Ας θυμηθούμε τη φυσική: θερμότητα. Μονάδα μέτρησης ποσότητας θερμότητας Μέτρο ποσότητας θερμότητας

Περιεχόμενα του άρθρου

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ,το κινητικό μέρος της εσωτερικής ενέργειας μιας ουσίας, που καθορίζεται από την έντονη χαοτική κίνηση των μορίων και των ατόμων από τα οποία αποτελείται αυτή η ουσία. Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της έντασης της μοριακής κίνησης. Η ποσότητα θερμότητας που κατέχει ένα σώμα σε μια δεδομένη θερμοκρασία εξαρτάται από τη μάζα του. για παράδειγμα, στην ίδια θερμοκρασία, ένα μεγάλο φλιτζάνι νερό περιέχει περισσότερη θερμότητα από ένα μικρό και ένας κουβάς κρύο νερό μπορεί να περιέχει περισσότερη θερμότητα από ένα φλιτζάνι ζεστό νερό (αν και η θερμοκρασία του νερού στον κάδο είναι χαμηλότερη) .

Η ζεστασιά παίζει σημαντικό ρόλο στη ζωή του ανθρώπου, συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας του σώματός του. Μέρος της χημικής ενέργειας που περιέχεται στα τρόφιμα μετατρέπεται σε θερμότητα, λόγω της οποίας η θερμοκρασία του σώματος διατηρείται γύρω στους 37 ° C. Η θερμική ισορροπία του ανθρώπινου σώματος εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και οι άνθρωποι αναγκάζονται να ξοδεύουν πολλή ενέργεια για θέρμανση οικιστικών και βιομηχανικών χώρων το χειμώνα και για ψύξη τους το καλοκαίρι. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ενέργειας παρέχεται από θερμικές μηχανές, όπως λέβητες και ατμοστρόβιλους σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας που καίνε ορυκτά καύσιμα (άνθρακας, πετρέλαιο) και παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.

Μέχρι τα τέλη του 18ου αι. Η θερμότητα θεωρούνταν υλική ουσία, πιστεύοντας ότι η θερμοκρασία ενός σώματος καθορίζεται από την ποσότητα του «θερμιδικού υγρού» ή «θερμιδικής» που περιέχει. Αργότερα, ο B. Rumford, ο J. Joule και άλλοι φυσικοί εκείνης της εποχής, μέσα από έξυπνα πειράματα και συλλογισμούς, διέψευσαν τη θεωρία των «θερμίδων», αποδεικνύοντας ότι η θερμότητα είναι αβαρής και μπορεί να ληφθεί σε οποιαδήποτε ποσότητα απλά μέσω μηχανικής κίνησης. Η ίδια η θερμότητα δεν είναι ουσία - είναι απλώς η ενέργεια κίνησης των ατόμων ή των μορίων της. Αυτή ακριβώς είναι η κατανόηση της θερμότητας που ακολουθεί η σύγχρονη φυσική.

Σε αυτό το άρθρο θα δούμε πώς σχετίζονται η θερμότητα και η θερμοκρασία και πώς μετρώνται αυτές οι ποσότητες. Αντικείμενο της συζήτησής μας θα είναι επίσης τα ακόλουθα θέματα: μεταφορά θερμότητας από το ένα μέρος του σώματος στο άλλο. μεταφορά θερμότητας σε κενό (ένας χώρος που δεν περιέχει ουσία). ο ρόλος της θερμότητας στον σύγχρονο κόσμο.

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

Η ποσότητα της θερμικής ενέργειας σε μια ουσία δεν μπορεί να προσδιοριστεί παρατηρώντας την κίνηση κάθε μορίου της ξεχωριστά. Αντίθετα, μόνο με τη μελέτη των μακροσκοπικών ιδιοτήτων μιας ουσίας μπορεί κανείς να βρει τα χαρακτηριστικά της μικροσκοπικής κίνησης πολλών μορίων που υπολογίζονται κατά μέσο όρο σε μια ορισμένη χρονική περίοδο. Η θερμοκρασία μιας ουσίας είναι ο μέσος δείκτης της έντασης της μοριακής κίνησης, η ενέργεια της οποίας είναι η θερμική ενέργεια της ουσίας.

Ένας από τους πιο συνηθισμένους, αλλά και λιγότερο ακριβείς τρόπους εκτίμησης της θερμοκρασίας είναι η αφή. Όταν αγγίζουμε ένα αντικείμενο, κρίνουμε αν είναι ζεστό ή κρύο, εστιάζοντας στις αισθήσεις μας. Φυσικά, αυτές οι αισθήσεις εξαρτώνται από τη θερμοκρασία του σώματός μας, γεγονός που μας φέρνει στην έννοια της θερμικής ισορροπίας - μια από τις πιο σημαντικές κατά τη μέτρηση της θερμοκρασίας.

Θερμική ισορροπία.

Προφανώς, αν δύο σώματα ΕΝΑΚαι σι(Εικ. 1) πιέζονται σφιχτά το ένα πάνω στο άλλο, και μετά, αφού τα αγγίξουμε μετά από αρκετή ώρα, θα παρατηρήσουμε ότι η θερμοκρασία τους είναι ίδια. Σε αυτή την περίπτωση λένε ότι τα σώματα ΕΝΑΚαι σιβρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Ωστόσο, τα σώματα, μιλώντας γενικά, δεν χρειάζεται απαραίτητα να αγγίζονται για να υπάρχει μεταξύ τους θερμική ισορροπία - αρκεί να είναι οι ίδιες οι θερμοκρασίες τους. Αυτό μπορεί να επαληθευτεί χρησιμοποιώντας το τρίτο σώμα ντο, φέρνοντάς το πρώτα σε θερμική ισορροπία με το σώμα ΕΝΑκαι στη συνέχεια συγκρίνετε τις θερμοκρασίες του σώματος ντοΚαι σι. Σώμα ντοπαίζει το ρόλο του θερμομέτρου εδώ. Σε μια αυστηρή διατύπωση, αυτή η αρχή ονομάζεται μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής: αν τα σώματα Α και Β βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με ένα τρίτο σώμα Γ, τότε και αυτά τα σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους.Αυτός ο νόμος διέπει όλες τις μεθόδους μέτρησης της θερμοκρασίας.

Μέτρηση θερμοκρασίας.

Εάν θέλουμε να διεξάγουμε ακριβή πειράματα και υπολογισμούς, τότε τέτοιες βαθμολογίες θερμοκρασίας όπως ζεστό, ζεστό, δροσερό, κρύο δεν αρκούν - χρειαζόμαστε μια διαβαθμισμένη κλίμακα θερμοκρασίας. Υπάρχουν πολλές τέτοιες κλίμακες και οι θερμοκρασίες πήξης και βρασμού του νερού συνήθως λαμβάνονται ως σημεία αναφοράς. Οι τέσσερις πιο συνηθισμένες κλίμακες φαίνονται στο Σχ. 2. Η κλίμακα Κελσίου, στην οποία το σημείο πήξης του νερού αντιστοιχεί σε 0°, και το σημείο βρασμού σε 100°, ονομάζεται κλίμακα Κελσίου που πήρε το όνομά του από τον Α. Κελσίου, τον Σουηδό αστρονόμο που την περιέγραψε το 1742. Πιστεύεται ότι ο Σουηδός φυσιοδίφης C. Linnaeus χρησιμοποίησε για πρώτη φορά αυτή την κλίμακα . Τώρα η κλίμακα Κελσίου είναι η πιο κοινή στον κόσμο. Η κλίμακα θερμοκρασίας Fahrenheit, στην οποία τα σημεία πήξης και βρασμού του νερού αντιστοιχούν σε εξαιρετικά άβολα νούμερα 32 και 212°, προτάθηκε το 1724 από τον G. Fahrenheit. Η κλίμακα Φαρενάιτ είναι ευρέως διαδεδομένη στις αγγλόφωνες χώρες, αλλά δεν χρησιμοποιείται σχεδόν ποτέ στην επιστημονική βιβλιογραφία. Για τη μετατροπή της θερμοκρασίας Κελσίου (°C) σε θερμοκρασία Φαρενάιτ (°F) υπάρχει ένας τύπος °F = (9/5)°C + 32, και για την αντίστροφη μετατροπή υπάρχει ένας τύπος °C = (5/9)( °F- 32).

Και οι δύο κλίμακες - τόσο Φαρενάιτ όσο και Κελσίου - είναι πολύ άβολες κατά τη διεξαγωγή πειραμάτων σε συνθήκες όπου η θερμοκρασία πέφτει κάτω από το σημείο πήξης του νερού και εκφράζεται ως αρνητικός αριθμός. Για τέτοιες περιπτώσεις, εισήχθησαν κλίμακες απόλυτης θερμοκρασίας, οι οποίες βασίζονται στην παρέκταση στο λεγόμενο απόλυτο μηδέν - το σημείο στο οποίο πρέπει να σταματήσει η μοριακή κίνηση. Μία από αυτές ονομάζεται κλίμακα Rankine και η άλλη είναι η απόλυτη θερμοδυναμική κλίμακα. οι θερμοκρασίες τους μετρώνται σε βαθμούς Rankine (°R) και Kelvin (K). Και οι δύο κλίμακες ξεκινούν από το απόλυτο μηδέν και το σημείο πήξης του νερού αντιστοιχεί σε 491,7° R και 273,16 K. Ο αριθμός των βαθμών και των kelvins μεταξύ των σημείων πήξης και βρασμού του νερού στην κλίμακα Κελσίου και της απόλυτης θερμοδυναμικής κλίμακας είναι ο ίδιος και ίσος έως 100? για τις κλίμακες Fahrenheit και Rankine είναι επίσης το ίδιο, αλλά ίσο με 180. Οι βαθμοί Κελσίου μετατρέπονται σε Kelvin χρησιμοποιώντας τον τύπο K = ° C + 273,16 και οι βαθμοί Fahrenheit μετατρέπονται σε βαθμούς Rankine χρησιμοποιώντας τον τύπο ° R = ° F + 459,7.

Η λειτουργία των οργάνων που έχουν σχεδιαστεί για τη μέτρηση της θερμοκρασίας βασίζεται σε διάφορα φυσικά φαινόμενα που σχετίζονται με αλλαγές στη θερμική ενέργεια μιας ουσίας - αλλαγές στην ηλεκτρική αντίσταση, τον όγκο, την πίεση, τα χαρακτηριστικά εκπομπής και τις θερμοηλεκτρικές ιδιότητες. Ένα από τα απλούστερα και πιο γνωστά όργανα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας είναι ένα θερμόμετρο από γυαλί υδραργύρου, που φαίνεται στο Σχ. 3, ΕΝΑ. Μια μπάλα υδραργύρου στο κάτω μέρος του θερμομέτρου τοποθετείται στο μέσο ή πιέζεται πάνω σε ένα αντικείμενο του οποίου η θερμοκρασία πρόκειται να μετρηθεί και ανάλογα με το αν η μπάλα δέχεται ή εκπέμπει θερμότητα, ο υδράργυρος διαστέλλεται ή συστέλλεται και η στήλη του ανεβαίνει ή πέφτει στο τριχοειδές. Εάν το θερμόμετρο είναι προ-βαθμονομημένο και εξοπλισμένο με ζυγαριά, τότε μπορείτε να μάθετε άμεσα τη θερμοκρασία του σώματος.

Μια άλλη συσκευή της οποίας η λειτουργία βασίζεται στη θερμική διαστολή είναι το διμεταλλικό θερμόμετρο που φαίνεται στο Σχ. 3, σι. Το κύριο στοιχείο του είναι μια σπειροειδής πλάκα από δύο συγκολλημένα μέταλλα με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής. Όταν θερμαίνεται, ένα από τα μέταλλα διαστέλλεται περισσότερο από το άλλο, η σπείρα στρίβει και στρέφει το βέλος σε σχέση με την κλίμακα. Τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται συχνά για τη μέτρηση της θερμοκρασίας εσωτερικού και εξωτερικού αέρα, αλλά δεν είναι κατάλληλες για τον προσδιορισμό των τοπικών θερμοκρασιών.

Η τοπική θερμοκρασία μετριέται συνήθως χρησιμοποιώντας ένα θερμοστοιχείο, το οποίο είναι δύο σύρματα από ανόμοια μέταλλα συγκολλημένα στο ένα άκρο (Εικ. 4, ΕΝΑ). Όταν μια τέτοια διασταύρωση θερμαίνεται, δημιουργείται ένα emf στα ελεύθερα άκρα των συρμάτων, που συνήθως ανέρχεται σε αρκετά millivolt. Τα θερμοστοιχεία κατασκευάζονται από διαφορετικά ζεύγη μετάλλων: σίδηρο και κονταντάνη, χαλκό και κονστάντα, χρώμιο και αλουμέλ. Το thermo-emf τους ποικίλλει σχεδόν γραμμικά με τη θερμοκρασία σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.

Ένα άλλο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο είναι επίσης γνωστό - η εξάρτηση της αντίστασης ενός αγώγιμου υλικού από τη θερμοκρασία. Βασίζεται στη λειτουργία θερμομέτρων ηλεκτρικής αντίστασης, ένα από τα οποία φαίνεται στο Σχ. 4, σι. Η αντίσταση ενός μικρού ευαίσθητου στη θερμοκρασία στοιχείου (θερμικός μετατροπέας) - συνήθως ενός πηνίου από λεπτό σύρμα - συγκρίνεται με την αντίσταση μιας βαθμονομημένης μεταβλητής αντίστασης που χρησιμοποιεί μια γέφυρα Wheatstone. Η συσκευή εξόδου μπορεί να βαθμονομηθεί απευθείας σε μοίρες.

Τα οπτικά πυρόμετρα χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας των θερμών σωμάτων που εκπέμπουν ορατό φως. Σε μια εφαρμογή αυτής της συσκευής, το φως που εκπέμπεται από το σώμα συγκρίνεται με την εκπομπή ενός νήματος λαμπτήρα πυρακτώσεως που τοποθετείται στο εστιακό επίπεδο των διοπτρών μέσω του οποίου παρατηρείται το σώμα εκπομπής. Το ηλεκτρικό ρεύμα που θερμαίνει το νήμα του λαμπτήρα αλλάζει έως ότου μια οπτική σύγκριση της λάμψης του νήματος και του σώματος αποκαλύψει ότι έχει δημιουργηθεί θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Η ζυγαριά του οργάνου μπορεί να βαθμονομηθεί απευθείας σε μονάδες θερμοκρασίας.

Μέτρηση της ποσότητας θερμότητας.

Η θερμική ενέργεια (ποσότητα θερμότητας) ενός σώματος μπορεί να μετρηθεί απευθείας χρησιμοποιώντας ένα λεγόμενο θερμιδόμετρο. μια απλή έκδοση μιας τέτοιας συσκευής φαίνεται στο Σχ. 5. Πρόκειται για ένα προσεκτικά μονωμένο κλειστό δοχείο, εξοπλισμένο με συσκευές μέτρησης της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του και μερικές φορές γεμάτο με λειτουργικό ρευστό με γνωστές ιδιότητες, όπως το νερό. Για να μετρηθεί η ποσότητα της θερμότητας σε ένα μικρό θερμαινόμενο σώμα, τοποθετείται σε ένα θερμιδόμετρο και το σύστημα περιμένει μέχρι να φτάσει σε θερμική ισορροπία. Η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στο θερμιδόμετρο (πιο συγκεκριμένα, στο νερό που το γεμίζει) καθορίζεται από την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού.

Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης, όπως η καύση, μπορεί να μετρηθεί τοποθετώντας μια μικρή «βόμβα» σε ένα θερμιδόμετρο. Η «βόμβα» περιέχει ένα δείγμα, στο οποίο συνδέονται ηλεκτρικά καλώδια για ανάφλεξη, και κατάλληλη ποσότητα οξυγόνου. Μετά την πλήρη καύση του δείγματος και την επίτευξη θερμικής ισορροπίας, προσδιορίζεται πόσο έχει αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού στο θερμιδόμετρο και ως εκ τούτου η ποσότητα της θερμότητας που απελευθερώνεται.

Μονάδες μέτρησης θερμότητας.

Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας και επομένως πρέπει να μετράται σε ενεργειακές μονάδες. Η μονάδα ενέργειας του SI είναι το τζάουλ (J). Είναι επίσης δυνατή η χρήση μη συστημικών μονάδων της ποσότητας θερμότητας - θερμίδων: η διεθνής θερμίδα είναι 4,1868 J, η θερμοχημική θερμίδα - 4,1840 J. Σε ξένα εργαστήρια, τα αποτελέσματα της έρευνας εκφράζονται συχνά χρησιμοποιώντας το λεγόμενο. Θερμίδες 15 βαθμών ισούται με 4,1855 J. Η βρετανική θερμική μονάδα εκτός συστήματος (BTU) καταργείται σταδιακά: BTU μέσο όρο = 1,055 J.

Πηγές θερμότητας.

Οι κύριες πηγές θερμότητας είναι οι χημικές και πυρηνικές αντιδράσεις, καθώς και διάφορες διαδικασίες μετατροπής ενέργειας. Παραδείγματα χημικών αντιδράσεων που απελευθερώνουν θερμότητα είναι η καύση και η διάσπαση των συστατικών των τροφίμων. Σχεδόν όλη η θερμότητα που λαμβάνει η Γη παρέχεται από πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στα βάθη του Ήλιου. Η ανθρωπότητα έχει μάθει να αποκτά θερμότητα χρησιμοποιώντας ελεγχόμενες διαδικασίες πυρηνικής σχάσης και τώρα προσπαθεί να χρησιμοποιήσει τις αντιδράσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης για τον ίδιο σκοπό. Άλλοι τύποι ενέργειας, όπως η μηχανική εργασία και η ηλεκτρική ενέργεια, μπορούν επίσης να μετατραπούν σε θερμότητα. Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι η θερμική ενέργεια (όπως κάθε άλλη) μπορεί να μετατραπεί μόνο σε άλλη μορφή, αλλά δεν μπορεί να ληφθεί «από το τίποτα» ή να καταστραφεί. Αυτή είναι μια από τις βασικές αρχές της επιστήμης που ονομάζεται θερμοδυναμική.

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ

Η θερμοδυναμική είναι η επιστήμη της σχέσης μεταξύ θερμότητας, έργου και ύλης. Οι σύγχρονες ιδέες για αυτές τις σχέσεις διαμορφώθηκαν με βάση τα έργα τόσο μεγάλων επιστημόνων του παρελθόντος όπως οι Carnot, Clausius, Gibbs, Joule, Kelvin κ.λπ. Η Θερμοδυναμική εξηγεί την έννοια της θερμοχωρητικότητας και της θερμικής αγωγιμότητας της ύλης, της θερμικής διαστολής των σωμάτων και τη θερμότητα των μεταπτώσεων φάσης. Η επιστήμη αυτή βασίζεται σε αρκετούς πειραματικά καθιερωμένους νόμους – αρχές.

Οι απαρχές της θερμοδυναμικής.

Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής που διατυπώθηκε παραπάνω εισάγει τις έννοιες της θερμικής ισορροπίας, της θερμοκρασίας και της θερμομετρίας. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια δήλωση που έχει καίρια σημασία για όλη την επιστήμη στο σύνολό της: η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να καταστραφεί ούτε να ληφθεί «από το τίποτα», επομένως η συνολική ενέργεια του Σύμπαντος είναι μια σταθερή ποσότητα. Στην απλούστερη μορφή του, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: η ενέργεια που λαμβάνει ένα σύστημα μείον την ενέργεια που εκπέμπει ισούται με την ενέργεια που απομένει στο σύστημα. Με την πρώτη ματιά, αυτή η δήλωση φαίνεται προφανής, αλλά όχι σε μια τέτοια κατάσταση, για παράδειγμα, όπως η καύση βενζίνης στους κυλίνδρους ενός κινητήρα αυτοκινήτου: εδώ η ενέργεια που λαμβάνεται είναι χημική, η ενέργεια που δίνεται είναι μηχανική (εργασία) και Η ενέργεια που παραμένει στο σύστημα είναι θερμική.

Έτσι, είναι σαφές ότι η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί από τη μια μορφή στην άλλη και ότι τέτοιοι μετασχηματισμοί συμβαίνουν συνεχώς στη φύση και την τεχνολογία. Πριν από περισσότερα από εκατό χρόνια, ο J. Joule το απέδειξε αυτό για την περίπτωση της μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε θερμική ενέργεια χρησιμοποιώντας τη συσκευή που φαίνεται στο Σχ. 6, ΕΝΑ. Σε αυτή τη συσκευή, τα βάρη που κατέβαιναν και ανέβαιναν περιέστρεψαν έναν άξονα με λεπίδες σε ένα θερμιδόμετρο γεμάτο νερό, προκαλώντας τη θέρμανση του νερού. Οι ακριβείς μετρήσεις επέτρεψαν στον Joule να προσδιορίσει ότι μία θερμίδα θερμότητας ισοδυναμεί με 4.186 J μηχανικής εργασίας. Η συσκευή που φαίνεται στο Σχ. 6, σι, χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό του θερμικού ισοδύναμου ηλεκτρικής ενέργειας.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής εξηγεί πολλά καθημερινά φαινόμενα. Για παράδειγμα, γίνεται σαφές γιατί δεν μπορείτε να κρυώσετε την κουζίνα με ανοιχτό ψυγείο. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μονώσει την κουζίνα από το περιβάλλον. Η ενέργεια παρέχεται συνεχώς στο σύστημα μέσω του καλωδίου τροφοδοσίας του ψυγείου, αλλά το σύστημα δεν απελευθερώνει ενέργεια. Έτσι, η συνολική ενέργειά του αυξάνεται και η κουζίνα γίνεται πιο ζεστή: απλώς αγγίξτε τους σωλήνες του εναλλάκτη θερμότητας (συμπυκνωτή) στο πίσω τοίχωμα του ψυγείου και θα καταλάβετε την αχρηστία του ως συσκευή «ψύξης». Αλλά αν αυτοί οι σωλήνες έβγαιναν έξω από το σύστημα (για παράδειγμα, έξω από το παράθυρο), τότε η κουζίνα θα έδινε περισσότερη ενέργεια από αυτή που λάμβανε, δηλ. θα κρύωνε και το ψυγείο θα λειτουργούσε σαν κλιματιστικό παράθυρο.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι ένας νόμος της φύσης που αποκλείει τη δημιουργία ή την καταστροφή ενέργειας. Ωστόσο, δεν λέει τίποτα για το πώς συμβαίνουν οι διαδικασίες μεταφοράς ενέργειας στη φύση. Έτσι, γνωρίζουμε ότι ένα ζεστό σώμα θα θερμάνει ένα κρύο εάν αυτά τα σώματα έρθουν σε επαφή. Μπορεί όμως ένα ψυχρό σώμα από μόνο του να μεταφέρει το απόθεμα θερμότητάς του σε ένα ζεστό; Η τελευταία πιθανότητα απορρίπτεται κατηγορηματικά από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Η πρώτη αρχή αποκλείει επίσης τη δυνατότητα δημιουργίας κινητήρα με συντελεστή απόδοσης (απόδοση) άνω του 100% (ένας τέτοιος «αιώνιος» κινητήρας θα μπορούσε, για οποιοδήποτε χρονικό διάστημα, να παρέχει περισσότερη ενέργεια από ό,τι καταναλώνει). Είναι αδύνατο να κατασκευαστεί ένας κινητήρας ακόμη και με απόδοση 100%, αφού ένα μέρος της ενέργειας που του παρέχεται πρέπει απαραίτητα να χαθεί από αυτόν με τη μορφή λιγότερο χρήσιμης θερμικής ενέργειας. Έτσι, ο τροχός δεν θα περιστρέφεται για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς παροχή ενέργειας, αφού λόγω της τριβής στα ρουλεμάν, η ενέργεια της μηχανικής κίνησης θα μετατραπεί σταδιακά σε θερμότητα μέχρι να σταματήσει ο τροχός.

Η τάση μετατροπής της «χρήσιμης» εργασίας σε λιγότερο χρήσιμη ενέργεια - θερμότητα - μπορεί να συγκριθεί με μια άλλη διαδικασία που συμβαίνει όταν συνδέονται δύο δοχεία που περιέχουν διαφορετικά αέρια. Έχοντας περιμένει αρκετά, βρίσκουμε ένα ομοιογενές μείγμα αερίων και στα δύο δοχεία - η φύση ενεργεί με τέτοιο τρόπο ώστε η τάξη του συστήματος να μειώνεται. Το θερμοδυναμικό μέτρο αυτής της διαταραχής ονομάζεται εντροπία και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής μπορεί να διατυπωθεί διαφορετικά: οι διεργασίες στη φύση προχωρούν πάντα με τέτοιο τρόπο ώστε η εντροπία του συστήματος και του περιβάλλοντος του να αυξάνεται. Έτσι, η ενέργεια του Σύμπαντος παραμένει σταθερή, αλλά η εντροπία του αυξάνεται συνεχώς.

Θερμότητα και ιδιότητες ουσιών.

Διαφορετικές ουσίες έχουν διαφορετικές ικανότητες αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. αυτό εξαρτάται από τη μοριακή τους δομή και πυκνότητα. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία μιας μονάδας μάζας μιας ουσίας κατά ένα βαθμό ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητα της. Η θερμοχωρητικότητα εξαρτάται από τις συνθήκες στις οποίες βρίσκεται η ουσία. Για παράδειγμα, για να θερμανθεί ένα γραμμάριο αέρα σε ένα μπαλόνι κατά 1 K, απαιτείται περισσότερη θερμότητα από ό,τι για την ίδια θέρμανση σε ένα σφραγισμένο δοχείο με άκαμπτα τοιχώματα, καθώς μέρος της ενέργειας που μεταδίδεται στο μπαλόνι δαπανάται για την επέκταση του αέρα και όχι στη θέρμανση. Επομένως, συγκεκριμένα, η θερμοχωρητικότητα των αερίων μετράται χωριστά σε σταθερή πίεση και σε σταθερό όγκο.

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η ένταση της χαοτικής κίνησης των μορίων αυξάνεται - οι περισσότερες ουσίες διαστέλλονται όταν θερμαίνονται. Ο βαθμός διαστολής μιας ουσίας όταν η θερμοκρασία αυξάνεται κατά 1 Κ ονομάζεται συντελεστής θερμικής διαστολής.

Προκειμένου μια ουσία να μετακινηθεί από τη μια φάση στην άλλη, για παράδειγμα από στερεό σε υγρό (και μερικές φορές απευθείας σε αέρια), πρέπει να λάβει μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας. Εάν θερμάνετε ένα στερεό, η θερμοκρασία του θα αυξηθεί μέχρι να αρχίσει να λιώνει. μέχρι να ολοκληρωθεί η τήξη, η θερμοκρασία του σώματος θα παραμείνει σταθερή, παρά την προσθήκη θερμότητας. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την τήξη μιας μονάδας μάζας μιας ουσίας ονομάζεται θερμότητα σύντηξης. Εάν εφαρμόσετε περαιτέρω θερμότητα, η λιωμένη ουσία θα θερμανθεί μέχρι να βράσει. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την εξάτμιση μιας μονάδας μάζας υγρού σε μια δεδομένη θερμοκρασία ονομάζεται θερμότητα εξάτμισης.

Μοριακή κινητική θεωρία.

Η μοριακή κινητική θεωρία εξηγεί τις μακροσκοπικές ιδιότητες μιας ουσίας εξετάζοντας σε μικροσκοπικό επίπεδο τη συμπεριφορά των ατόμων και των μορίων που συνθέτουν αυτήν την ουσία. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιείται μια στατιστική προσέγγιση και γίνονται κάποιες υποθέσεις σχετικά με τα ίδια τα σωματίδια και τη φύση της κίνησής τους. Έτσι, τα μόρια θεωρούνται συμπαγείς μπάλες, οι οποίες σε αέρια μέσα βρίσκονται σε συνεχή χαοτική κίνηση και καλύπτουν σημαντικές αποστάσεις από τη μια σύγκρουση στην άλλη. Οι συγκρούσεις θεωρούνται ελαστικές και συμβαίνουν μεταξύ σωματιδίων των οποίων το μέγεθος είναι μικρό αλλά ο αριθμός τους είναι πολύ μεγάλος. Κανένα από τα πραγματικά αέρια δεν αντιστοιχεί ακριβώς σε αυτό το μοντέλο, αλλά τα περισσότερα αέρια είναι αρκετά κοντά σε αυτό, γεγονός που καθορίζει την πρακτική αξία της μοριακής κινητικής θεωρίας.

Με βάση αυτές τις ιδέες και χρησιμοποιώντας μια στατιστική προσέγγιση, ο Maxwell εξήγαγε την κατανομή των ταχυτήτων των μορίων αερίου σε περιορισμένο όγκο, ο οποίος αργότερα ονομάστηκε από αυτόν. Αυτή η κατανομή παρουσιάζεται γραφικά στο Σχ. 7 για μια ορισμένη δεδομένη μάζα υδρογόνου σε θερμοκρασίες 100 και 1000 ° C. Ο αριθμός των μορίων που κινούνται με την ταχύτητα που υποδεικνύεται στην τετμημένη απεικονίζεται κατά μήκος του άξονα τεταγμένων. Ο συνολικός αριθμός των σωματιδίων είναι ίσος με το εμβαδόν κάτω από κάθε καμπύλη και είναι ίδιος και στις δύο περιπτώσεις. Το γράφημα δείχνει ότι τα περισσότερα σωματίδια έχουν ταχύτητες κοντά σε κάποια μέση τιμή, και μόνο ένας μικρός αριθμός έχει πολύ υψηλές ή χαμηλές ταχύτητες. Οι μέσες ταχύτητες στις υποδεικνυόμενες θερμοκρασίες βρίσκονται στην περιοχή 2000–3000 m/s, δηλ. πολύ μεγάλο.

Ένας μεγάλος αριθμός τέτοιων ταχέως κινούμενων μορίων αερίου δρα με αρκετά μετρήσιμη δύναμη στα γύρω σώματα. Οι μικροσκοπικές δυνάμεις με τις οποίες πολλά μόρια αερίου χτυπούν τα τοιχώματα του δοχείου αθροίζονται σε μια μακροσκοπική ποσότητα που ονομάζεται πίεση. Όταν παρέχεται ενέργεια σε ένα αέριο (η θερμοκρασία αυξάνεται), η μέση κινητική ενέργεια των μορίων του αυξάνεται, τα σωματίδια αερίου χτυπούν τα τοιχώματα πιο συχνά και πιο δυνατά, η πίεση αυξάνεται και εάν τα τοιχώματα δεν είναι εντελώς άκαμπτα, τότε τεντώνονται και ο όγκος του αερίου αυξάνεται. Έτσι, η μικροσκοπική στατιστική προσέγγιση που βασίζεται στη μοριακή κινητική θεωρία μας επιτρέπει να εξηγήσουμε το φαινόμενο της θερμικής διαστολής που συζητήσαμε.

