Ֆիզիկայի մեջ «ջերմություն» հասկացությունը կապված է տարբեր մարմինների միջև ջերմային էներգիայի փոխանցման հետ։ Այս գործընթացների շնորհիվ տեղի է ունենում մարմինների տաքացում և սառեցում, ինչպես նաև դրանց ագրեգացման վիճակների փոփոխություն։ Եկեք ավելի մանրամասն քննարկենք այն հարցը, թե ինչ է ջերմությունը:
Հայեցակարգի հայեցակարգ
Ի՞նչ է ջերմությունը: Յուրաքանչյուր մարդ կարող է պատասխանել այս հարցին առօրյա տեսանկյունից՝ նկատի ունենալով դիտարկվող հայեցակարգի տակ այն սենսացիաները, որոնք նա ունենում է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանի բարձրացման ժամանակ։ Ֆիզիկայի մեջ այս երևույթը հասկացվում է որպես էներգիայի փոխանցման գործընթաց՝ կապված մարմինը կազմող մոլեկուլների և ատոմների քաոսային շարժման ինտենսիվության փոփոխության հետ։
Ընդհանուր առմամբ, կարելի է ասել, որ որքան բարձր է մարմնի ջերմաստիճանը, այնքան ավելի շատ ներքին էներգիա է պահվում դրանում, և այնքան ավելի շատ ջերմություն այն կարող է տալ այլ առարկաներին։
Ջերմություն և ջերմաստիճան
Իմանալով, թե ինչ է ջերմությունը հարցի պատասխանը, շատերը կարող են մտածել, որ այս հասկացությունը նման է «ջերմաստիճան» հասկացությանը, բայց դա այդպես չէ։ Ջերմությունը կինետիկ էներգիա է, ջերմաստիճանը դրա չափանիշն էէներգիա. Այսպիսով, ջերմության փոխանցման գործընթացը կախված է նյութի զանգվածից, այն կազմող մասնիկների քանակից, ինչպես նաև այդ մասնիկների տեսակից և դրանց շարժման միջին արագությունից։ Իր հերթին, ջերմաստիճանը կախված է միայն թվարկված պարամետրերից վերջինից։
Ջերմության և ջերմաստիճանի տարբերությունը հեշտ է հասկանալ, եթե պարզ փորձ կատարեք. անհրաժեշտ է ջուր լցնել երկու անոթների մեջ, որպեսզի մի անոթը լցված լինի, իսկ մյուսը միայն կիսով չափ: Երկու անոթները կրակի վրա դնելով՝ կարելի է նկատել, որ առաջինը սկսում է եռալ այն, որի մեջ քիչ ջուր կա։ Որպեսզի երկրորդ անոթը եռա, կրակից դեռ մի քիչ ջերմություն կպահանջվի։ Երբ երկու անոթները եռում են, կարող եք չափել դրանց ջերմաստիճանը, այն նույնը կլինի (100 oC), բայց ավելի շատ ջերմություն էր անհրաժեշտ, որպեսզի լիքը անոթ ջուր եռացնի:
Ջերմային միավորներ
Համաձայն ֆիզիկայի ջերմության սահմանման՝ կարելի է կռահել, որ այն չափվում է էներգիայի կամ աշխատանքի նույն միավորներով, այսինքն՝ ջոուլներով (J): Բացի ջերմության հիմնական միավորից, առօրյա կյանքում հաճախ կարելի է լսել կալորիաների մասին (կկալ): Այս հայեցակարգը հասկացվում է որպես ջերմության քանակ, որը պետք է փոխանցվի մեկ գրամ ջրին, որպեսզի նրա ջերմաստիճանը բարձրանա 1 կելվինով (K): Մեկ կալորիան հավասար է 4,184 Ջի: Կարող եք նաև լսել մեծ և փոքր կալորիաների մասին, որոնք համապատասխանաբար կազմում են 1 կկալ և 1 կկալ:
Ջերմային հզորության հայեցակարգ
Իմանալով, թե ինչ է ջերմությունը, դիտարկենք այն ուղղակիորեն բնութագրող ֆիզիկական մեծություն՝ ջերմունակությունը: Այս հայեցակարգի համաձայն՝ֆիզիկա նշանակում է ջերմության այն քանակությունը, որը պետք է տրվի կամ վերցվի մարմնին, որպեսզի նրա ջերմաստիճանը փոխվի 1 կելվինով (K):
Որոշակի մարմնի ջերմունակությունը կախված է 2 հիմնական գործոնից.
