Savitoji šiluma - tai medžiagos savybė, rodanti, kiek šilumos reikia 1 kg medžiagos temperatūrai padidinti 1 K (arba 1 °C). Kiekvienas kūnas turi vidinės energijos, net jei jis nejuda ir nesąveikauja su kitais kūnais makroskopiniu lygmeniu. Vidinė energija susideda iš molekulių kinetinės ir potencinės energijos. Molekulių kinetinė energija susijusi su jų judėjimu, o potencinė - su tarpmolekulinėmis sąveikomis. Medžiagos agregatinė būsena (dujos, skystis ar kietas kūnas) turi įtakos potencinės energijos reikšmei, todėl savitoji šiluma priklauso nuo temperatūros ir medžiagos fazės.
Savitosios šilumos reikšmė ir formulė
Šilumos kiekiu vadinamas vidinės energijos kiekis, kurį kūnas gauna ar kurio netenka šilumos perdavimo būdu. Savitoji šiluma rodo, kiek šilumos reikia 1 kg medžiagos temperatūrai pakelti 1 °C. Apskaičiuojama pagal formulę Q = m c ΔT, kur m - kūno masė, c - savitoji šiluminė talpa (medžiagos savybė, SI vienetas J/(kg·K)), ΔT - temperatūros pokytis.
Temperatūros priklausomybės priežastys
Savitosios šilumos priklausomybė nuo temperatūros atsiranda todėl, kad didėjant temperatūrai kinta molekulių judėjimo intensyvumas ir interakcijos, keičiasi medžiagos struktūra ar fazė. Fazės virsmų metu temperatūra nekinta, nors šiluma ir toliau tiekiama arba atimama - ši latentinė šiluma (lydymosi ar garavimo) yra reikšmingas savitosios šilumos elgesio faktorėlis. Fazės virsmai (lydymasis, kietėjimas, garavimas, kondensacija) metu energija naudojama tarpmolekulinėms sąveikoms įveikti ar atstatyti, todėl praktikoje savitoji šiluma efektas matomas kaip skirtingi energijos poreikiai skirtingose temperatūrų srityse.
Praktiniai pavyzdžiai ir uždaviniai (taikymas ir skaičiavimai)
Šilumos balanso lygtis: kai šilumos mainuose dalyvauja keli kūnai izoliuotoje sistemoje, bendras energijos kiekis išlieka pastovus. Šiltesni kūnai atiduoda šilumą (Qatid < 0), šaltesni - gauna (Qgav > 0): ΣQ_i = 0. Ši lygtis taikoma sprendžiant daugumą šio skyriaus uždavinių.
Uždavinio pavyzdžiai iš praktikos (fragmentai iš pateikto juodraščio)
- 70 kg studentas bėgdamas skleidžia 1200 W šiluminę energiją. Norint išlaikyti pastovią 37 °C kūno temperatūrą, ši energija turi būti pašalinama prakaituojant ar kitais mechanizmais. Jei šie mechanizmai sutriktų ir studento kūnas negalėtų atiduoti šilumos, kokį laiko tarpą studentas galėtų bėgti iki kol jo neištiktų negrįžtami kūno sutrikimai?
- Kalorimetras pripildytas vandens, kurio masė m1 = 400 g, temperatūra t1 = 5 °C. Papildomai į kalorimetrą įpilta m2 = 200 g vandens, kurio temperatūra t2 = 10 °C ir įdėta m3 = 400 g ledo, kurio temperatūra t3 = −60 °C. Kokia temperatūra Θ nusistovės kalorimetre?
- Termometrui lauke rodant t1 = −10 °C, o radiatoriuose esant t0 = 55 °C, kambariuose nusistovi tk1 = 25 °C temperatūra.
- Koks šilumos kiekis turi būti atiduodamas, kad ledo gabaliukas, masė m = 20 g ir temperatūra t1 = −15 °C pavirstų į garus prie temperatūros t2 = 100 °C?
- Sumaišėme m1 = 300 g vandens, t1 = 10 °C ir m2 = 400 g ledo, t2 = −20 °C. Raskite galutinę temperatūrą ar būseną, taikant šilumos balanso lygtį.
- Į indą, pripildytą tirpstančio ledo, įdedama geležies masė m = 325 g ir tūris V = 48 cm^3. Geležies tankis temperatūroje t0 = 0 °C ρ0 = 6,8·10^3 kg/m^3, geležies savitoji šiluma c = 0,5 kJ/(kg·°C), šiluminis tūrinio plėtimosi koeficientas β = 3,3·10^−5 K^−1. Ledo savitoji lydymosi šiluma λ = 0,33 MJ/kg.