Ένα άλλο αποτέλεσμα της θεωρίας της μοριακής κινητικής είναι ένας νόμος που περιγράφει τις ιδιότητες ενός αερίου που ικανοποιεί τις απαιτήσεις που αναφέρονται παραπάνω. Αυτή η αποκαλούμενη εξίσωση κατάστασης ιδανικού αερίου συσχετίζει την πίεση, τον όγκο και τη θερμοκρασία ενός mol αερίου και έχει τη μορφή

PV = RT,

Οπου Π- πίεση, V- όγκος, Τ– θερμοκρασία και R– καθολική σταθερά αερίου ίση με (8,31441 ± 0,00026) J/(mol K).

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ.

ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Η μεταφορά θερμότητας είναι η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας μέσα σε ένα σώμα ή από το ένα σώμα στο άλλο λόγω διαφορών θερμοκρασίας. Η ένταση της μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται από τις ιδιότητες της ουσίας, τη διαφορά θερμοκρασίας και υπακούει στους πειραματικά καθιερωμένους νόμους της φύσης. Για να δημιουργήσετε αποτελεσματικά συστήματα θέρμανσης ή ψύξης, διάφορους κινητήρες, σταθμούς παραγωγής ενέργειας και συστήματα θερμομόνωσης, πρέπει να γνωρίζετε τις αρχές της μεταφοράς θερμότητας. Σε ορισμένες περιπτώσεις η ανταλλαγή θερμότητας είναι ανεπιθύμητη (θερμομόνωση κλιβάνων τήξης, διαστημόπλοια κ.λπ.), ενώ σε άλλες θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη (ατμολέβητες, εναλλάκτες θερμότητας, μαγειρικά σκεύη).

Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι μεταφοράς θερμότητας: αγωγιμότητα, συναγωγή και μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας.

Θερμική αγωγιμότητα.

Εάν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μέσα στο σώμα, τότε η θερμική ενέργεια μετακινείται από το θερμότερο μέρος του σώματος στο ψυχρότερο μέρος. Αυτός ο τύπος μεταφοράς θερμότητας, που προκαλείται από θερμικές κινήσεις και συγκρούσεις μορίων, ονομάζεται θερμική αγωγιμότητα. σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες σε στερεά μπορεί να παρατηρηθεί οπτικά. Έτσι, όταν μια χαλύβδινη ράβδος θερμαίνεται από το ένα άκρο στη φλόγα ενός καυστήρα αερίου, η θερμική ενέργεια μεταφέρεται κατά μήκος της ράβδου και μια λάμψη απλώνεται σε μια ορισμένη απόσταση από το θερμαινόμενο άκρο (ολοένα και λιγότερο έντονη με την απόσταση από τον τόπο θέρμανσης ). Η ένταση της μεταφοράς θερμότητας λόγω της θερμικής αγωγιμότητας εξαρτάται από τη βαθμίδα θερμοκρασίας, δηλ. σχέση ΔΤ /ΡΕ x

Οπου διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα της ράβδου στην απόσταση μεταξύ τους. Εξαρτάται επίσης από την περιοχή διατομής της ράβδου (σε m2) και τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του υλικού [στις αντίστοιχες μονάδες W/(mH K)]. Η σχέση μεταξύ αυτών των μεγεθών προήλθε από τον Γάλλο μαθηματικό J. Fourier και έχει την ακόλουθη μορφή: q - ροή θερμότητας,κ ΕΝΑείναι ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, και

– εμβαδόν διατομής. Αυτή η σχέση ονομάζεται νόμος του Φουριέ της θερμικής αγωγιμότητας. το σύμβολο μείον σε αυτό υποδεικνύει ότι η θερμότητα μεταφέρεται προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κλίση θερμοκρασίας.

Ο πίνακας δείχνει τους συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας ορισμένων ουσιών και υλικών. Ο πίνακας δείχνει ότι ορισμένα μέταλλα μεταδίδουν τη θερμότητα πολύ καλύτερα από άλλα, αλλά όλα τους είναι σημαντικά καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας από τον αέρα και τα πορώδη υλικά.

ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΚΑΙ ΥΛΙΚΩΝ
Ουσίες και υλικά	Θερμική αγωγιμότητα, W/(m× K)
μέταλλα
Αλουμίνιο
Μπρούντζος
Βισμούθιο
Βολφράμιο
Σίδερο
Χρυσός
Κάδμιο
Μαγνήσιο
Χαλκός
Αρσενικό
Νικέλιο
Πλατίνα
Υδράργυρος
Μόλυβδος
Ψευδάργυρος
Άλλα υλικά
Αμίαντο
Σκυρόδεμα
Αέρας
Eider κάτω (χαλαρό)
Ξύλο (καρυδιά)
Μαγνησία (MgO)
Πριονίδια
Καουτσούκ (σφουγγάρι)
Μαρμαρυγίας
Ποτήρι
Άνθρακας (γραφίτης)

Η θερμική αγωγιμότητα των μετάλλων οφείλεται σε δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος και στην κίνηση μεγάλου αριθμού ελεύθερων ηλεκτρονίων (μερικές φορές ονομάζονται αέριο ηλεκτρονίων). Η κίνηση των ηλεκτρονίων είναι επίσης υπεύθυνη για την ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων, επομένως δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι οι καλοί αγωγοί της θερμότητας (για παράδειγμα, ο άργυρος ή ο χαλκός) είναι επίσης καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού.

Η θερμική και ηλεκτρική αντίσταση πολλών ουσιών μειώνεται απότομα καθώς η θερμοκρασία πέφτει κάτω από τη θερμοκρασία του υγρού ηλίου (1,8 Κ). Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται υπεραγωγιμότητα, χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της απόδοσης πολλών συσκευών - από συσκευές μικροηλεκτρονικής έως ηλεκτροφόρα καλώδια και μεγάλους ηλεκτρομαγνήτες.

Μεταγωγή.

Όπως έχουμε ήδη πει, όταν παρέχεται θερμότητα σε ένα υγρό ή αέριο, η ένταση της μοριακής κίνησης αυξάνεται και ως αποτέλεσμα αυξάνεται η πίεση. Εάν ένα υγρό ή αέριο δεν είναι περιορισμένο σε όγκο, τότε διαστέλλεται. η τοπική πυκνότητα του υγρού (αερίου) γίνεται μικρότερη και χάρη στις δυνάμεις άνωσης (Αρχιμήδειες), το θερμαινόμενο τμήμα του μέσου κινείται προς τα πάνω (γι' αυτό ο θερμός αέρας στο δωμάτιο ανεβαίνει από τα καλοριφέρ στην οροφή). Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται συναγωγή. Για να μην σπαταλήσετε τη θερμότητα του συστήματος θέρμανσης, πρέπει να χρησιμοποιήσετε σύγχρονες θερμάστρες που παρέχουν αναγκαστική κυκλοφορία αέρα.

Η μεταφορά θερμότητας από τον θερμαντήρα στο θερμαινόμενο μέσο εξαρτάται από την αρχική ταχύτητα κίνησης των μορίων, την πυκνότητα, το ιξώδες, τη θερμική αγωγιμότητα και τη θερμοχωρητικότητα και το μέσο. Το μέγεθος και το σχήμα του θερμαντήρα είναι επίσης πολύ σημαντικά. Η σχέση μεταξύ των αντίστοιχων ποσοτήτων υπακούει στο νόμο του Νεύτωνα

q = hA (T W - T Ґ ),

Οπου διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα της ράβδου στην απόσταση μεταξύ τους. Εξαρτάται επίσης από την περιοχή διατομής της ράβδου (σε m2) και τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του υλικού [στις αντίστοιχες μονάδες W/(mH K)]. Η σχέση μεταξύ αυτών των μεγεθών προήλθε από τον Γάλλο μαθηματικό J. Fourier και έχει την ακόλουθη μορφή:– ροή θερμότητας (μετρούμενη σε watt), ΕΝΑ– επιφάνεια της πηγής θερμότητας (σε m2), T WΚαι ΤҐ – θερμοκρασίες της πηγής και του περιβάλλοντος της (σε Kelvin). Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας ηεξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου, την αρχική ταχύτητα των μορίων του, καθώς και από το σχήμα της πηγής θερμότητας και μετριέται σε μονάδες W/(m 2 H K).

Μέγεθος ηδεν είναι το ίδιο για τις περιπτώσεις που ο αέρας γύρω από τη θερμάστρα είναι ακίνητος (ελεύθερη συναγωγή) και όταν η ίδια θερμάστρα βρίσκεται σε ροή αέρα (αναγκαστική συναγωγή). Σε απλές περιπτώσεις ροής ρευστού μέσω σωλήνα ή ροής γύρω από επίπεδη επιφάνεια, ο συντελεστής ημπορεί να υπολογιστεί θεωρητικά. Ωστόσο, δεν έχει καταστεί ακόμη δυνατό να βρεθεί μια αναλυτική λύση στο πρόβλημα της μεταφοράς για μια τυρβώδη ροή ενός μέσου. Ο στροβιλισμός είναι μια πολύπλοκη κίνηση ενός υγρού (αερίου), χαοτικής σε κλίμακα σημαντικά μεγαλύτερη από τη μοριακή.

Εάν ένα θερμαινόμενο (ή, αντίθετα, ψυχρό) σώμα τοποθετηθεί σε ακίνητο περιβάλλον ή σε ροή, τότε σχηματίζονται συναγωγικά ρεύματα και ένα οριακό στρώμα γύρω του. Η θερμοκρασία, η πίεση και η ταχύτητα κίνησης των μορίων σε αυτό το στρώμα παίζουν σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή.

Η μεταφορά θερμότητας πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό των εναλλάκτη θερμότητας, των συστημάτων κλιματισμού, των αεροσκαφών υψηλής ταχύτητας και πολλών άλλων εφαρμογών. Σε όλα αυτά τα συστήματα, η θερμική αγωγιμότητα εμφανίζεται ταυτόχρονα με τη μεταφορά, τόσο μεταξύ στερεών σωμάτων όσο και στο περιβάλλον τους. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας μπορεί επίσης να παίξει σημαντικό ρόλο.

Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία.

Ο τρίτος τύπος μεταφοράς θερμότητας - η ακτινοβολούμενη μεταφορά θερμότητας - διαφέρει από τη θερμική αγωγιμότητα και τη μεταφορά θερμότητας στο ότι η θερμότητα σε αυτή την περίπτωση μπορεί να μεταφερθεί μέσω κενού. Η ομοιότητά του με άλλες μεθόδους μεταφοράς θερμότητας είναι ότι προκαλείται επίσης από διαφορές θερμοκρασίας. Η θερμική ακτινοβολία είναι ένα είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Οι άλλοι τύποι του - ραδιοκύματα, υπεριώδης ακτινοβολία και ακτινοβολία γάμμα - προκύπτουν ελλείψει διαφοράς θερμοκρασίας.

Στο Σχ. Το σχήμα 8 δείχνει την εξάρτηση της ενέργειας της θερμικής (υπέρυθρης) ακτινοβολίας από το μήκος κύματος. Η θερμική ακτινοβολία μπορεί να συνοδεύεται από την εκπομπή ορατού φωτός, αλλά η ενέργειά της είναι μικρή σε σύγκριση με την ενέργεια της ακτινοβολίας από το αόρατο τμήμα του φάσματος.

Η ένταση της μεταφοράς θερμότητας μέσω αγωγιμότητας και συναγωγής είναι ανάλογη της θερμοκρασίας και η ακτινοβολούμενη ροή θερμότητας είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της θερμοκρασίας και υπακούει στο νόμο Stefan-Boltzmann

όπου, όπως πριν, διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα της ράβδου στην απόσταση μεταξύ τους. Εξαρτάται επίσης από την περιοχή διατομής της ράβδου (σε m2) και τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του υλικού [στις αντίστοιχες μονάδες W/(mH K)]. Η σχέση μεταξύ αυτών των μεγεθών προήλθε από τον Γάλλο μαθηματικό J. Fourier και έχει την ακόλουθη μορφή:– ροή θερμότητας (σε joules ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή σε W), ΕΝΑείναι η επιφάνεια του σώματος που ακτινοβολεί (σε m2) και Τ 1 και Τ 2 – θερμοκρασίες (σε Kelvin) του σώματος που ακτινοβολεί και του περιβάλλοντος που απορροφά αυτή την ακτινοβολία. Συντελεστής μικρόονομάζεται σταθερά Stefan–Boltzmann και ισούται με (5,66961 ± 0,00096) H 10 –8 W/(m 2 H K 4).

Ο παρουσιαζόμενος νόμος της θερμικής ακτινοβολίας ισχύει μόνο για έναν ιδανικό εκπομπό - το λεγόμενο απολύτως μαύρο σώμα. Κανένα πραγματικό σώμα δεν είναι τέτοιο, αν και μια επίπεδη μαύρη επιφάνεια στις ιδιότητές της προσεγγίζει ένα απολύτως μαύρο σώμα. Οι ελαφριές επιφάνειες εκπέμπουν σχετικά ασθενώς. Για να ληφθεί υπόψη η απόκλιση από την ιδεατότητα πολλών «γκρίζων» σωμάτων, εισάγεται στη δεξιά πλευρά της έκφρασης που περιγράφει το νόμο Stefan-Boltzmann ένας συντελεστής μικρότερος από τη μονάδα, που ονομάζεται εκπομπή. Για μια επίπεδη μαύρη επιφάνεια αυτός ο συντελεστής μπορεί να φτάσει το 0,98 και για έναν γυαλισμένο μεταλλικό καθρέφτη δεν υπερβαίνει το 0,05. Αντίστοιχα, η ικανότητα απορρόφησης ακτινοβολίας είναι υψηλή για ένα μαύρο σώμα και χαμηλή για ένα σώμα καθρέφτη.

Οι χώροι κατοικιών και γραφείων συχνά θερμαίνονται με μικρούς ηλεκτρικούς εκπομπούς θερμότητας. η κοκκινωπή λάμψη των σπειρών τους είναι ορατή θερμική ακτινοβολία, κοντά στην άκρη του υπέρυθρου τμήματος του φάσματος. Το δωμάτιο θερμαίνεται με θερμότητα, η οποία μεταφέρεται κυρίως από το αόρατο, υπέρυθρο τμήμα της ακτινοβολίας. Οι συσκευές νυχτερινής όρασης χρησιμοποιούν μια πηγή θερμικής ακτινοβολίας και έναν δέκτη ευαίσθητο στο υπέρυθρο για να επιτρέπουν την όραση στο σκοτάδι.

Ο Ήλιος είναι ένας ισχυρός εκπομπός θερμικής ενέργειας. θερμαίνει τη Γη ακόμα και σε απόσταση 150 εκατομμυρίων χλμ. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που καταγράφεται χρόνο με το χρόνο από σταθμούς που βρίσκονται σε πολλά μέρη του πλανήτη είναι περίπου 1,37 W/m2. Η ηλιακή ενέργεια είναι η πηγή της ζωής στη Γη. Η αναζήτηση τρόπων για την πιο αποτελεσματική χρήση του βρίσκεται σε εξέλιξη. Οι ηλιακοί συλλέκτες έχουν δημιουργηθεί για τη θέρμανση των σπιτιών και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για οικιακές ανάγκες.

Ο ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ Η ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ

Η μεταφορά θερμότητας (λόγω θερμικής αγωγιμότητας) από τον λιωμένο πυρήνα της Γης στην επιφάνειά της οδηγεί σε ηφαιστειακές εκρήξεις και στην εμφάνιση θερμοπίδακες. Σε ορισμένες περιοχές, η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για τη θέρμανση χώρων και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Η θερμότητα είναι απαραίτητος συμμετέχων σε όλες σχεδόν τις παραγωγικές διαδικασίες. Ας αναφέρουμε τα πιο σημαντικά από αυτά, όπως η τήξη και η επεξεργασία μετάλλων, η λειτουργία του κινητήρα, η παραγωγή τροφίμων, η χημική σύνθεση, η διύλιση λαδιού και η κατασκευή μεγάλης ποικιλίας ειδών - από τούβλα και πιάτα μέχρι αυτοκίνητα και ηλεκτρονικές συσκευές.