- քիմիական կազմի և ագրեգացիայի վիճակի մասին, որում ներկայացված է մարմինը;
- .
Իր զանգվածի
Օբյեկտի զանգվածից այս հատկանիշն անկախ դարձնելու համար ջերմության ֆիզիկայում ներդրվել է մեկ այլ մեծություն՝ հատուկ ջերմային հզորություն, որը որոշում է տվյալ մարմնի կողմից փոխանցվող կամ ընդունված ջերմության քանակը 1 կգ-ի դիմաց։ դրա զանգվածը, երբ ջերմաստիճանը փոխվում է 1 Կ-ով։
Տարբեր նյութերի հատուկ ջերմային հզորությունների տարբերությունը հստակ ցույց տալու համար, օրինակ, վերցրեք 1 գ ջուր, 1 գ երկաթ և 1 գ արևածաղկի ձեթ և տաքացրեք դրանք: Ջերմաստիճանը ամենաարագը կփոխվի երկաթի նմուշի, այնուհետև նավթի կաթիլների համար և տևի ջրի համար:
Նկատի ունեցեք, որ հատուկ ջերմային հզորությունը կախված է ոչ միայն նյութի քիմիական բաղադրությունից, այլև դրա ագրեգացման վիճակից, ինչպես նաև արտաքին ֆիզիկական պայմաններից, որոնց ներքո այն դիտարկվում է (հաստատուն ճնշում կամ հաստատուն ծավալ).
Ջերմային փոխանցման գործընթացի հիմնական հավասարումը
Զբաղվելով այն հարցի հետ, թե ինչ է ջերմությունը, պետք է տալ հիմնական մաթեմատիկական արտահայտությունը, որը բնութագրում է դրա փոխանցման գործընթացը բացարձակապես ցանկացած մարմնի համար ցանկացած ագրեգացման վիճակում: Այս արտահայտությունն ունի ձև՝ Q=cmΔT, որտեղ Q-ը փոխանցված (ստացված) ջերմության քանակն է, c-ն տվյալ օբյեկտի հատուկ ջերմությունն է, m -դրա զանգվածը, ΔT-ն բացարձակ ջերմաստիճանի փոփոխությունն է, որը սահմանվում է որպես ջերմության փոխանցման գործընթացի վերջում և սկզբում մարմնի ջերմաստիճանի տարբերություն:
Կարևոր է հասկանալ, որ վերը նշված բանաձևը միշտ վավեր կլինի, երբ քննարկվող գործընթացի ընթացքում օբյեկտը պահպանում է իր ագրեգացման վիճակը, այսինքն՝ մնում է հեղուկ, պինդ կամ գազ: Հակառակ դեպքում, հավասարումը չի կարող օգտագործվել:
Փոփոխություն նյութի ագրեգացման վիճակի
Ինչպես գիտեք, կան 3 հիմնական ագրեգատային վիճակներ, որոնցում նյութը կարող է լինել՝
- գազ;
- հեղուկ;
- պինդ մարմին.
Որպեսզի մի վիճակից անցում կատարվի մյուսին, անհրաժեշտ է, որ մարմինը տեղեկացնի կամ ջերմությունը խլի նրանից։ Ֆիզիկայի նման պրոցեսների համար ներդրվել են հալման (բյուրեղացում) և եռման (խտացում) հատուկ ջերմություններ հասկացությունները։ Այս բոլոր քանակությունները որոշում են ագրեգացման վիճակը փոխելու համար պահանջվող ջերմության քանակը, որն ազատում կամ կլանում է 1 կգ մարմնի քաշը։ Այս գործընթացների համար վավերական է հավասարումը. Q=Lm, որտեղ L-ը նյութի վիճակների միջև համապատասխան անցման հատուկ ջերմությունն է:
Ստորև ներկայացված են ագրեգացման վիճակի փոփոխման գործընթացների հիմնական առանձնահատկությունները.
