Varme

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 13. oktober 2022; verifikation kræver 1 redigering .

Den indre energi i et termodynamisk system kan ændre sig på to måder: ved at udføre arbejde på systemet og ved varmeveksling med omgivelserne. Den energi, som et system (krop) modtager eller mister i processen med varmeudveksling med omgivelserne, kaldes mængden af varme eller blot varme [1] . Varme er en af de grundlæggende termodynamiske størrelser i klassisk fænomenologisk termodynamik . Mængden af varme er inkluderet i de matematiske standardformuleringer af termodynamikkens første og anden lov.

For at ændre systemets indre energi gennem varmeoverførsel er det også nødvendigt at udføre arbejde. Dette er dog ikke mekanisk arbejde, som er forbundet med forskydningen af grænsen for det makroskopiske system. På det mikroskopiske niveau udføres dette arbejde af kræfter, der virker mellem molekyler ved kontaktgrænsen af en varmere krop med en mindre opvarmet. Faktisk overføres energi under varmeoverførsel gennem elektromagnetisk interaktion under kollisioner af molekyler. Derfor, set fra molekylær-kinetisk teoris synspunkt, manifesteres forskellen mellem arbejde og varme kun i det faktum, at udførelsen af mekanisk arbejde kræver den ordnede bevægelse af molekyler på makroskopiske skalaer, mens overførsel af energi fra et varmere legeme til en mindre opvarmet kræver ikke dette.

Energi kan også overføres ved stråling fra en krop til en anden og uden deres direkte kontakt.

Mængden af varme er ikke en tilstandsfunktion , og mængden af varme, der modtages af systemet i enhver proces, afhænger af den måde, hvorpå den blev overført fra den oprindelige tilstand til den endelige.

Måleenheden i det internationale system af enheder (SI) er joule . Kalorien bruges også som måleenhed for varme . I Den Russiske Føderation er kalorien godkendt til brug som en off-system enhed uden tidsbegrænsning inden for rammerne af "industri" [2] .

Definition

Mængden af varme indgår i den matematiske formulering af termodynamikkens første lov, som kan skrives som . Her er mængden af varme, der overføres til systemet, er ændringen i systemets indre energi, og er det arbejde, systemet udfører. Den korrekte definition af varme bør dog angive metoden til dens eksperimentelle måling, uanset den første lov. Da varme er den energi, der overføres under varmevekslingen, er der behov for en test-kalorimetrisk krop for at måle mængden af varme. Ved at ændre testlegemets indre energi kan man bedømme mængden af varme, der overføres fra systemet til testlegemet, og derved eksperimentelt verificere gyldigheden af den første lov ved selvstændigt at måle alle tre størrelser, der indgår i den: arbejde, intern energi og varme. Hvis man i fænomenologisk termodynamik ikke angiver en metode til selvstændig måling af mængden af varme ved hjælp af et kalorimetrisk legeme, så mister den første lov betydningen af en meningsfuld fysisk lov og bliver til en tautologisk definition af mængden af varme. $Q=\Delta U+A$ $Q$ $\Delta U$ $EN$

En sådan måling kan udføres på følgende måde. Antag, at i et system bestående af to legemer og indesluttet i en adiabatisk skal, er legemet (testen) adskilt fra legemet af en stiv, men varmeledende skal. Så er den ikke i stand til at udføre makroskopisk arbejde , men kan udveksle energi gennem varmeveksling med kroppen . Antag, at kroppen kan udføre mekanisk arbejde, men da hele systemet er adiabatisk isoleret, kan det kun udveksle varme med kroppen . Mængden af varme , der overføres til kroppen i en eller anden proces, er værdien , hvor er ændringen i kroppens indre energi . Ifølge loven om bevarelse af energi er det samlede arbejde udført af systemet lig med tabet af den samlede indre energi i systemet af to kroppe: , hvor er det makroskopiske arbejde udført af kroppen , som tillader os at skrive dette forhold som udtryk for termodynamikkens første lov :. $x$ $Y$ $Y$ $x$ $x$ $x$ $Y$ $x$ $Q_{X}=-\Delta U_{Y}$ $\Delta U_{Y}$ $Y$ ${\displaystyle A=-\Delta U_{x}-\Delta U_{y))$ $EN$ $x$ ${\displaystyle Q=A+\Delta U_{x))$