Πολλές βιομηχανικές παραγωγές και μεταφορές, καθώς και θερμοηλεκτρικοί σταθμοί, δεν θα μπορούσαν να λειτουργήσουν χωρίς θερμικές μηχανές - συσκευές που μετατρέπουν τη θερμότητα σε χρήσιμη εργασία. Παραδείγματα τέτοιων μηχανών περιλαμβάνουν συμπιεστές, τουρμπίνες, ατμούς, βενζινοκινητήρες και κινητήρες αεριωθούμενου αέρα.

Μία από τις πιο διάσημες θερμικές μηχανές είναι ο ατμοστρόβιλος, ο οποίος υλοποιεί μέρος του κύκλου Rankine που χρησιμοποιείται σε σύγχρονους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα απλοποιημένο διάγραμμα αυτού του κύκλου φαίνεται στο Σχ. 9. Το ρευστό εργασίας - νερό - μετατρέπεται σε υπέρθερμο ατμό σε ατμολέβητα, που θερμαίνεται με την καύση ορυκτών καυσίμων (άνθρακας, πετρέλαιο ή φυσικό αέριο). Ο ατμός υψηλής πίεσης περιστρέφει τον άξονα ενός ατμοστρόβιλου, ο οποίος κινεί μια γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Ο ατμός της εξάτμισης συμπυκνώνεται όταν ψύχεται από τρεχούμενο νερό, το οποίο απορροφά μέρος της θερμότητας που δεν χρησιμοποιείται στον κύκλο Rankine. Στη συνέχεια, το νερό τροφοδοτείται στον πύργο ψύξης, από όπου μέρος της θερμότητας απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Το συμπύκνωμα επιστρέφεται στον λέβητα ατμού χρησιμοποιώντας μια αντλία και ολόκληρος ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

Όλες οι διεργασίες στον κύκλο Rankine απεικονίζουν τις αρχές της θερμοδυναμικής που περιγράφονται παραπάνω. Ειδικότερα, σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, μέρος της ενέργειας που καταναλώνεται από ένα εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής πρέπει να διαχέεται στο περιβάλλον με τη μορφή θερμότητας. Αποδεικνύεται ότι περίπου το 68% της ενέργειας που περιέχεται αρχικά στα ορυκτά καύσιμα χάνεται με αυτόν τον τρόπο. Μια αισθητή αύξηση της απόδοσης ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής θα μπορούσε να επιτευχθεί μόνο με την αύξηση της θερμοκρασίας του ατμολέβητα (η οποία περιορίζεται από τη θερμική αντίσταση των υλικών) ή τη μείωση της θερμοκρασίας του μέσου όπου πηγαίνει η θερμότητα, δηλ. ατμόσφαιρα.

Ένας άλλος θερμοδυναμικός κύκλος που έχει μεγάλη σημασία στην καθημερινή μας ζωή είναι ο κύκλος ψύξης του συμπιεστή ατμών Rankine, το διάγραμμα του οποίου φαίνεται στο Σχ. 10. Στα ψυγεία και τα οικιακά κλιματιστικά, η ενέργεια για την παροχή του παρέχεται από το εξωτερικό. Ο συμπιεστής αυξάνει τη θερμοκρασία και την πίεση της ουσίας εργασίας του ψυγείου - φρέον, αμμωνία ή διοξείδιο του άνθρακα. Το υπερθερμασμένο αέριο τροφοδοτείται στον συμπυκνωτή, όπου ψύχεται και συμπυκνώνεται, απελευθερώνοντας θερμότητα στο περιβάλλον. Το υγρό που βγαίνει από τους σωλήνες του συμπυκνωτή περνά μέσω της βαλβίδας στραγγαλισμού στον εξατμιστή και μέρος του εξατμίζεται, το οποίο συνοδεύεται από απότομη πτώση της θερμοκρασίας. Ο εξατμιστής παίρνει θερμότητα από τον θάλαμο του ψυγείου, ο οποίος θερμαίνει το υγρό εργασίας στους σωλήνες. Αυτό το υγρό παρέχεται από τον συμπιεστή στον συμπυκνωτή και ο κύκλος επαναλαμβάνεται ξανά.

Ο κύκλος ψύξης που φαίνεται στο Σχ. 10, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε αντλία θερμότητας. Τέτοιες αντλίες θερμότητας το καλοκαίρι εκπέμπουν θερμότητα στον ζεστό ατμοσφαιρικό αέρα και φροντίζουν το δωμάτιο, και το χειμώνα, αντίθετα, παίρνουν θερμότητα από τον κρύο αέρα και θερμαίνουν το δωμάτιο.

Οι πυρηνικές αντιδράσεις αποτελούν σημαντική πηγή θερμότητας για σκοπούς όπως η παραγωγή ενέργειας και η μεταφορά. Το 1905 ο Α. Αϊνστάιν έδειξε ότι η μάζα και η ενέργεια σχετίζονται με τη σχέση E=mc 2, δηλ. μπορούν να μεταμορφωθούν το ένα στο άλλο. Ταχύτητα φωτός ντοπολύ υψηλό: 300 χιλιάδες km/s. Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και μια μικρή ποσότητα μιας ουσίας μπορεί να προσφέρει τεράστια ποσότητα ενέργειας. Έτσι, από 1 κιλό σχάσιμου υλικού (για παράδειγμα, ουράνιο), είναι θεωρητικά δυνατό να ληφθεί η ενέργεια που παρέχει μια μονάδα παραγωγής ενέργειας 1 MW σε 1000 ημέρες συνεχούς λειτουργίας.

Η θερμική ενέργεια είναι ένα σύστημα μέτρησης της θερμότητας που επινοήθηκε και χρησιμοποιήθηκε πριν από δύο αιώνες. Ο βασικός κανόνας για την εργασία με αυτήν την τιμή ήταν ότι η θερμική ενέργεια διατηρείται και δεν μπορεί απλά να εξαφανιστεί, αλλά μπορεί να μετατραπεί σε άλλο είδος ενέργειας.

Υπάρχουν αρκετές γενικά αποδεκτές μονάδες θερμικής ενέργειας. Χρησιμοποιούνται κυρίως σε βιομηχανικούς τομείς όπως π.χ. Τα πιο συνηθισμένα περιγράφονται παρακάτω:

Οποιαδήποτε μονάδα μέτρησης που περιλαμβάνεται στο σύστημα SI έχει σκοπό να προσδιορίσει τη συνολική ποσότητα ενός ή άλλου τύπου ενέργειας, όπως θερμότητα ή ηλεκτρική ενέργεια. Ο χρόνος και η ποσότητα μέτρησης δεν επηρεάζουν αυτές τις τιμές, γι' αυτό και μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για την ενέργεια που καταναλώνεται όσο και για την ήδη καταναλωμένη ενέργεια. Επιπλέον, σε τέτοιες ποσότητες υπολογίζονται και τυχόν μετάδοση και λήψη, καθώς και απώλειες.

Πού χρησιμοποιούνται οι μονάδες μέτρησης της θερμικής ενέργειας;

Οι μονάδες ενέργειας μετατρέπονται σε θερμότητα

Ως ενδεικτικό παράδειγμα, παρακάτω είναι συγκρίσεις διάφορων δημοφιλών δεικτών SI με θερμική ενέργεια:

• 1 GJ ισούται με 0,24 Gcal, το οποίο σε ηλεκτρικό ισοδύναμο είναι ίσο με 3400 εκατομμύρια kW ανά ώρα. Σε ισοδύναμο θερμικής ενέργειας, 1 GJ = 0,44 τόνοι ατμού.
• Ταυτόχρονα, 1 Gcal = 4,1868 GJ = 16.000 εκατομμύρια kW ανά ώρα = 1,9 τόνοι ατμού.
• 1 τόνος ατμού ισούται με 2,3 GJ = 0,6 Gcal = 8200 kW ανά ώρα.

Σε αυτό το παράδειγμα, η δεδομένη τιμή του ατμού λαμβάνεται ως η εξάτμιση του νερού όταν φτάσει τους 100°C.

Για τον υπολογισμό της ποσότητας θερμότητας, χρησιμοποιείται η ακόλουθη αρχή: για τη λήψη δεδομένων σχετικά με την ποσότητα της θερμότητας, χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του υγρού, μετά την οποία η μάζα του νερού πολλαπλασιάζεται με τη θερμοκρασία βλάστησης. Εάν στο SI η μάζα ενός υγρού μετρηθεί σε κιλά και οι διαφορές θερμοκρασίας σε βαθμούς Κελσίου, τότε το αποτέλεσμα τέτοιων υπολογισμών θα είναι η ποσότητα της θερμότητας σε χιλιοθερμίδες.

Εάν υπάρχει ανάγκη μεταφοράς θερμικής ενέργειας από ένα φυσικό σώμα σε άλλο και θέλετε να μάθετε τις πιθανές απώλειες, τότε θα πρέπει να πολλαπλασιάσετε τη μάζα της θερμότητας της ουσίας που λαμβάνεται με τη θερμοκρασία της αύξησης και στη συνέχεια να μάθετε το προϊόν της προκύπτουσας τιμής από την «ειδική θερμότητα» της ουσίας.

(ή μεταφορά θερμότητας).

Ειδική θερμοχωρητικότητα μιας ουσίας.

Θερμοχωρητικότητα- αυτή είναι η ποσότητα θερμότητας που απορροφά ένα σώμα όταν θερμαίνεται κατά 1 βαθμό.

Η θερμοχωρητικότητα ενός σώματος υποδεικνύεται με κεφαλαίο λατινικό γράμμα ΜΕ.

Από τι εξαρτάται η θερμοχωρητικότητα ενός σώματος; Πρώτα απ 'όλα, από τη μάζα του. Είναι σαφές ότι η θέρμανση, για παράδειγμα, 1 κιλού νερού θα απαιτήσει περισσότερη θερμότητα από τη θέρμανση 200 γραμμαρίων.

Τι γίνεται με τον τύπο της ουσίας; Ας κάνουμε ένα πείραμα. Ας πάρουμε δύο πανομοιότυπα δοχεία και, έχοντας ρίξει νερό βάρους 400 g σε ένα από αυτά και φυτικό λάδι βάρους 400 g στο άλλο, θα αρχίσουμε να τα θερμαίνουμε χρησιμοποιώντας ίδιους καυστήρες. Παρατηρώντας τις ενδείξεις του θερμομέτρου, θα δούμε ότι το λάδι θερμαίνεται γρήγορα. Για να ζεστάνετε νερό και λάδι στην ίδια θερμοκρασία, το νερό πρέπει να ζεσταθεί περισσότερο. Αλλά όσο περισσότερο ζεσταίνουμε το νερό, τόσο περισσότερη θερμότητα δέχεται από τον καυστήρα.

Έτσι, η θέρμανση της ίδιας μάζας διαφορετικών ουσιών στην ίδια θερμοκρασία απαιτεί διαφορετικές ποσότητες θερμότητας. Η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος και, επομένως, η θερμοχωρητικότητα του εξαρτάται από τον τύπο της ουσίας από την οποία αποτελείται το σώμα.

Έτσι, για παράδειγμα, για να αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού βάρους 1 kg κατά 1°C, απαιτείται ποσότητα θερμότητας ίση με 4200 J και για να θερμανθεί η ίδια μάζα ηλιελαίου κατά 1°C, ποσότητα θερμότητας ίση με Απαιτούνται 1700 J.

Μια φυσική ποσότητα που δείχνει πόση θερμότητα απαιτείται για να θερμανθεί 1 kg μιας ουσίας κατά 1 ºС ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητααυτής της ουσίας.

Κάθε ουσία έχει τη δική της ειδική θερμοχωρητικότητα, η οποία συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα c και μετράται σε τζάουλ ανά χιλιόγραμμο βαθμό (J/(kg °C)).

Η ειδική θερμοχωρητικότητα της ίδιας ουσίας σε διαφορετικές καταστάσεις συσσωμάτωσης (στερεό, υγρό και αέριο) είναι διαφορετική. Για παράδειγμα, η ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού είναι 4200 J/(kg °C) και η ειδική θερμοχωρητικότητα του πάγου είναι 2100 J/(kg °C). Το αλουμίνιο στη στερεή κατάσταση έχει ειδική θερμοχωρητικότητα 920 J/(kg - °C), και στην υγρή κατάσταση - 1080 J/(kg - °C).

Σημειώστε ότι το νερό έχει πολύ υψηλή ειδική θερμοχωρητικότητα. Επομένως, το νερό στις θάλασσες και τους ωκεανούς, που θερμαίνεται το καλοκαίρι, απορροφά μεγάλη ποσότητα θερμότητας από τον αέρα. Χάρη σε αυτό, σε εκείνα τα μέρη που βρίσκονται κοντά σε μεγάλα υδάτινα σώματα, το καλοκαίρι δεν είναι τόσο ζεστό όσο σε μέρη μακριά από το νερό.

Υπολογισμός της ποσότητας θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος ή που απελευθερώνεται από αυτό κατά την ψύξη.

Από τα παραπάνω είναι σαφές ότι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος εξαρτάται από τον τύπο της ουσίας από την οποία αποτελείται το σώμα (δηλαδή την ειδική θερμοχωρητικότητα του) και από τη μάζα του σώματος. Είναι επίσης σαφές ότι η ποσότητα της θερμότητας εξαρτάται από το πόσους βαθμούς πρόκειται να αυξήσουμε τη θερμοκρασία του σώματος.

Έτσι, για να προσδιορίσετε την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος ή που απελευθερώνεται από αυτό κατά τη διάρκεια της ψύξης, πρέπει να πολλαπλασιάσετε την ειδική θερμοχωρητικότητα του σώματος με τη μάζα του και με τη διαφορά μεταξύ της τελικής και αρχικής θερμοκρασίας του:

Q = εκ (t 2 - t 1 ) ,

Οπου Q- ποσότητα θερμότητας, ντο— ειδική θερμοχωρητικότητα, m- σωματικό βάρος, t 1 — αρχική θερμοκρασία, t 2 — τελική θερμοκρασία.

Όταν το σώμα θερμαίνεται t 2 > t 1 και ως εκ τούτου Q > 0 . Όταν το σώμα κρυώσει t 2i< t 1 και ως εκ τούτου Q< 0 .

Εάν είναι γνωστή η θερμοχωρητικότητα ολόκληρου του σώματος ΜΕ, Qκαθορίζεται από τον τύπο:

Q = C (t 2 - t 1 ) .

Περιεχόμενα του άρθρου

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ,το κινητικό μέρος της εσωτερικής ενέργειας μιας ουσίας, που καθορίζεται από την έντονη χαοτική κίνηση των μορίων και των ατόμων από τα οποία αποτελείται αυτή η ουσία. Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της έντασης της μοριακής κίνησης. Η ποσότητα θερμότητας που κατέχει ένα σώμα σε μια δεδομένη θερμοκρασία εξαρτάται από τη μάζα του. για παράδειγμα, στην ίδια θερμοκρασία, ένα μεγάλο φλιτζάνι νερό περιέχει περισσότερη θερμότητα από ένα μικρό και ένας κουβάς κρύο νερό μπορεί να περιέχει περισσότερη θερμότητα από ένα φλιτζάνι ζεστό νερό (αν και η θερμοκρασία του νερού στον κάδο είναι χαμηλότερη) .

