvasistatiska processer kan införa en tillståndsfunktion som kallas entropi , för vilken $\deltaQ(T)$ $T$

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

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

Här är den absoluta temperaturen för den externa värmebehållaren. I denna mening är det en integrerande faktor för mängden värme, genom att multiplicera med vilken den totala differentialen för tillståndsfunktionen erhålls. $T$ ${\frac {1}{T}}$

För icke-kvasistatiska processer fungerar inte denna definition av entropi. Till exempel under den adiabatiska expansionen av en gas till ett vakuum

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

dock ökar entropin i detta fall, vilket är lätt att verifiera genom att överföra systemet till initialtillståndet kvasi-statiskt och använda Clausius-olikheten. Dessutom är entropi (i den angivna betydelsen) inte definierad för icke- jämviktstillstånd i ett system, även om ett system i många fall kan anses vara i lokal jämvikt och ha en viss entropifördelning.

Latent och upplevd värme

Den inre energin i ett system där fasövergångar eller kemiska reaktioner är möjliga kan förändras även utan att temperaturen ändras. Till exempel, energin som överförs till ett system där flytande vatten är i jämvikt med is vid noll grader Celsius förbrukas på att smälta isen, men temperaturen förblir konstant tills all is har förvandlats till vatten. Denna metod för energiöverföring kallas traditionellt för "latent" eller isotermisk värme [4] ( eng. latent heat ), i motsats till "explicit", "filt" eller icke-isotermisk värme ( eng. sensible heat ), vilket betyder processen att överföra energi till systemet , som ett resultat av vilket endast systemets temperatur ändras, men inte dess sammansättning.

Fasomvandlingsvärme

Den energi som krävs för en fasövergång per massenhet av ett ämne kallas det specifika värmet för fasomvandling [5] . I enlighet med den fysikaliska process som sker under en fasomvandling kan de frigöra fusionsvärme, förångningsvärme, sublimeringsvärme (sublimering), omkristallisationsvärme etc. Fasomvandlingar sker med en abrupt förändring i entropin, vilket är åtföljs av frigöring eller absorption av värme, trots temperaturkonstans.

På termerna "värme", "mängd värme", "termisk energi"

Många termodynamikbegrepp uppstod i samband med den förlegade teorin om kalorier, som lämnade scenen efter klargörandet av termodynamikens molekylärkinetiska grunder. Sedan dess har de använts i både vetenskapligt och vardagligt språk. Även om värme i strikt mening är ett av sätten att överföra energi, och endast mängden energi som överförs till systemet har fysisk betydelse, ingår ordet "värme" i sådana väletablerade vetenskapliga begrepp som värmeflöde, värmekapacitet , fasövergångsvärme, värme från en kemisk reaktion, värmeledningsförmåga, etc. Därför, där sådan ordanvändning inte är vilseledande, är begreppen "värme" och "mängd värme" synonyma [6] . Dessa termer kan dock endast användas under förutsättning att de ger en exakt definition som inte är relaterad till idéerna i teorin om kalorier, och i inget fall kan "mängden värme" tillskrivas antalet ursprungliga begrepp som gör det kräver ingen definition [7] . Därför klargör vissa författare att för att undvika fel i teorin om kalorier bör begreppet "värme" förstås exakt som metoden för energiöverföring, och mängden energi som överförs med denna metod betecknas med begreppet " värmemängd” [8] . Det rekommenderas att undvika en sådan term som "termisk energi", som i betydelsen sammanfaller med intern energi [9] .

Anteckningar

↑ Sivukhin, 2005 , sid. 57.
↑ Regler om kvantitetsenheter som är tillåtna för användning i Ryska federationen. Godkänd genom dekret från Ryska federationens regering av den 31 oktober 2009 nr 879. (otillgänglig länk) . Datum för åtkomst: 16 februari 2014. Arkiverad från originalet den 2 november 2013. (obestämd)
↑ Sivukhin, 2005 , sid. 58.
↑ Putilov, 1971 , sid. 49.
↑ Sivukhin, 2005 , sid. 442.
↑ Värme / Myakishev G. Ya. // Strunino - Tikhoretsk. - M . : Soviet Encyclopedia, 1976. - ( Great Soviet Encyclopedia : [i 30 volymer] / chefredaktör A. M. Prokhorov ; 1969-1978, vol. 25).
↑ Sivukhin, 2005 , sid. 13.
↑ Bazarov, 1991 , sid. 25.
↑ Sivukhin, 2005 , sid. 61.

Litteratur

Bazarov I.P. Termodynamik. - M . : Högre skola, 1991. - 376 sid.
Putilov K. A. Termodynamik. — M .: Nauka, 1971. — 375 sid.
Sivukhin DV Allmän kurs i fysik. - T. II. Termodynamik och molekylär fysik. - 5:e uppl., Rev. - M . : Fizmatlit, 2005. - 544 sid. - ISBN 5-9221-0601-5 .