- 1 kg ledo ir 1 kg nelydžios medžiagos, prie −40 °C temperatūros įdėti į šilumai izoliuotą indą su viduje esančiu šildytuvu. Šildytuvui suteikiama pastovi galia. Temperatūros inde priklausomybė nuo laiko parodyta grafike. Ledo savitoji šiluma cledo = 2,1 kJ/(kg·°C), o nelydžiosios medžiagos savitoji šiluma kietojoje būsenoje c = 1 kJ/(kg·°C).
- Kalorimetre yra ledas, masė mledo = 100 g, tledo = 0 °C. Į kalorimetrą įleidžiami garai, tgarų = 100 °C. Kiek vandens atsirado kalorimetre, kai visas ledas ištirpo?
- Fizikas pripilė indą m1 = 1 kg vandens, t1 = 20 °C ir pila skystą azotą t2 = −196 °C. Pilant skystą azotą, vanduo maišosi su juo, azotas išgaruoja, procedūra kartojama. Kokia bus reikalinga skysto azoto masė, norint paversti ledu pusę vandens masės?
- Gryną vandenį galima atvėsinti iki −10 °C (nestabili būsena). Kokia dalis vandens pavirs ledu, jei prasidės kristalizacija (šilumos perdavimas vyksta tik tarp ledo ir vandens; savitoji ledo lydymosi šiluma 80 cal/g)?
- Traukinys, važiuojantis 72 km/h greičiu, stabdydamas sustoja. Kaip pasikeitė oro temperatūra vagone, jeigu visa traukinio stabdymo energija buvo naudojama oro vagone šildymui?
- Beoris vamzdelis sujungtas su indu, pripildytu gyvsidabrio. Atidarius kraną K, į vamzdelį atitekėjo gyvsidabris ir gyvsidabrio stulpelis pakilo aukščiu h ir mase m.
- Atviroje talpykloje yra 0,55 kg ledo, temperatūra −15 °C. Karštis tiekiamas pastoviu 800 J/min greičiu 500 min. a) Po kiek minučių ledas pradės tirpti? b) Po kiek minučių nuo kaitinimo pradžios temperatūra pakils virš 0 °C?
- Kalorimetre ledo gabalas m1 = 0,4 kg, t1 = −53 °C. Į kalorimetrą įpylė m2 = 0,1 kg vandens, t2 = 15 °C. Raskite nusistovėjusią temperatūrą kalorimetre.
Visiems šiems uždaviniams spręsti naudojama ta pati pagrindinė idėja - taikyti šilumos balansą ir atsižvelgti į fazinius virsmus (šildymo/lydymosi/garavimo šilumas). Praktikoje svarbu žinoti medžiagų savąsias šilumas, lydymosi ir garavimo šilumas (latentinės šilumos) bei pradines ir galutines temperatūras.
Taip pat skaitykite: Temperatūros įtaka metalų elektrinei varžai
Faziniai virsmai: lydymasis, garavimas ir latentinės šilumos
Medžiaga gali būti kietoje, skystoje arba dujinėje būsenoje. Perėjimas iš vienos būsenos į kitą vadinamas fazės virsmu. Fazės virsmų metu temperatūra nekinta, nors šiluma ir toliau tiekiama arba atimama. Šiluma, reikalinga fazės virsmui, vadinama latentine (pvz., savitoji lydymosi šiluma λ - šilumos kiekis, reikalingas 1 kg kietosios medžiagos visiškai išlydyti lydymosi temperatūroje; savitoji garavimo šiluma L - šilumos kiekis, reikalingas 1 kg skysčio visiškai išgarinti virimo temperatūroje). Q = mL.
Virimo ir garavimo ypatumai
Virimas yra fazinis virsmas, kurio metu skystis pereina į dujinę būseną visu tūriu. Skirtingai nuo garavimo, kuris vyksta tik skysčio paviršiuje, virimas apima visą skysčio tūrį ir yra intensyvus procesas, kuriame susidaro burbuliukai skysčio viduje. Virimo temperatūra priklauso nuo slėgio: kuo didesnis slėgis, tuo aukštesnė virimo temperatūra. Kai vanduo pasiekia virimo temperatūrą (100 °C normaliomis sąlygomis), tolesnis šilumos tiekimas nesukelia temperatūros kilimo - energija naudojama garavimo procesui.
Praktinis virimo pavyzdys
Panagrinėkime vandens virimo procesą: pradžioje, tiekiant šilumą, vandens temperatūra kyla. Kai vanduo pasiekia virimo temperatūrą, tolesnis šilumos tiekimas nenaudojamas temperatūrai kelti, o skiriamas molekulėms pereiti į dujinę būseną. Šis principas svarbus pramonėje ir virtuvėje.