Η ζεστασιά παίζει σημαντικό ρόλο στη ζωή του ανθρώπου, συμπεριλαμβανομένης της λειτουργίας του σώματός του. Μέρος της χημικής ενέργειας που περιέχεται στα τρόφιμα μετατρέπεται σε θερμότητα, λόγω της οποίας η θερμοκρασία του σώματος διατηρείται γύρω στους 37 ° C. Η θερμική ισορροπία του ανθρώπινου σώματος εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και οι άνθρωποι αναγκάζονται να ξοδεύουν πολλή ενέργεια για θέρμανση οικιστικών και βιομηχανικών χώρων το χειμώνα και για ψύξη τους το καλοκαίρι. Το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ενέργειας παρέχεται από θερμικές μηχανές, όπως λέβητες και ατμοστρόβιλους σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας που καίνε ορυκτά καύσιμα (άνθρακας, πετρέλαιο) και παράγουν ηλεκτρική ενέργεια.

Μέχρι τα τέλη του 18ου αι. Η θερμότητα θεωρούνταν υλική ουσία, πιστεύοντας ότι η θερμοκρασία ενός σώματος καθορίζεται από την ποσότητα του «θερμιδικού υγρού» ή «θερμιδικής» που περιέχει. Αργότερα, ο B. Rumford, ο J. Joule και άλλοι φυσικοί εκείνης της εποχής, μέσα από έξυπνα πειράματα και συλλογισμούς, διέψευσαν τη θεωρία των «θερμίδων», αποδεικνύοντας ότι η θερμότητα είναι αβαρής και μπορεί να ληφθεί σε οποιαδήποτε ποσότητα απλά μέσω μηχανικής κίνησης. Η ίδια η θερμότητα δεν είναι ουσία - είναι απλώς η ενέργεια κίνησης των ατόμων ή των μορίων της. Αυτή ακριβώς είναι η κατανόηση της θερμότητας που ακολουθεί η σύγχρονη φυσική.

Σε αυτό το άρθρο θα δούμε πώς σχετίζονται η θερμότητα και η θερμοκρασία και πώς μετρώνται αυτές οι ποσότητες. Αντικείμενο της συζήτησής μας θα είναι επίσης τα ακόλουθα θέματα: μεταφορά θερμότητας από το ένα μέρος του σώματος στο άλλο. μεταφορά θερμότητας σε κενό (ένας χώρος που δεν περιέχει ουσία). ο ρόλος της θερμότητας στον σύγχρονο κόσμο.

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ

Η ποσότητα της θερμικής ενέργειας σε μια ουσία δεν μπορεί να προσδιοριστεί παρατηρώντας την κίνηση κάθε μορίου της ξεχωριστά. Αντίθετα, μόνο με τη μελέτη των μακροσκοπικών ιδιοτήτων μιας ουσίας μπορεί κανείς να βρει τα χαρακτηριστικά της μικροσκοπικής κίνησης πολλών μορίων που υπολογίζονται κατά μέσο όρο σε μια ορισμένη χρονική περίοδο. Η θερμοκρασία μιας ουσίας είναι ο μέσος δείκτης της έντασης της μοριακής κίνησης, η ενέργεια της οποίας είναι η θερμική ενέργεια της ουσίας.

Ένας από τους πιο συνηθισμένους, αλλά και λιγότερο ακριβείς τρόπους εκτίμησης της θερμοκρασίας είναι η αφή. Όταν αγγίζουμε ένα αντικείμενο, κρίνουμε αν είναι ζεστό ή κρύο, εστιάζοντας στις αισθήσεις μας. Φυσικά, αυτές οι αισθήσεις εξαρτώνται από τη θερμοκρασία του σώματός μας, γεγονός που μας φέρνει στην έννοια της θερμικής ισορροπίας - μια από τις πιο σημαντικές κατά τη μέτρηση της θερμοκρασίας.

Θερμική ισορροπία.

Προφανώς, αν δύο σώματα ΕΝΑΚαι σι(Εικ. 1) πιέζονται σφιχτά το ένα πάνω στο άλλο, και μετά, αφού τα αγγίξουμε μετά από αρκετή ώρα, θα παρατηρήσουμε ότι η θερμοκρασία τους είναι ίδια. Σε αυτή την περίπτωση λένε ότι τα σώματα ΕΝΑΚαι σιβρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Ωστόσο, τα σώματα, μιλώντας γενικά, δεν χρειάζεται απαραίτητα να αγγίζονται για να υπάρχει μεταξύ τους θερμική ισορροπία - αρκεί να είναι οι ίδιες οι θερμοκρασίες τους. Αυτό μπορεί να επαληθευτεί χρησιμοποιώντας το τρίτο σώμα ντο, φέρνοντάς το πρώτα σε θερμική ισορροπία με το σώμα ΕΝΑκαι στη συνέχεια συγκρίνετε τις θερμοκρασίες του σώματος ντοΚαι σι. Σώμα ντοπαίζει το ρόλο του θερμομέτρου εδώ. Σε μια αυστηρή διατύπωση, αυτή η αρχή ονομάζεται μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής: αν τα σώματα Α και Β βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με ένα τρίτο σώμα Γ, τότε και αυτά τα σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους.Αυτός ο νόμος διέπει όλες τις μεθόδους μέτρησης της θερμοκρασίας.

Μέτρηση θερμοκρασίας.

Εάν θέλουμε να διεξάγουμε ακριβή πειράματα και υπολογισμούς, τότε τέτοιες βαθμολογίες θερμοκρασίας όπως ζεστό, ζεστό, δροσερό, κρύο δεν αρκούν - χρειαζόμαστε μια διαβαθμισμένη κλίμακα θερμοκρασίας. Υπάρχουν πολλές τέτοιες κλίμακες και οι θερμοκρασίες πήξης και βρασμού του νερού συνήθως λαμβάνονται ως σημεία αναφοράς. Οι τέσσερις πιο συνηθισμένες κλίμακες φαίνονται στο Σχ. 2. Η κλίμακα Κελσίου, στην οποία το σημείο πήξης του νερού αντιστοιχεί σε 0°, και το σημείο βρασμού σε 100°, ονομάζεται κλίμακα Κελσίου που πήρε το όνομά του από τον Α. Κελσίου, τον Σουηδό αστρονόμο που την περιέγραψε το 1742. Πιστεύεται ότι ο Σουηδός φυσιοδίφης C. Linnaeus χρησιμοποίησε για πρώτη φορά αυτή την κλίμακα . Τώρα η κλίμακα Κελσίου είναι η πιο κοινή στον κόσμο. Η κλίμακα θερμοκρασίας Fahrenheit, στην οποία τα σημεία πήξης και βρασμού του νερού αντιστοιχούν σε εξαιρετικά άβολα νούμερα 32 και 212°, προτάθηκε το 1724 από τον G. Fahrenheit. Η κλίμακα Φαρενάιτ είναι ευρέως διαδεδομένη στις αγγλόφωνες χώρες, αλλά δεν χρησιμοποιείται σχεδόν ποτέ στην επιστημονική βιβλιογραφία. Για τη μετατροπή της θερμοκρασίας Κελσίου (°C) σε θερμοκρασία Φαρενάιτ (°F) υπάρχει ένας τύπος °F = (9/5)°C + 32, και για την αντίστροφη μετατροπή υπάρχει ένας τύπος °C = (5/9)( °F- 32).

Και οι δύο κλίμακες - τόσο Φαρενάιτ όσο και Κελσίου - είναι πολύ άβολες κατά τη διεξαγωγή πειραμάτων σε συνθήκες όπου η θερμοκρασία πέφτει κάτω από το σημείο πήξης του νερού και εκφράζεται ως αρνητικός αριθμός. Για τέτοιες περιπτώσεις, εισήχθησαν κλίμακες απόλυτης θερμοκρασίας, οι οποίες βασίζονται στην παρέκταση στο λεγόμενο απόλυτο μηδέν - το σημείο στο οποίο πρέπει να σταματήσει η μοριακή κίνηση. Μία από αυτές ονομάζεται κλίμακα Rankine και η άλλη είναι η απόλυτη θερμοδυναμική κλίμακα. οι θερμοκρασίες τους μετρώνται σε βαθμούς Rankine (°R) και Kelvin (K). Και οι δύο κλίμακες ξεκινούν από το απόλυτο μηδέν και το σημείο πήξης του νερού αντιστοιχεί σε 491,7° R και 273,16 K. Ο αριθμός των βαθμών και των kelvins μεταξύ των σημείων πήξης και βρασμού του νερού στην κλίμακα Κελσίου και της απόλυτης θερμοδυναμικής κλίμακας είναι ο ίδιος και ίσος έως 100? για τις κλίμακες Fahrenheit και Rankine είναι επίσης το ίδιο, αλλά ίσο με 180. Οι βαθμοί Κελσίου μετατρέπονται σε Kelvin χρησιμοποιώντας τον τύπο K = ° C + 273,16 και οι βαθμοί Fahrenheit μετατρέπονται σε βαθμούς Rankine χρησιμοποιώντας τον τύπο ° R = ° F + 459,7.

Η λειτουργία των οργάνων που έχουν σχεδιαστεί για τη μέτρηση της θερμοκρασίας βασίζεται σε διάφορα φυσικά φαινόμενα που σχετίζονται με αλλαγές στη θερμική ενέργεια μιας ουσίας - αλλαγές στην ηλεκτρική αντίσταση, τον όγκο, την πίεση, τα χαρακτηριστικά εκπομπής και τις θερμοηλεκτρικές ιδιότητες. Ένα από τα απλούστερα και πιο γνωστά όργανα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας είναι ένα θερμόμετρο από γυαλί υδραργύρου, που φαίνεται στο Σχ. 3, ΕΝΑ. Μια μπάλα υδραργύρου στο κάτω μέρος του θερμομέτρου τοποθετείται στο μέσο ή πιέζεται πάνω σε ένα αντικείμενο του οποίου η θερμοκρασία πρόκειται να μετρηθεί και ανάλογα με το αν η μπάλα δέχεται ή εκπέμπει θερμότητα, ο υδράργυρος διαστέλλεται ή συστέλλεται και η στήλη του ανεβαίνει ή πέφτει στο τριχοειδές. Εάν το θερμόμετρο είναι προ-βαθμονομημένο και εξοπλισμένο με ζυγαριά, τότε μπορείτε να μάθετε άμεσα τη θερμοκρασία του σώματος.

Μια άλλη συσκευή της οποίας η λειτουργία βασίζεται στη θερμική διαστολή είναι το διμεταλλικό θερμόμετρο που φαίνεται στο Σχ. 3, σι. Το κύριο στοιχείο του είναι μια σπειροειδής πλάκα από δύο συγκολλημένα μέταλλα με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής. Όταν θερμαίνεται, ένα από τα μέταλλα διαστέλλεται περισσότερο από το άλλο, η σπείρα στρίβει και στρέφει το βέλος σε σχέση με την κλίμακα. Τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται συχνά για τη μέτρηση της θερμοκρασίας εσωτερικού και εξωτερικού αέρα, αλλά δεν είναι κατάλληλες για τον προσδιορισμό των τοπικών θερμοκρασιών.

Η τοπική θερμοκρασία μετριέται συνήθως χρησιμοποιώντας ένα θερμοστοιχείο, το οποίο είναι δύο σύρματα από ανόμοια μέταλλα συγκολλημένα στο ένα άκρο (Εικ. 4, ΕΝΑ). Όταν μια τέτοια διασταύρωση θερμαίνεται, δημιουργείται ένα emf στα ελεύθερα άκρα των συρμάτων, που συνήθως ανέρχεται σε αρκετά millivolt. Τα θερμοστοιχεία κατασκευάζονται από διαφορετικά ζεύγη μετάλλων: σίδηρο και κονταντάνη, χαλκό και κονστάντα, χρώμιο και αλουμέλ. Το thermo-emf τους ποικίλλει σχεδόν γραμμικά με τη θερμοκρασία σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.

Ένα άλλο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο είναι επίσης γνωστό - η εξάρτηση της αντίστασης ενός αγώγιμου υλικού από τη θερμοκρασία. Βασίζεται στη λειτουργία θερμομέτρων ηλεκτρικής αντίστασης, ένα από τα οποία φαίνεται στο Σχ. 4, σι. Η αντίσταση ενός μικρού ευαίσθητου στη θερμοκρασία στοιχείου (θερμικός μετατροπέας) - συνήθως ενός πηνίου από λεπτό σύρμα - συγκρίνεται με την αντίσταση μιας βαθμονομημένης μεταβλητής αντίστασης που χρησιμοποιεί μια γέφυρα Wheatstone. Η συσκευή εξόδου μπορεί να βαθμονομηθεί απευθείας σε μοίρες.

Τα οπτικά πυρόμετρα χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας των θερμών σωμάτων που εκπέμπουν ορατό φως. Σε μια εφαρμογή αυτής της συσκευής, το φως που εκπέμπεται από το σώμα συγκρίνεται με την εκπομπή ενός νήματος λαμπτήρα πυρακτώσεως που τοποθετείται στο εστιακό επίπεδο των διοπτρών μέσω του οποίου παρατηρείται το σώμα εκπομπής. Το ηλεκτρικό ρεύμα που θερμαίνει το νήμα του λαμπτήρα αλλάζει έως ότου μια οπτική σύγκριση της λάμψης του νήματος και του σώματος αποκαλύψει ότι έχει δημιουργηθεί θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Η ζυγαριά του οργάνου μπορεί να βαθμονομηθεί απευθείας σε μονάδες θερμοκρασίας.

Μέτρηση της ποσότητας θερμότητας.

Η θερμική ενέργεια (ποσότητα θερμότητας) ενός σώματος μπορεί να μετρηθεί απευθείας χρησιμοποιώντας ένα λεγόμενο θερμιδόμετρο. μια απλή έκδοση μιας τέτοιας συσκευής φαίνεται στο Σχ. 5. Πρόκειται για ένα προσεκτικά μονωμένο κλειστό δοχείο, εξοπλισμένο με συσκευές μέτρησης της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του και μερικές φορές γεμάτο με λειτουργικό ρευστό με γνωστές ιδιότητες, όπως το νερό. Για να μετρηθεί η ποσότητα της θερμότητας σε ένα μικρό θερμαινόμενο σώμα, τοποθετείται σε ένα θερμιδόμετρο και το σύστημα περιμένει μέχρι να φτάσει σε θερμική ισορροπία. Η ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται στο θερμιδόμετρο (πιο συγκεκριμένα, στο νερό που το γεμίζει) καθορίζεται από την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού.

Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης, όπως η καύση, μπορεί να μετρηθεί τοποθετώντας μια μικρή «βόμβα» σε ένα θερμιδόμετρο. Η «βόμβα» περιέχει ένα δείγμα, στο οποίο συνδέονται ηλεκτρικά καλώδια για ανάφλεξη, και κατάλληλη ποσότητα οξυγόνου. Μετά την πλήρη καύση του δείγματος και την επίτευξη θερμικής ισορροπίας, προσδιορίζεται πόσο έχει αυξηθεί η θερμοκρασία του νερού στο θερμιδόμετρο και ως εκ τούτου η ποσότητα της θερμότητας που απελευθερώνεται.

Μονάδες μέτρησης θερμότητας.

Η θερμότητα είναι μια μορφή ενέργειας και επομένως πρέπει να μετράται σε ενεργειακές μονάδες. Η μονάδα ενέργειας του SI είναι το τζάουλ (J). Είναι επίσης δυνατή η χρήση μη συστημικών μονάδων της ποσότητας θερμότητας - θερμίδων: η διεθνής θερμίδα είναι 4,1868 J, η θερμοχημική θερμίδα - 4,1840 J. Σε ξένα εργαστήρια, τα αποτελέσματα της έρευνας εκφράζονται συχνά χρησιμοποιώντας το λεγόμενο. Θερμίδες 15 βαθμών ισούται με 4,1855 J. Η βρετανική θερμική μονάδα εκτός συστήματος (BTU) καταργείται σταδιακά: BTU μέσο όρο = 1,055 J.

