Teplo

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 13. října 2022; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Vnitřní energie termodynamického systému se může měnit dvěma způsoby: vykonáváním práce na systému a výměnou tepla s okolím. Energie, kterou systém (tělo) přijímá nebo ztrácí v procesu výměny tepla s okolím, se nazývá množství tepla nebo jednoduše teplo [1] . Teplo je jednou ze základních termodynamických veličin klasické fenomenologické termodynamiky . Množství tepla je zahrnuto ve standardních matematických formulacích prvního a druhého zákona termodynamiky.

Pro změnu vnitřní energie systému přenosem tepla je také nutné vykonat práci. Nejedná se však o mechanickou práci, která je spojena s posunem hranice makroskopického systému. Na mikroskopické úrovni je tato práce prováděna silami působícími mezi molekulami na rozhraní kontaktu teplejšího tělesa s méně zahřátým. Ve skutečnosti se při přenosu tepla energie přenáší prostřednictvím elektromagnetické interakce při srážkách molekul. Rozdíl mezi prací a teplem se proto z hlediska molekulárně-kinetické teorie projevuje pouze v tom, že výkon mechanické práce vyžaduje uspořádaný pohyb molekul na makroskopických měřítcích, zatímco přenos energie z teplejšího tělesa do méně vytápěného to nevyžaduje.

Energii lze také přenášet zářením z jednoho tělesa na druhé a bez jejich přímého kontaktu.

Množství tepla není stavovou funkcí a množství tepla přijatého systémem v jakémkoli procesu závisí na způsobu, jakým bylo převedeno z počátečního stavu do konečného.

Jednotkou míry v mezinárodní soustavě jednotek (SI) je joule . Kalorie se také používá jako měrná jednotka pro teplo . V Ruské federaci je kalorie schválena pro použití jako mimosystémová jednotka bez časového omezení s působností "průmysl" [2] .

Definice

Množství tepla je zahrnuto v matematické formulaci prvního zákona termodynamiky, který lze zapsat jako . Zde je množství tepla přeneseného do systému, je to změna vnitřní energie systému a je to práce, kterou systém vykonal. Správná definice tepla by však měla udávat způsob jeho experimentálního měření bez ohledu na první zákon. Protože teplo je energie přenášená při výměně tepla, je k měření množství tepla potřeba zkušební kalorimetrické těleso. Změnou vnitřní energie testovacího tělesa lze posoudit množství tepla přeneseného ze systému do testovacího tělesa, a tím experimentálně ověřit platnost prvního zákona nezávislým měřením všech tří v něm obsažených veličin: práce, vnitřní energie a teplo. Pokud se ve fenomenologické termodynamice neuvádí metoda pro nezávislé měření množství tepla pomocí kalorimetrického tělesa, pak první zákon ztrácí význam smysluplného fyzikálního zákona a mění se v tautologickou definici množství tepla. $Q=\Delta U+A$ $Q$ $\Delta U$ $A$

Takové měření lze provést následujícím způsobem. Předpokládejme, že v systému sestávajícím ze dvou těles a uzavřeném v adiabatickém obalu je těleso (test) odděleno od tělesa tuhým, ale teplovodivým obalem. Pak není schopen vykonávat makroskopickou práci , ale může si vyměňovat energii výměnou tepla s tělem . Předpokládejme, že tělo může vykonávat mechanickou práci, ale protože je celý systém adiabaticky izolovaný, může si s tělem vyměňovat pouze teplo . Množství tepla přeneseného do těla v nějakém procesu je hodnota , kde je změna vnitřní energie těla . Podle zákona zachování energie se celková práce vykonaná systémem rovná ztrátě celkové vnitřní energie systému dvou těles: , kde je makroskopická práce vykonaná tělesem , což nám umožňuje napsat toto poměr jako výraz pro první zákon termodynamiky: . $X$ $Y$ $Y$ $X$ $X$ $X$ $Y$ $X$ $Q_{X}=-\Delta U_{Y}$ $\Delta U_{Y}$ $Y$ ${\displaystyle A=-\Delta U_{x}-\Delta U_{y))$ $A$ $X$ ${\displaystyle Q=A+\Delta U_{x))$

Množství tepla vneseného do fenomenologické termodynamiky lze tedy měřit pomocí kalorimetrického tělesa (jehož změnu vnitřní energie lze posoudit z indikace odpovídajícího makroskopického přístroje). Správnost zavedené definice množství tepla vyplývá z prvního termodynamického zákona, tedy nezávislosti odpovídající veličiny na volbě zkušebního tělesa a způsobu výměny tepla mezi tělesy. S takovouto definicí množství tepla se první zákon stává smysluplným zákonem, který umožňuje přímé experimentální ověření, navíc z něj lze vyvodit mnoho důsledků, které se ověřují i v experimentu [3] . $Y$

Clausiova nerovnost. Entropie

Předpokládejme, že uvažované těleso si může vyměňovat teplo pouze s nekonečnými tepelnými zásobníky, jejichž vnitřní energie je tak velká, že během uvažovaného procesu zůstává teplota každého z nich přísně konstantní. Předpokládejme, že na těle byl proveden libovolný kruhový proces, to znamená, že na konci procesu je v naprosto stejném stavu jako na začátku. Nechte zároveň pro celý proces vypůjčit si z i-tého zásobníku, umístěného při teplotě , množství tepla . Pak platí následující Clausiova nerovnost : $N$ $T_{i}$ $Qi}$