Šilumnešiai ir jų savybės
Šilumnešis - tai medžiaga, naudojama šilumai perduoti iš karštesnės aplinkos šaltesnei. Svarbiausios šilumnešio savybės yra tankis, klampa, savitoji šiluma ir šilumos laidumas. Vanduo dažnai naudojamas dėl didelio tankio ir savitosios šilumos. Skystieji metalai (pvz., gyvsidabris) pasižymi dideliu šilumos laidumu bet gali būti nuodingi.
Laboratoriniai darbai ir mokomieji tikslai
Užsiėmimuose apie savitąją šilumą ir fazinius virsmus mokomasi apskaičiuoti šilumos kiekius, nustatyti savitąsias šilumas eksperimentais, brėžti temperatūros kitimo grafikus fazinių virsmų metu bei taikyti šilumos balanso lygtį. Praktiniai darbai apima kietojo kūno savitosios šilumos apskaičiavimą, šilumos kiekių palyginimą maišant šaltą ir karštą vandenį, fazinių virsmų tyrinėjimą.
Taip pat skaitykite: Kaip gauti paramą šilumos siurbliui?
Lentelė: pagrindiniai termodinaminiai parametrai (dažniausiai naudojami uždaviniuose)
| Dydis | Simbolis | Įprastinė reikšmė / vienetas |
|---|---|---|
| Savitoji šiluma | c | J/(kg·K) arba kJ/(kg·°C) |
| Lydymosi (latentinė) šiluma | λ | J/kg (pvz., ledas ≈ 3,3·10^5 J/kg pagal pateiktą duomenį) |
| Garavimo (virimo) šiluma | L | J/kg (pvz., vanduo ≈ 2,26·10^6 J/kg) |
| Vidinė energija | U | J |
Kaip spręsti šilumos balansinius uždavinius - žingsniai
- Nustatyti visų sistemos komponentų pradinius parametrus: masės, pradines temperatūras, fasę.
- Identifikuoti, kokie faziniai virsmai gali vykti ir kokios latentinės šilumos reikalingos (lydymas, garavimas).
- Parašyti šilumos balansą: ΣQ = 0 (izoliuotai sistemai). Atskiri Q skaičiuojami: Q = m c ΔT arba Q = m λ arba Q = m L.
- Atlikti skaičiavimus seka: šildyti/atvėsinti iki fazės ribos, įtraukti latentines šilumas, tuomet tęsti temperatūros pokytį iki galutinio taško.
- Interpretuoti rezultatą - ar sistema turi likutinio skysčio, ar visa medžiaga pereina į kitą fazę, ar temperatūra pasiekia tam tikrą reikšmę.
Tipinės klaidos ir pastabos
- Dažna klaida - praleisti latentinės šilumos dalį arba naudoti neteisingas konstantas (pvz., lydymosi arba garavimo šilumą).
- Reikia atkreipti dėmesį, ar duoti duomenys pateikti J/kg ar kJ/kg ar cal/g ir koreguoti vienetus.
- Faziniuose virsmuose temperatūra nekinta tol, kol vyksta visas atitinkamas procesas (pvz., kol ištirpsta visas ledas), todėl sprendžiant uždavinius būtina skaičiuoti etapais.
Mokomoji reikšmė ir taikymas kasdieniame gyvenime
Supratimas apie savitąją šilumą ir jos priklausomybę nuo temperatūros reikalingas tiek inžinerijoje (šildymo ir aušinimo sistemas projektuojant), tiek kasdienybėje (maisto gaminimas, šaldymas). Žinojimas, kiek šilumos reikia, kad ledas ištirptų ar vanduo užvirtų, leidžia optimizuoti energijos panaudojimą. Be to, šilumos balanso principas yra svarbus saugumo vertinimuose - pvz., kiek laiko žmogus galėtų išlaikyti pastovią kūno temperatūrą be šilumos išsklaidymo mechanizmų ar kaip traukinio stabdymo mechaninė energija pakeistų oro temperatūrą vagone, jei ji virstų šiluma.
Taikant pateiktus uždavinius laboratorijose ir namų sąlygomis, studentai įtvirtina supratimą apie vidinę energiją, fazinius virsmus, šilumos kiekių skaičiavimą ir energijos tvermės taikymą praktikoje.
Taip pat skaitykite: Ar šilumos tinklų darbuotojai gali išeiti į išankstinę pensiją?
tags: #savitosios #silumos #priklausomybe #nuo #temp