Πηγές θερμότητας.

Οι κύριες πηγές θερμότητας είναι οι χημικές και πυρηνικές αντιδράσεις, καθώς και διάφορες διαδικασίες μετατροπής ενέργειας. Παραδείγματα χημικών αντιδράσεων που απελευθερώνουν θερμότητα είναι η καύση και η διάσπαση των συστατικών των τροφίμων. Σχεδόν όλη η θερμότητα που λαμβάνει η Γη παρέχεται από πυρηνικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στα βάθη του Ήλιου. Η ανθρωπότητα έχει μάθει να αποκτά θερμότητα χρησιμοποιώντας ελεγχόμενες διαδικασίες πυρηνικής σχάσης και τώρα προσπαθεί να χρησιμοποιήσει τις αντιδράσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης για τον ίδιο σκοπό. Άλλοι τύποι ενέργειας, όπως η μηχανική εργασία και η ηλεκτρική ενέργεια, μπορούν επίσης να μετατραπούν σε θερμότητα. Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι η θερμική ενέργεια (όπως κάθε άλλη) μπορεί να μετατραπεί μόνο σε άλλη μορφή, αλλά δεν μπορεί να ληφθεί «από το τίποτα» ή να καταστραφεί. Αυτή είναι μια από τις βασικές αρχές της επιστήμης που ονομάζεται θερμοδυναμική.

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ

Η θερμοδυναμική είναι η επιστήμη της σχέσης μεταξύ θερμότητας, έργου και ύλης. Οι σύγχρονες ιδέες για αυτές τις σχέσεις διαμορφώθηκαν με βάση τα έργα τόσο μεγάλων επιστημόνων του παρελθόντος όπως οι Carnot, Clausius, Gibbs, Joule, Kelvin κ.λπ. Η Θερμοδυναμική εξηγεί την έννοια της θερμοχωρητικότητας και της θερμικής αγωγιμότητας της ύλης, της θερμικής διαστολής των σωμάτων και τη θερμότητα των μεταπτώσεων φάσης. Η επιστήμη αυτή βασίζεται σε αρκετούς πειραματικά καθιερωμένους νόμους – αρχές.

Οι απαρχές της θερμοδυναμικής.

Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής που διατυπώθηκε παραπάνω εισάγει τις έννοιες της θερμικής ισορροπίας, της θερμοκρασίας και της θερμομετρίας. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια δήλωση που έχει καίρια σημασία για όλη την επιστήμη στο σύνολό της: η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να καταστραφεί ούτε να ληφθεί «από το τίποτα», επομένως η συνολική ενέργεια του Σύμπαντος είναι μια σταθερή ποσότητα. Στην απλούστερη μορφή του, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: η ενέργεια που λαμβάνει ένα σύστημα μείον την ενέργεια που εκπέμπει ισούται με την ενέργεια που απομένει στο σύστημα. Με την πρώτη ματιά, αυτή η δήλωση φαίνεται προφανής, αλλά όχι σε μια τέτοια κατάσταση, για παράδειγμα, όπως η καύση βενζίνης στους κυλίνδρους ενός κινητήρα αυτοκινήτου: εδώ η ενέργεια που λαμβάνεται είναι χημική, η ενέργεια που δίνεται είναι μηχανική (εργασία) και Η ενέργεια που παραμένει στο σύστημα είναι θερμική.

Έτσι, είναι σαφές ότι η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί από τη μια μορφή στην άλλη και ότι τέτοιοι μετασχηματισμοί συμβαίνουν συνεχώς στη φύση και την τεχνολογία. Πριν από περισσότερα από εκατό χρόνια, ο J. Joule το απέδειξε αυτό για την περίπτωση της μετατροπής της μηχανικής ενέργειας σε θερμική ενέργεια χρησιμοποιώντας τη συσκευή που φαίνεται στο Σχ. 6, ΕΝΑ. Σε αυτή τη συσκευή, τα βάρη που κατέβαιναν και ανέβαιναν περιέστρεψαν έναν άξονα με λεπίδες σε ένα θερμιδόμετρο γεμάτο νερό, προκαλώντας τη θέρμανση του νερού. Οι ακριβείς μετρήσεις επέτρεψαν στον Joule να προσδιορίσει ότι μία θερμίδα θερμότητας ισοδυναμεί με 4.186 J μηχανικής εργασίας. Η συσκευή που φαίνεται στο Σχ. 6, σι, χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό του θερμικού ισοδύναμου ηλεκτρικής ενέργειας.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής εξηγεί πολλά καθημερινά φαινόμενα. Για παράδειγμα, γίνεται σαφές γιατί δεν μπορείτε να κρυώσετε την κουζίνα με ανοιχτό ψυγείο. Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μονώσει την κουζίνα από το περιβάλλον. Η ενέργεια παρέχεται συνεχώς στο σύστημα μέσω του καλωδίου τροφοδοσίας του ψυγείου, αλλά το σύστημα δεν απελευθερώνει ενέργεια. Έτσι, η συνολική ενέργειά του αυξάνεται και η κουζίνα γίνεται πιο ζεστή: απλώς αγγίξτε τους σωλήνες του εναλλάκτη θερμότητας (συμπυκνωτή) στο πίσω τοίχωμα του ψυγείου και θα καταλάβετε την αχρηστία του ως συσκευή «ψύξης». Αλλά αν αυτοί οι σωλήνες έβγαιναν έξω από το σύστημα (για παράδειγμα, έξω από το παράθυρο), τότε η κουζίνα θα έδινε περισσότερη ενέργεια από αυτή που λάμβανε, δηλ. θα κρύωνε και το ψυγείο θα λειτουργούσε σαν κλιματιστικό παράθυρο.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι ένας νόμος της φύσης που αποκλείει τη δημιουργία ή την καταστροφή ενέργειας. Ωστόσο, δεν λέει τίποτα για το πώς συμβαίνουν οι διαδικασίες μεταφοράς ενέργειας στη φύση. Έτσι, γνωρίζουμε ότι ένα ζεστό σώμα θα θερμάνει ένα κρύο εάν αυτά τα σώματα έρθουν σε επαφή. Μπορεί όμως ένα ψυχρό σώμα από μόνο του να μεταφέρει το απόθεμα θερμότητάς του σε ένα ζεστό; Η τελευταία πιθανότητα απορρίπτεται κατηγορηματικά από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Η πρώτη αρχή αποκλείει επίσης τη δυνατότητα δημιουργίας κινητήρα με συντελεστή απόδοσης (απόδοση) άνω του 100% (ένας τέτοιος «αιώνιος» κινητήρας θα μπορούσε, για οποιοδήποτε χρονικό διάστημα, να παρέχει περισσότερη ενέργεια από ό,τι καταναλώνει). Είναι αδύνατο να κατασκευαστεί ένας κινητήρας ακόμη και με απόδοση 100%, αφού ένα μέρος της ενέργειας που του παρέχεται πρέπει απαραίτητα να χαθεί από αυτόν με τη μορφή λιγότερο χρήσιμης θερμικής ενέργειας. Έτσι, ο τροχός δεν θα περιστρέφεται για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς παροχή ενέργειας, αφού λόγω της τριβής στα ρουλεμάν, η ενέργεια της μηχανικής κίνησης θα μετατραπεί σταδιακά σε θερμότητα μέχρι να σταματήσει ο τροχός.

Η τάση μετατροπής της «χρήσιμης» εργασίας σε λιγότερο χρήσιμη ενέργεια - θερμότητα - μπορεί να συγκριθεί με μια άλλη διαδικασία που συμβαίνει όταν συνδέονται δύο δοχεία που περιέχουν διαφορετικά αέρια. Έχοντας περιμένει αρκετά, βρίσκουμε ένα ομοιογενές μείγμα αερίων και στα δύο δοχεία - η φύση ενεργεί με τέτοιο τρόπο ώστε η τάξη του συστήματος να μειώνεται. Το θερμοδυναμικό μέτρο αυτής της διαταραχής ονομάζεται εντροπία και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής μπορεί να διατυπωθεί διαφορετικά: οι διεργασίες στη φύση προχωρούν πάντα με τέτοιο τρόπο ώστε η εντροπία του συστήματος και του περιβάλλοντος του να αυξάνεται. Έτσι, η ενέργεια του Σύμπαντος παραμένει σταθερή, αλλά η εντροπία του αυξάνεται συνεχώς.

Θερμότητα και ιδιότητες ουσιών.

Διαφορετικές ουσίες έχουν διαφορετικές ικανότητες αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. αυτό εξαρτάται από τη μοριακή τους δομή και πυκνότητα. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία μιας μονάδας μάζας μιας ουσίας κατά ένα βαθμό ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότητα της. Η θερμοχωρητικότητα εξαρτάται από τις συνθήκες στις οποίες βρίσκεται η ουσία. Για παράδειγμα, για να θερμανθεί ένα γραμμάριο αέρα σε ένα μπαλόνι κατά 1 K, απαιτείται περισσότερη θερμότητα από ό,τι για την ίδια θέρμανση σε ένα σφραγισμένο δοχείο με άκαμπτα τοιχώματα, καθώς μέρος της ενέργειας που μεταδίδεται στο μπαλόνι δαπανάται για την επέκταση του αέρα και όχι στη θέρμανση. Επομένως, συγκεκριμένα, η θερμοχωρητικότητα των αερίων μετράται χωριστά σε σταθερή πίεση και σε σταθερό όγκο.

Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η ένταση της χαοτικής κίνησης των μορίων αυξάνεται - οι περισσότερες ουσίες διαστέλλονται όταν θερμαίνονται. Ο βαθμός διαστολής μιας ουσίας όταν η θερμοκρασία αυξάνεται κατά 1 Κ ονομάζεται συντελεστής θερμικής διαστολής.

Προκειμένου μια ουσία να μετακινηθεί από τη μια φάση στην άλλη, για παράδειγμα από στερεό σε υγρό (και μερικές φορές απευθείας σε αέρια), πρέπει να λάβει μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας. Εάν θερμάνετε ένα στερεό, η θερμοκρασία του θα αυξηθεί μέχρι να αρχίσει να λιώνει. μέχρι να ολοκληρωθεί η τήξη, η θερμοκρασία του σώματος θα παραμείνει σταθερή, παρά την προσθήκη θερμότητας. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την τήξη μιας μονάδας μάζας μιας ουσίας ονομάζεται θερμότητα σύντηξης. Εάν εφαρμόσετε περαιτέρω θερμότητα, η λιωμένη ουσία θα θερμανθεί μέχρι να βράσει. Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την εξάτμιση μιας μονάδας μάζας υγρού σε μια δεδομένη θερμοκρασία ονομάζεται θερμότητα εξάτμισης.

Μοριακή κινητική θεωρία.

Η μοριακή κινητική θεωρία εξηγεί τις μακροσκοπικές ιδιότητες μιας ουσίας εξετάζοντας σε μικροσκοπικό επίπεδο τη συμπεριφορά των ατόμων και των μορίων που συνθέτουν αυτήν την ουσία. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιείται μια στατιστική προσέγγιση και γίνονται κάποιες υποθέσεις σχετικά με τα ίδια τα σωματίδια και τη φύση της κίνησής τους. Έτσι, τα μόρια θεωρούνται συμπαγείς μπάλες, οι οποίες σε αέρια μέσα βρίσκονται σε συνεχή χαοτική κίνηση και καλύπτουν σημαντικές αποστάσεις από τη μια σύγκρουση στην άλλη. Οι συγκρούσεις θεωρούνται ελαστικές και συμβαίνουν μεταξύ σωματιδίων των οποίων το μέγεθος είναι μικρό αλλά ο αριθμός τους είναι πολύ μεγάλος. Κανένα από τα πραγματικά αέρια δεν αντιστοιχεί ακριβώς σε αυτό το μοντέλο, αλλά τα περισσότερα αέρια είναι αρκετά κοντά σε αυτό, γεγονός που καθορίζει την πρακτική αξία της μοριακής κινητικής θεωρίας.

Με βάση αυτές τις ιδέες και χρησιμοποιώντας μια στατιστική προσέγγιση, ο Maxwell εξήγαγε την κατανομή των ταχυτήτων των μορίων αερίου σε περιορισμένο όγκο, ο οποίος αργότερα ονομάστηκε από αυτόν. Αυτή η κατανομή παρουσιάζεται γραφικά στο Σχ. 7 για μια ορισμένη δεδομένη μάζα υδρογόνου σε θερμοκρασίες 100 και 1000 ° C. Ο αριθμός των μορίων που κινούνται με την ταχύτητα που υποδεικνύεται στην τετμημένη απεικονίζεται κατά μήκος του άξονα τεταγμένων. Ο συνολικός αριθμός των σωματιδίων είναι ίσος με το εμβαδόν κάτω από κάθε καμπύλη και είναι ίδιος και στις δύο περιπτώσεις. Το γράφημα δείχνει ότι τα περισσότερα σωματίδια έχουν ταχύτητες κοντά σε κάποια μέση τιμή, και μόνο ένας μικρός αριθμός έχει πολύ υψηλές ή χαμηλές ταχύτητες. Οι μέσες ταχύτητες στις υποδεικνυόμενες θερμοκρασίες βρίσκονται στην περιοχή 2000–3000 m/s, δηλ. πολύ μεγάλο.

Ένας μεγάλος αριθμός τέτοιων ταχέως κινούμενων μορίων αερίου δρα με αρκετά μετρήσιμη δύναμη στα γύρω σώματα. Οι μικροσκοπικές δυνάμεις με τις οποίες πολλά μόρια αερίου χτυπούν τα τοιχώματα του δοχείου αθροίζονται σε μια μακροσκοπική ποσότητα που ονομάζεται πίεση. Όταν παρέχεται ενέργεια σε ένα αέριο (η θερμοκρασία αυξάνεται), η μέση κινητική ενέργεια των μορίων του αυξάνεται, τα σωματίδια αερίου χτυπούν τα τοιχώματα πιο συχνά και πιο δυνατά, η πίεση αυξάνεται και εάν τα τοιχώματα δεν είναι εντελώς άκαμπτα, τότε τεντώνονται και ο όγκος του αερίου αυξάνεται. Έτσι, η μικροσκοπική στατιστική προσέγγιση που βασίζεται στη μοριακή κινητική θεωρία μας επιτρέπει να εξηγήσουμε το φαινόμενο της θερμικής διαστολής που συζητήσαμε.

Ένα άλλο αποτέλεσμα της θεωρίας της μοριακής κινητικής είναι ένας νόμος που περιγράφει τις ιδιότητες ενός αερίου που ικανοποιεί τις απαιτήσεις που αναφέρονται παραπάνω. Αυτή η αποκαλούμενη εξίσωση κατάστασης ιδανικού αερίου συσχετίζει την πίεση, τον όγκο και τη θερμοκρασία ενός mol αερίου και έχει τη μορφή

PV = RT,

Οπου Π- πίεση, V- όγκος, Τ– θερμοκρασία και R– καθολική σταθερά αερίου ίση με (8,31441 ± 0,00026) J/(mol K).

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ.

ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Η μεταφορά θερμότητας είναι η διαδικασία μεταφοράς θερμότητας μέσα σε ένα σώμα ή από το ένα σώμα στο άλλο λόγω διαφορών θερμοκρασίας. Η ένταση της μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται από τις ιδιότητες της ουσίας, τη διαφορά θερμοκρασίας και υπακούει στους πειραματικά καθιερωμένους νόμους της φύσης. Για να δημιουργήσετε αποτελεσματικά συστήματα θέρμανσης ή ψύξης, διάφορους κινητήρες, σταθμούς παραγωγής ενέργειας και συστήματα θερμομόνωσης, πρέπει να γνωρίζετε τις αρχές της μεταφοράς θερμότητας. Σε ορισμένες περιπτώσεις η ανταλλαγή θερμότητας είναι ανεπιθύμητη (θερμομόνωση κλιβάνων τήξης, διαστημόπλοια κ.λπ.), ενώ σε άλλες θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερη (ατμολέβητες, εναλλάκτες θερμότητας, μαγειρικά σκεύη).

Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι μεταφοράς θερμότητας: αγωγιμότητα, συναγωγή και μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας.

Θερμική αγωγιμότητα.

Εάν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μέσα στο σώμα, τότε η θερμική ενέργεια μετακινείται από το θερμότερο μέρος του σώματος στο ψυχρότερο μέρος. Αυτός ο τύπος μεταφοράς θερμότητας, που προκαλείται από θερμικές κινήσεις και συγκρούσεις μορίων, ονομάζεται θερμική αγωγιμότητα. σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες σε στερεά μπορεί να παρατηρηθεί οπτικά. Έτσι, όταν μια χαλύβδινη ράβδος θερμαίνεται από το ένα άκρο στη φλόγα ενός καυστήρα αερίου, η θερμική ενέργεια μεταφέρεται κατά μήκος της ράβδου και μια λάμψη απλώνεται σε μια ορισμένη απόσταση από το θερμαινόμενο άκρο (ολοένα και λιγότερο έντονη με την απόσταση από τον τόπο θέρμανσης ). Η ένταση της μεταφοράς θερμότητας λόγω της θερμικής αγωγιμότητας εξαρτάται από τη βαθμίδα θερμοκρασίας, δηλ. σχέση ΔΤ /ΡΕ x

Οπου διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα της ράβδου στην απόσταση μεταξύ τους. Εξαρτάται επίσης από την περιοχή διατομής της ράβδου (σε m2) και τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του υλικού [στις αντίστοιχες μονάδες W/(mH K)]. Η σχέση μεταξύ αυτών των μεγεθών προήλθε από τον Γάλλο μαθηματικό J. Fourier και έχει την ακόλουθη μορφή: q - ροή θερμότητας,κ ΕΝΑείναι ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας, και

– εμβαδόν διατομής. Αυτή η σχέση ονομάζεται νόμος του Φουριέ της θερμικής αγωγιμότητας. το σύμβολο μείον σε αυτό υποδεικνύει ότι η θερμότητα μεταφέρεται προς την αντίθετη κατεύθυνση από την κλίση θερμοκρασίας.

Ο πίνακας δείχνει τους συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας ορισμένων ουσιών και υλικών. Ο πίνακας δείχνει ότι ορισμένα μέταλλα μεταδίδουν τη θερμότητα πολύ καλύτερα από άλλα, αλλά όλα τους είναι σημαντικά καλύτεροι αγωγοί της θερμότητας από τον αέρα και τα πορώδη υλικά.

ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑ ΟΡΙΣΜΕΝΩΝ ΟΥΣΙΩΝ ΚΑΙ ΥΛΙΚΩΝ
Ουσίες και υλικά	Θερμική αγωγιμότητα, W/(m× K)
μέταλλα
Αλουμίνιο
Μπρούντζος
Βισμούθιο
Βολφράμιο
Σίδερο
Χρυσός
Κάδμιο
Μαγνήσιο
Χαλκός
Αρσενικό
Νικέλιο
Πλατίνα
Υδράργυρος
Μόλυβδος
Ψευδάργυρος
Άλλα υλικά
Αμίαντο
Σκυρόδεμα
Αέρας
Eider κάτω (χαλαρό)
Ξύλο (καρυδιά)
Μαγνησία (MgO)
Πριονίδια
Καουτσούκ (σφουγγάρι)
Μαρμαρυγίας
Ποτήρι
Άνθρακας (γραφίτης)

Η θερμική αγωγιμότητα των μετάλλων οφείλεται σε δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος και στην κίνηση μεγάλου αριθμού ελεύθερων ηλεκτρονίων (μερικές φορές ονομάζονται αέριο ηλεκτρονίων). Η κίνηση των ηλεκτρονίων είναι επίσης υπεύθυνη για την ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων, επομένως δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι οι καλοί αγωγοί της θερμότητας (για παράδειγμα, ο άργυρος ή ο χαλκός) είναι επίσης καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού.

Η θερμική και ηλεκτρική αντίσταση πολλών ουσιών μειώνεται απότομα καθώς η θερμοκρασία πέφτει κάτω από τη θερμοκρασία του υγρού ηλίου (1,8 Κ). Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται υπεραγωγιμότητα, χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της απόδοσης πολλών συσκευών - από συσκευές μικροηλεκτρονικής έως ηλεκτροφόρα καλώδια και μεγάλους ηλεκτρομαγνήτες.

Μεταγωγή.

Όπως έχουμε ήδη πει, όταν παρέχεται θερμότητα σε ένα υγρό ή αέριο, η ένταση της μοριακής κίνησης αυξάνεται και ως αποτέλεσμα αυξάνεται η πίεση. Εάν ένα υγρό ή αέριο δεν είναι περιορισμένο σε όγκο, τότε διαστέλλεται. η τοπική πυκνότητα του υγρού (αερίου) γίνεται μικρότερη και χάρη στις δυνάμεις άνωσης (Αρχιμήδειες), το θερμαινόμενο τμήμα του μέσου κινείται προς τα πάνω (γι' αυτό ο θερμός αέρας στο δωμάτιο ανεβαίνει από τα καλοριφέρ στην οροφή). Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται συναγωγή. Για να μην σπαταλήσετε τη θερμότητα του συστήματος θέρμανσης, πρέπει να χρησιμοποιήσετε σύγχρονες θερμάστρες που παρέχουν αναγκαστική κυκλοφορία αέρα.

Η μεταφορά θερμότητας από τον θερμαντήρα στο θερμαινόμενο μέσο εξαρτάται από την αρχική ταχύτητα κίνησης των μορίων, την πυκνότητα, το ιξώδες, τη θερμική αγωγιμότητα και τη θερμοχωρητικότητα και το μέσο. Το μέγεθος και το σχήμα του θερμαντήρα είναι επίσης πολύ σημαντικά. Η σχέση μεταξύ των αντίστοιχων ποσοτήτων υπακούει στο νόμο του Νεύτωνα

q = hA (T W - T Ґ ),

Οπου διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα της ράβδου στην απόσταση μεταξύ τους. Εξαρτάται επίσης από την περιοχή διατομής της ράβδου (σε m2) και τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του υλικού [στις αντίστοιχες μονάδες W/(mH K)]. Η σχέση μεταξύ αυτών των μεγεθών προήλθε από τον Γάλλο μαθηματικό J. Fourier και έχει την ακόλουθη μορφή:– ροή θερμότητας (μετρούμενη σε watt), ΕΝΑ– επιφάνεια της πηγής θερμότητας (σε m2), T WΚαι ΤҐ – θερμοκρασίες της πηγής και του περιβάλλοντος της (σε Kelvin). Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας ηεξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου, την αρχική ταχύτητα των μορίων του, καθώς και από το σχήμα της πηγής θερμότητας και μετριέται σε μονάδες W/(m 2 H K).

Μέγεθος ηδεν είναι το ίδιο για τις περιπτώσεις που ο αέρας γύρω από τη θερμάστρα είναι ακίνητος (ελεύθερη συναγωγή) και όταν η ίδια θερμάστρα βρίσκεται σε ροή αέρα (αναγκαστική συναγωγή). Σε απλές περιπτώσεις ροής ρευστού μέσω σωλήνα ή ροής γύρω από επίπεδη επιφάνεια, ο συντελεστής ημπορεί να υπολογιστεί θεωρητικά. Ωστόσο, δεν έχει καταστεί ακόμη δυνατό να βρεθεί μια αναλυτική λύση στο πρόβλημα της μεταφοράς για μια τυρβώδη ροή ενός μέσου. Ο στροβιλισμός είναι μια πολύπλοκη κίνηση ενός υγρού (αερίου), χαοτικής σε κλίμακα σημαντικά μεγαλύτερη από τη μοριακή.

Εάν ένα θερμαινόμενο (ή, αντίθετα, ψυχρό) σώμα τοποθετηθεί σε ακίνητο περιβάλλον ή σε ροή, τότε σχηματίζονται συναγωγικά ρεύματα και ένα οριακό στρώμα γύρω του. Η θερμοκρασία, η πίεση και η ταχύτητα κίνησης των μορίων σε αυτό το στρώμα παίζουν σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή.

Η μεταφορά θερμότητας πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό των εναλλάκτη θερμότητας, των συστημάτων κλιματισμού, των αεροσκαφών υψηλής ταχύτητας και πολλών άλλων εφαρμογών. Σε όλα αυτά τα συστήματα, η θερμική αγωγιμότητα εμφανίζεται ταυτόχρονα με τη μεταφορά, τόσο μεταξύ στερεών σωμάτων όσο και στο περιβάλλον τους. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η μεταφορά θερμότητας ακτινοβολίας μπορεί επίσης να παίξει σημαντικό ρόλο.

Μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία.

Ο τρίτος τύπος μεταφοράς θερμότητας - η ακτινοβολούμενη μεταφορά θερμότητας - διαφέρει από τη θερμική αγωγιμότητα και τη μεταφορά θερμότητας στο ότι η θερμότητα σε αυτή την περίπτωση μπορεί να μεταφερθεί μέσω κενού. Η ομοιότητά του με άλλες μεθόδους μεταφοράς θερμότητας είναι ότι προκαλείται επίσης από διαφορές θερμοκρασίας. Η θερμική ακτινοβολία είναι ένα είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Οι άλλοι τύποι του - ραδιοκύματα, υπεριώδης ακτινοβολία και ακτινοβολία γάμμα - προκύπτουν ελλείψει διαφοράς θερμοκρασίας.

Στο Σχ. Το σχήμα 8 δείχνει την εξάρτηση της ενέργειας της θερμικής (υπέρυθρης) ακτινοβολίας από το μήκος κύματος. Η θερμική ακτινοβολία μπορεί να συνοδεύεται από την εκπομπή ορατού φωτός, αλλά η ενέργειά της είναι μικρή σε σύγκριση με την ενέργεια της ακτινοβολίας από το αόρατο τμήμα του φάσματος.

Η ένταση της μεταφοράς θερμότητας μέσω αγωγιμότητας και συναγωγής είναι ανάλογη της θερμοκρασίας και η ακτινοβολούμενη ροή θερμότητας είναι ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της θερμοκρασίας και υπακούει στο νόμο Stefan-Boltzmann

όπου, όπως πριν, διαφορά θερμοκρασίας στα άκρα της ράβδου στην απόσταση μεταξύ τους. Εξαρτάται επίσης από την περιοχή διατομής της ράβδου (σε m2) και τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας του υλικού [στις αντίστοιχες μονάδες W/(mH K)]. Η σχέση μεταξύ αυτών των μεγεθών προήλθε από τον Γάλλο μαθηματικό J. Fourier και έχει την ακόλουθη μορφή:– ροή θερμότητας (σε joules ανά δευτερόλεπτο, δηλαδή σε W), ΕΝΑείναι η επιφάνεια του σώματος που ακτινοβολεί (σε m2) και Τ 1 και Τ 2 – θερμοκρασίες (σε Kelvin) του σώματος που ακτινοβολεί και του περιβάλλοντος που απορροφά αυτή την ακτινοβολία. Συντελεστής μικρόονομάζεται σταθερά Stefan–Boltzmann και ισούται με (5,66961 ± 0,00096) H 10 –8 W/(m 2 H K 4).

Ο παρουσιαζόμενος νόμος της θερμικής ακτινοβολίας ισχύει μόνο για έναν ιδανικό εκπομπό - το λεγόμενο απολύτως μαύρο σώμα. Κανένα πραγματικό σώμα δεν είναι τέτοιο, αν και μια επίπεδη μαύρη επιφάνεια στις ιδιότητές της προσεγγίζει ένα απολύτως μαύρο σώμα. Οι ελαφριές επιφάνειες εκπέμπουν σχετικά ασθενώς. Για να ληφθεί υπόψη η απόκλιση από την ιδεατότητα πολλών «γκρίζων» σωμάτων, εισάγεται στη δεξιά πλευρά της έκφρασης που περιγράφει το νόμο Stefan-Boltzmann ένας συντελεστής μικρότερος από τη μονάδα, που ονομάζεται εκπομπή. Για μια επίπεδη μαύρη επιφάνεια αυτός ο συντελεστής μπορεί να φτάσει το 0,98 και για έναν γυαλισμένο μεταλλικό καθρέφτη δεν υπερβαίνει το 0,05. Αντίστοιχα, η ικανότητα απορρόφησης ακτινοβολίας είναι υψηλή για ένα μαύρο σώμα και χαμηλή για ένα σώμα καθρέφτη.

Οι χώροι κατοικιών και γραφείων συχνά θερμαίνονται με μικρούς ηλεκτρικούς εκπομπούς θερμότητας. η κοκκινωπή λάμψη των σπειρών τους είναι ορατή θερμική ακτινοβολία, κοντά στην άκρη του υπέρυθρου τμήματος του φάσματος. Το δωμάτιο θερμαίνεται με θερμότητα, η οποία μεταφέρεται κυρίως από το αόρατο, υπέρυθρο τμήμα της ακτινοβολίας. Οι συσκευές νυχτερινής όρασης χρησιμοποιούν μια πηγή θερμικής ακτινοβολίας και έναν δέκτη ευαίσθητο στο υπέρυθρο για να επιτρέπουν την όραση στο σκοτάδι.

Ο Ήλιος είναι ένας ισχυρός εκπομπός θερμικής ενέργειας. θερμαίνει τη Γη ακόμα και σε απόσταση 150 εκατομμυρίων χλμ. Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που καταγράφεται χρόνο με το χρόνο από σταθμούς που βρίσκονται σε πολλά μέρη του πλανήτη είναι περίπου 1,37 W/m2. Η ηλιακή ενέργεια είναι η πηγή της ζωής στη Γη. Η αναζήτηση τρόπων για την πιο αποτελεσματική χρήση του βρίσκεται σε εξέλιξη. Οι ηλιακοί συλλέκτες έχουν δημιουργηθεί για τη θέρμανση των σπιτιών και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για οικιακές ανάγκες.

Ο ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ Η ΧΡΗΣΗ ΤΗΣ

Η μεταφορά θερμότητας (λόγω θερμικής αγωγιμότητας) από τον λιωμένο πυρήνα της Γης στην επιφάνειά της οδηγεί σε ηφαιστειακές εκρήξεις και στην εμφάνιση θερμοπίδακες. Σε ορισμένες περιοχές, η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται για τη θέρμανση χώρων και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Η θερμότητα είναι απαραίτητος συμμετέχων σε όλες σχεδόν τις παραγωγικές διαδικασίες. Ας αναφέρουμε τα πιο σημαντικά από αυτά, όπως η τήξη και η επεξεργασία μετάλλων, η λειτουργία του κινητήρα, η παραγωγή τροφίμων, η χημική σύνθεση, η διύλιση λαδιού και η κατασκευή μεγάλης ποικιλίας ειδών - από τούβλα και πιάτα μέχρι αυτοκίνητα και ηλεκτρονικές συσκευές.