- Այս գործընթացները տեղի են ունենում հաստատուն ջերմաստիճանում, օրինակ՝ եռման կամ հալման:
- Դրանք շրջելի են: Օրինակ, ջերմության քանակությունը, որը տվյալ մարմինը կլանել է հալվելու համար, ճիշտ կլինի հավասար այն ջերմության քանակին, որը կթողարկվի շրջակա միջավայր, եթե այս մարմինը նորից անցնի:դեպի պինդ վիճակ։
Ջերմային հավասարակշռություն
Սա «ջերմություն» հասկացության հետ կապված ևս մեկ կարևոր խնդիր է, որը պետք է դիտարկել: Եթե երկու տարբեր ջերմաստիճան ունեցող մարմիններ շփվեն, ապա որոշ ժամանակ անց ամբողջ համակարգում ջերմաստիճանը կհավասարվի և կդառնա նույնը: Ջերմային հավասարակշռության հասնելու համար ավելի բարձր ջերմաստիճան ունեցող մարմինը պետք է ջերմություն արձակի համակարգին, իսկ ավելի ցածր ջերմաստիճան ունեցող մարմինը պետք է ընդունի այդ ջերմությունը: Ջերմային ֆիզիկայի օրենքները, որոնք նկարագրում են այս գործընթացը, կարող են արտահայտվել որպես ջերմության փոխանցման հիմնական հավասարման և նյութի ընդհանուր վիճակի փոփոխությունը որոշող հավասարման համակցություն (եթե այդպիսիք կան):
Ջերմային հավասարակշռության ինքնաբուխ հաստատման գործընթացի վառ օրինակ է շիկացած երկաթե ձողը, որը նետվում է ջուրը: Այս դեպքում տաք արդուկը ջերմություն կտա ջրին այնքան ժամանակ, մինչև նրա ջերմաստիճանը հավասարվի հեղուկի ջերմաստիճանին։
Ջերմային փոխանցման հիմնական մեթոդներ
Մարդկանց հայտնի բոլոր գործընթացները, որոնք ուղեկցվում են ջերմային էներգիայի փոխանակմամբ, տեղի են ունենում երեք տարբեր եղանակներով:
- Ջերմահաղորդականություն. Որպեսզի ջերմափոխանակությունը տեղի ունենա այս ձևով, անհրաժեշտ է շփում տարբեր ջերմաստիճաններով երկու մարմինների միջև: Տեղական մոլեկուլային մակարդակի շփման գոտում կինետիկ էներգիան տաք մարմնից տեղափոխվում է սառը: Այս ջերմության փոխանցման արագությունը կախված է ներգրավված մարմինների ջերմություն վարելու ունակությունից: Ջերմային հաղորդունակության վառ օրինակ էմարդը դիպչում է մետաղյա ձողին։
- Կոնվեկցիա. Այս գործընթացը պահանջում է նյութի շարժում, ուստի այն դիտվում է միայն հեղուկներում և գազերում։ Կոնվեկցիայի էությունը հետևյալն է. երբ գազային կամ հեղուկ շերտերը տաքացվում են, դրանց խտությունը նվազում է, ուստի դրանք հակված են վեր բարձրանալու։ Հեղուկի կամ գազի ծավալի բարձրացման ժամանակ նրանք ջերմություն են փոխանցում։ Կոնվեկցիայի օրինակ է թեյնիկում ջուրը եռացնելու գործընթացը։
- Ճառագայթում. Ջերմության փոխանցման այս գործընթացը տեղի է ունենում տաքացած մարմնի կողմից տարբեր հաճախականությունների էլեկտրամագնիսական ճառագայթման արտանետման պատճառով: Արևի լույսը ճառագայթման վառ օրինակ է։