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

Zde označuje kruhový proces. V obecném případě výměny tepla s médiem s proměnlivou teplotou má nerovnost tvar $\circ$

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

Zde je množství tepla, které předá část média s (konstantní) teplotou . Tato nerovnost je použitelná pro jakýkoli proces prováděný na těle. V konkrétním případě kvazistatického procesu se z něj stává rovnost. Matematicky to znamená, že pro kvazistatické procesy lze zavést stavovou funkci zvanou entropie , pro kterou $\deltaQ(T)$ $T$

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

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

Zde je absolutní teplota externího zásobníku tepla. V tomto smyslu je to integrační faktor pro množství tepla, jehož násobením se získá celkový diferenciál stavové funkce. $T$ ${\frac {1}{T}}$

Pro nekvazistatické procesy tato definice entropie nefunguje. Například při adiabatické expanzi plynu do vakua

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

entropie se však v tomto případě zvyšuje, což lze snadno ověřit převedením systému do výchozího stavu kvazistaticky a pomocí Clausiovy nerovnosti. Kromě toho není entropie (v uvedeném smyslu) definována pro nerovnovážné stavy systému, i když v mnoha případech lze systém považovat za systém v lokální rovnováze a s určitou distribucí entropie.

Latentní a vnímané teplo

Vnitřní energie systému, ve kterém jsou možné fázové přechody nebo chemické reakce, se může měnit i bez změny teploty. Například energie přenesená do systému, kde je kapalná voda v rovnováze s ledem při 0 stupních Celsia, je vynaložena na tání ledu, ale teplota zůstává konstantní, dokud se všechen led nepromění ve vodu. Tento způsob přenosu energie se tradičně nazývá „latentní“ nebo izotermické teplo [4] ( angl. latent heat ), na rozdíl od „explicitního“, „pocitového“ nebo neizotermického tepla ( angl. Sensible heat ), což znamená proces přenosu energie do systému, v důsledku čehož se mění pouze teplota systému, ale ne jeho složení.

Teplo fázové přeměny

Energie potřebná pro fázový přechod na jednotku hmotnosti látky se nazývá měrné teplo fázové přeměny [5] . V souladu s fyzikálním procesem, který probíhá při fázové přeměně, mohou uvolňovat teplo tání, výparné teplo, sublimační teplo (sublimace), rekrystalizační teplo atd. K fázovým přeměnám dochází při náhlé změně entropie, která je doprovázené uvolňováním nebo absorpcí tepla navzdory teplotní stálosti.

Na pojmech "teplo", "množství tepla", "tepelná energie"

Mnoho konceptů termodynamiky vzniklo v souvislosti se zastaralou teorií kalorií, která opustila jeviště po objasnění molekulárně-kinetických základů termodynamiky. Od té doby se používají ve vědeckém i každodenním jazyce. Ačkoli v přísném slova smyslu je teplo jedním ze způsobů přenosu energie a pouze množství energie přenesené do systému má fyzikální význam, slovo "teplo" je zahrnuto v tak dobře zavedených vědeckých pojmech, jako je tepelný tok, tepelná kapacita , teplo fázové přeměny, teplo chemické reakce, tepelná vodivost atd. Proto tam, kde použití tohoto slova není zavádějící, jsou pojmy „teplo“ a „množství tepla“ synonyma [6] . Tyto termíny však mohou být použity pouze za podmínky, že poskytují přesnou definici, která nesouvisí s myšlenkami teorie kalorií, a v žádném případě nelze „množství tepla“ přičítat množství původních konceptů, které nevyžadují definici [7] . Někteří autoři proto objasňují, že aby se předešlo chybám v teorii kalorií, je třeba pojem „teplo“ chápat přesně jako způsob přenosu energie a množství energie přenesené touto metodou je označeno pojmem „teplo“. množství tepla“ [8] . Doporučuje se vyhnout se takovému pojmu jako „tepelná energie“, který se svým významem shoduje s vnitřní energií [9] .

Poznámky

↑ Sivukhin, 2005 , str. 57.
↑ Předpisy o jednotkách množství povolených pro použití v Ruské federaci. Schváleno nařízením vlády Ruské federace ze dne 31. října 2009 č. 879. (nepřístupný odkaz) . Datum přístupu: 16. února 2014. Archivováno z originálu 2. listopadu 2013. (neurčitý)
↑ Sivukhin, 2005 , str. 58.
↑ Putilov, 1971 , s. 49.
↑ Sivukhin, 2005 , str. 442.
↑ Teplo / Myakishev G. Ya. // Strunino - Tichoretsk. - M . : Sovětská encyklopedie, 1976. - ( Velká sovětská encyklopedie : [ve 30 svazcích] / šéfredaktor A. M. Prochorov ; 1969-1978, sv. 25).
↑ Sivukhin, 2005 , str. 13.
↑ Bazarov, 1991 , s. 25.
↑ Sivukhin, 2005 , str. 61.

Literatura

Bazarov I.P. Termodynamika. - M . : Vyšší škola, 1991. - 376 s.
Putilov K. A. Termodynamika. — M .: Nauka, 1971. — 375 s.
Sivukhin DV Obecný kurz fyziky. - T. II. Termodynamika a molekulární fyzika. - 5. vydání, Rev. - M. : Fizmatlit, 2005. - 544 s. - ISBN 5-9221-0601-5 .