Πολλές βιομηχανικές παραγωγές και μεταφορές, καθώς και θερμοηλεκτρικοί σταθμοί, δεν θα μπορούσαν να λειτουργήσουν χωρίς θερμικές μηχανές - συσκευές που μετατρέπουν τη θερμότητα σε χρήσιμη εργασία. Παραδείγματα τέτοιων μηχανών περιλαμβάνουν συμπιεστές, τουρμπίνες, ατμούς, βενζινοκινητήρες και κινητήρες αεριωθούμενου αέρα.

Μία από τις πιο διάσημες θερμικές μηχανές είναι ο ατμοστρόβιλος, ο οποίος υλοποιεί μέρος του κύκλου Rankine που χρησιμοποιείται σε σύγχρονους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Ένα απλοποιημένο διάγραμμα αυτού του κύκλου φαίνεται στο Σχ. 9. Το ρευστό εργασίας - νερό - μετατρέπεται σε υπέρθερμο ατμό σε ατμολέβητα, που θερμαίνεται με την καύση ορυκτών καυσίμων (άνθρακας, πετρέλαιο ή φυσικό αέριο). Ο ατμός υψηλής πίεσης περιστρέφει τον άξονα ενός ατμοστρόβιλου, ο οποίος κινεί μια γεννήτρια που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Ο ατμός της εξάτμισης συμπυκνώνεται όταν ψύχεται από τρεχούμενο νερό, το οποίο απορροφά μέρος της θερμότητας που δεν χρησιμοποιείται στον κύκλο Rankine. Στη συνέχεια, το νερό τροφοδοτείται στον πύργο ψύξης, από όπου μέρος της θερμότητας απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Το συμπύκνωμα επιστρέφεται στον λέβητα ατμού χρησιμοποιώντας μια αντλία και ολόκληρος ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

Όλες οι διεργασίες στον κύκλο Rankine απεικονίζουν τις αρχές της θερμοδυναμικής που περιγράφονται παραπάνω. Ειδικότερα, σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, μέρος της ενέργειας που καταναλώνεται από ένα εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής πρέπει να διαχέεται στο περιβάλλον με τη μορφή θερμότητας. Αποδεικνύεται ότι περίπου το 68% της ενέργειας που περιέχεται αρχικά στα ορυκτά καύσιμα χάνεται με αυτόν τον τρόπο. Μια αισθητή αύξηση της απόδοσης ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής θα μπορούσε να επιτευχθεί μόνο με την αύξηση της θερμοκρασίας του ατμολέβητα (η οποία περιορίζεται από τη θερμική αντίσταση των υλικών) ή τη μείωση της θερμοκρασίας του μέσου όπου πηγαίνει η θερμότητα, δηλ. ατμόσφαιρα.

Ένας άλλος θερμοδυναμικός κύκλος που έχει μεγάλη σημασία στην καθημερινή μας ζωή είναι ο κύκλος ψύξης του συμπιεστή ατμών Rankine, το διάγραμμα του οποίου φαίνεται στο Σχ. 10. Στα ψυγεία και τα οικιακά κλιματιστικά, η ενέργεια για την παροχή του παρέχεται από το εξωτερικό. Ο συμπιεστής αυξάνει τη θερμοκρασία και την πίεση της ουσίας εργασίας του ψυγείου - φρέον, αμμωνία ή διοξείδιο του άνθρακα. Το υπερθερμασμένο αέριο τροφοδοτείται στον συμπυκνωτή, όπου ψύχεται και συμπυκνώνεται, απελευθερώνοντας θερμότητα στο περιβάλλον. Το υγρό που βγαίνει από τους σωλήνες του συμπυκνωτή περνά μέσω της βαλβίδας στραγγαλισμού στον εξατμιστή και μέρος του εξατμίζεται, το οποίο συνοδεύεται από απότομη πτώση της θερμοκρασίας. Ο εξατμιστής παίρνει θερμότητα από τον θάλαμο του ψυγείου, ο οποίος θερμαίνει το υγρό εργασίας στους σωλήνες. Αυτό το υγρό παρέχεται από τον συμπιεστή στον συμπυκνωτή και ο κύκλος επαναλαμβάνεται ξανά.

Ο κύκλος ψύξης που φαίνεται στο Σχ. 10, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε αντλία θερμότητας. Τέτοιες αντλίες θερμότητας το καλοκαίρι εκπέμπουν θερμότητα στον ζεστό ατμοσφαιρικό αέρα και φροντίζουν το δωμάτιο, και το χειμώνα, αντίθετα, παίρνουν θερμότητα από τον κρύο αέρα και θερμαίνουν το δωμάτιο.

Οι πυρηνικές αντιδράσεις αποτελούν σημαντική πηγή θερμότητας για σκοπούς όπως η παραγωγή ενέργειας και η μεταφορά. Το 1905 ο Α. Αϊνστάιν έδειξε ότι η μάζα και η ενέργεια σχετίζονται με τη σχέση E=mc 2, δηλ. μπορούν να μεταμορφωθούν το ένα στο άλλο. Ταχύτητα φωτός ντοπολύ υψηλό: 300 χιλιάδες km/s. Αυτό σημαίνει ότι ακόμη και μια μικρή ποσότητα μιας ουσίας μπορεί να προσφέρει τεράστια ποσότητα ενέργειας. Έτσι, από 1 κιλό σχάσιμου υλικού (για παράδειγμα, ουράνιο), είναι θεωρητικά δυνατό να ληφθεί η ενέργεια που παρέχει μια μονάδα παραγωγής ενέργειας 1 MW σε 1000 ημέρες συνεχούς λειτουργίας.

ΣΧΕΣΕΙΣ ΜΕΤΑΞΥ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΜΟΝΑΔΩΝ

Πίνακες μετατροπών για φυσικές ποσότητες.

Ενέργεια, θερμότητα, δουλειά

Επανυπολογισμός
			kWh	kgf m	kcal
	1 kWh
	1 kgf m
	1 kcal

Πίεση

Επανυπολογισμός
		Pa (Πασκάλ)	Μπαρ (Μπαρ)	mmHg Τέχνη. (χιλιοστά υδραργύρου)	mm νερό Τέχνη. (mm στήλη νερού)	kgf/cm 2 (τεχνικό κλίμα)	ΑΤΜ (φυσική ατμόσφαιρα)
	1 μπαρ
	1 mmHg Τέχνη.
	1 mm νερό. Τέχνη.
	1 kgf/cm 2
	1 atm

Πίεσηείναι ένα φυσικό μέγεθος ίσο με τον λόγο του συντελεστή της δύναμης που ενεργεί κάθετα στην επιφάνεια προς το εμβαδόν της επιφάνειας. Η μονάδα πίεσης είναι το pascal (Pa), ίση με την πίεση που παράγεται από δύναμη 1 newton ανά περιοχή 1 τετραγωνικού μέτρου. Όλα τα υγρά και τα αέρια μεταδίδουν την πίεση που τους ασκείται προς όλες τις κατευθύνσεις (νόμος Πασκάλ).
Όλα τα σώματα που βρίσκονται στην επιφάνεια της γης βιώνουν την ίδια πίεση από την ατμόσφαιρα της γης σε όλες τις πλευρές - ατμοσφαιρική πίεση. Σε κάθε σημείο της ατμόσφαιρας αυτή η πίεση είναι ίση με το βάρος της υπερκείμενης στήλης αέρα. μειώνεται με το ύψος. Η μέση ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας είναι ισοδύναμη με πίεση 760 mmHg. Τέχνη. (1013,25 hPa). Εκτός από την ατμοσφαιρική πίεση, γίνεται διάκριση μεταξύ απόλυτης και υπερβολικής πίεσης. Απόλυτη είναι η συνολική πίεση, λαμβάνοντας υπόψη την ατμοσφαιρική πίεση, μετρούμενη από το απόλυτο μηδέν. Η υπερβολική πίεση ονομάζεται πίεση πάνω από την ατμοσφαιρική, ίση με τη διαφορά μεταξύ απόλυτης και ατμοσφαιρικής πίεσης. Η υπερβολική πίεση μετριέται από ένα συμβατικό μηδέν, το οποίο λαμβάνεται ως ατμοσφαιρική πίεση. Η απόλυτη πίεση μικρότερη από την ατμοσφαιρική ονομάζεται αραίωση ή κενό. Με άλλα λόγια, το κενό ισούται με τη διαφορά μεταξύ ατμοσφαιρικής και απόλυτης πίεσης.
Τα μετρητές πίεσης χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της υπερβολικής πίεσης αερίου, ατμού και υγρού. χαμηλής πίεσης και κενού - μετρητές πίεσης και μετρητές ρεύματος. κενού - μετρητές κενού? μετρητές πίεσης και κενού - ώσης και μετρητές πίεσης και κενού.

Θερμοκρασία

Θερμοκρασίαείναι ένα φυσικό μέγεθος που χαρακτηρίζει το βαθμό θέρμανσης των σωμάτων. Είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας της μεταφορικής κίνησης των μορίων. Όσο μεγαλύτερη είναι η μέση ταχύτητα της μοριακής κίνησης, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του σώματος.
Η έννοια της θερμοκρασίας συνδέεται επίσης με την ικανότητα των σωμάτων με υψηλότερη θερμοκρασία να μεταφέρουν τη θερμότητά τους σε σώματα με χαμηλότερη θερμοκρασία έως ότου αυτές οι θερμοκρασίες γίνουν ίσες. Ταυτόχρονα με τις αλλαγές στη θερμοκρασία των σωμάτων, οι φυσικές τους ιδιότητες μπορούν να αλλάξουν.
Οι συσκευές για τη μέτρηση της θερμοκρασίας χωρίζονται ανάλογα με τη μέθοδο που χρησιμοποιείται ως βάση για το σχεδιασμό τους: επαφή (όταν η συσκευή μέτρησης έρχεται σε επαφή με το υπό μέτρηση μέσο) ή μη επαφή. Τα όργανα που βασίζονται στη μέθοδο μέτρησης επαφής περιλαμβάνουν θερμόμετρα υγρού γυαλιού, μανομετρικά θερμόμετρα, θερμοηλεκτρικά θερμόμετρα (θερμοζεύγη) και θερμικούς μετατροπείς αντίστασης. Τα όργανα που βασίζονται στη μέθοδο χωρίς επαφή περιλαμβάνουν πυρόμετρα ακτινοβολίας.

Αναλογία μονάδων

Μήκος
1 ίντσα			1 χιλιοστό	0,03937 ίντσες
1 πόδι			1 εκατοστό	0,3937 ίντσες
1 αυλή			1 δεκατόμετρο	0,3281 πόδια
1ο είδος			1 μέτρο	3.281 πόδια
1 αλυσίδα			1 μέτρο	1.094 γιάρδες
1 Furlong				10,94 γιάρδες
1 μίλι			1 χιλιόμετρο	0,6214 μίλια
1 ναυτικό μίλι			1 χιλιόμετρο	0,539 ναυτικά μίλια

Πλατεία
1 τετρ. ίντσα	6.4516 τ. εκ		1 τετρ. εκατοστόμετρο	0,1550 τ. ίντσες
1 τετρ. πόδι	929,03 τ. εκ		1 τετρ. μέτρο	1.550 τ. ίντσες
1 τετρ. αυλή	0,8361 τετρ. m			119,60 τ. αυλή
1 στρέμμα	4046,9 τ. m		1 εκτάριο	2.4711 στρέμματα
1 τετρ. μίλι			1 τετρ. χιλιόμετρο	0,3861 τετρ. μίλια

Τόμος
1 κυβ. ίντσα	16.387 κ.μ. εκ		1 κυβ. εκατοστόμετρο	0,061 κ.μ. ίντσες
1 cu. πόδι	0,0283 κ.εκ m		1 cu. δέκατο μέτρου	0,035 κυβ. πόδια
1 cu. αυλή	0,7646 κ.μ. m		1 cu. μέτρο	1.308 κ.μ. αυλή

Μέτρα χύδην στερεών και υγρών

Πίνακες μετατροπών για φυσικές ποσότητες

Οι πίνακες σας επιτρέπουν να μετατρέψετε φυσικές ποσότητες - μετρικές, SI, που χρησιμοποιούνται στις ΗΠΑ και τη Μεγάλη Βρετανία. Όλοι οι πίνακες χρησιμοποιούν πολλαπλασιασμό.

ΜΗΚΟΣ

Τραπέζι 1. Μετρικό σύστημα, λόγος μονάδων μήκους

Επανυπολογισμός
		angstrom (ΕΝΑ)	νανόμετρο (nm, nm)	μικρόν (mkm, μm)	χιλιοστόμετρο (mm, mm)	εκατοστόμετρο (cm, cm)	δέκατο μέτρου (dm, dm)	μέτρο (m, m)	χιλιόμετρο (χλμ, χλμ.)
	μέτρο (m, m)

Τραπέζι 2. Βρετανικά και αμερικανικά συστήματα, αναλογία μονάδων μήκους

Επανυπολογισμός
		σύνδεσμος	μίλι (ml)	γένος (ο)	αυλή (yd)	πόδι (ft)	σύνδεσμος	ίντσα	γραμμή
	μίλι (μίλια)

Τραπέζι 3. Μετατροπή μονάδων μήκους από το βρετανικό - αμερικανικό σύστημα στο σύστημα Metric

Επανυπολογισμός
		angstrom (ΕΝΑ)	νανόμετρο (nm, nm)	μικρόν (mkm, μm)	χιλιοστόμετρο (mm, mm)	εκατοστόμετρο (cm, cm)	δέκατο μέτρου (dm, dm)	μέτρο (m, m)	χιλιόμετρο (χλμ, χλμ.)
	σύνδεσμος
	μίλι (μίλια)
	γένος (ο)
	αυλή (yd)
	πόδι (ft)
	σύνδεσμος
	ίντσα
	γραμμή

ΠΛΑΤΕΙΑ

Τραπέζι 4. Μετατροπή μονάδων επιφάνειας

Επανυπολογισμός
					ίντσα 2	πόδια 2	αυλή 2		μίλι 2
	ίντσα 2
	πόδια 2
	αυλή 2
	μίλι 2

ΒΑΡΟΣ

Τραπέζι 5. Μετατροπή μονάδων μάζας

Επανυπολογισμός
			τόνος	λίβρα.	αγγλικός cwt	αγγλικός τόνος	Amer. cwt	Amer. τόνος
	τόνος
	λίβρα.
	αγγλικός cwt
	αγγλικός τόνος
	Amer. cwt
	Amer. τόνος

ΤΟΜΟΣ

Τραπέζι 6. Μετατροπή μονάδων όγκου

Επανυπολογισμός
				λίτρο (dm 3)	ίντσα 3	πόδια 3	αυλή 3	Ηνωμένο Βασίλειο πίντα	γαλόνι Ηνωμένου Βασιλείου	ΜΑΣ πίντα	ΜΑΣ γαλόνι
	λίτρο (dm 3)
	ίντσα 3
	πόδια 3
	αυλή 3	764555	0.764555	764.555	46656	27	1	1345.429	168.1784	1615.793	201.974
	βρετανική πίντα	568.261	0.0005683	0.568261	34.6774	0.020068	0.000743	1	0.125	1.20095	0.150119
	γαλόνι Ηνωμένου Βασιλείου	4546.09	0.0045461	4.54609	277.42	0.160544	0.005946	8	1	9.6076	1.20095
	Πίντα ΗΠΑ	473.176	0.0004732	0.473176	28.875	0.01671	0.000619	0.832674	0.104084	1	0.125
	γαλόνι ΗΠΑ	3785.41	0.0037854	3.785411	231	0.133681	0.004951	6.661392	0.832674	8	1

ΠΙΕΣΗ

Τραπέζι 7. Μετατροπή μονάδων πίεσης

Επανυπολογισμός
			mmHg	mbar		πασκάλ	στήλη νερού ίντσας	ίντσα Hg
	mmHg
	mbar
	πασκάλ