Mængden af varme introduceret i fænomenologisk termodynamik kan således måles ved hjælp af et kalorimetrisk legeme (hvis ændringen i den indre energi kan bedømmes ud fra indikationen af det tilsvarende makroskopiske instrument). Rigtigheden af den indførte definition af mængden af varme følger af termodynamikkens første lov, det vil sige uafhængigheden af den tilsvarende mængde fra valget af et testlegeme og metoden til varmeudveksling mellem legemer. Med sådan en definition af varmemængden bliver den første lov en meningsfuld lov, der tillader direkte eksperimentel verifikation, derudover kan der opnås mange konsekvenser af den, som også verificeres i forsøget [3] . $Y$

Clausius ulighed. Entropi

Lad os antage, at det undersøgte legeme kun kan udveksle varme med uendelige termiske reservoirer, hvis indre energi er så stor, at temperaturen for hver af dem under den betragtede proces forbliver strengt konstant. Lad os antage, at en vilkårlig cirkulær proces er blevet udført på kroppen, det vil sige, at i slutningen af processen er den i absolut samme tilstand som i begyndelsen. Lad på samme tid for hele processen det lånte fra i-te reservoir, placeret ved en temperatur , mængden af varme . Så er følgende Clausius ulighed sand : $N$ $T_{i}$ $Q_{i}$

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

Her betegner en cirkulær proces. I det generelle tilfælde af varmeveksling med et medium med variabel temperatur tager uligheden formen $\cirk$

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

Her er mængden af varme, der overføres af en del af mediet med en (konstant) temperatur . Denne ulighed er gældende for enhver proces, der udføres på en krop. I et særligt tilfælde af en kvasistatisk proces bliver det en lighed. Matematisk betyder det, at man for kvasistatiske processer kan indføre en tilstandsfunktion kaldet entropi , for hvilken $\deltaQ(T)$ $T$

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

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

Her er den absolutte temperatur på det eksterne varmereservoir. I denne forstand er det en integrerende faktor for mængden af varme, ved at multiplicere med hvilken den totale differential af tilstandsfunktionen opnås. $T$ ${\frac {1}{T}}$

For ikke-kvasistatiske processer virker denne definition af entropi ikke. For eksempel under den adiabatiske udvidelse af en gas til et vakuum

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

dog stiger entropien i dette tilfælde, hvilket er let at verificere ved at overføre systemet til starttilstanden kvasi-statisk og bruge Clausius-uligheden. Derudover er entropi (i den angivne betydning) ikke defineret for ikke- ligevægtstilstande i et system, selvom et system i mange tilfælde kan anses for at være i lokal ligevægt og have en vis entropifordeling.

Latent og opfattet varme

Den indre energi i et system, hvor faseovergange eller kemiske reaktioner er mulige, kan ændre sig selv uden en ændring i temperaturen. For eksempel bruges den energi, der overføres til et system, hvor flydende vand er i ligevægt med is ved nul grader celsius, på at smelte isen, men temperaturen forbliver konstant, indtil al isen er blevet til vand. Denne metode til energioverførsel kaldes traditionelt for "latent" eller isotermisk varme [4] ( eng. latent varme ), i modsætning til "eksplicit", "filt" eller ikke-isotermisk varme ( eng. sensible heat ), som betyder processen at overføre energi til systemet , som et resultat af hvilket kun systemets temperatur ændres, men ikke dets sammensætning.

Fasevarmetransformation

Den energi, der kræves til en faseovergang pr. masseenhed af et stof, kaldes den specifikke varme ved fasetransformation [5] . I overensstemmelse med den fysiske proces, der finder sted under en fasetransformation, kan de frigive fusionsvarme, fordampningsvarme, sublimationsvarme (sublimation), rekrystallisationsvarme osv. Fasetransformationer sker med en brat ændring i entropi, som er ledsaget af frigivelse eller absorption af varme, på trods af temperaturkonstans.

På begreberne "varme", "varmemængde", "termisk energi"

Mange termodynamiske begreber opstod i forbindelse med den forældede teori om kalorie, som forlod scenen efter afklaringen af termodynamikkens molekylær-kinetiske grundlag. Siden er de blevet brugt i både videnskabeligt og dagligdags sprog. Selvom varme i streng forstand er en af måderne at overføre energi på, og kun mængden af energi, der overføres til systemet har fysisk betydning, er ordet "varme" inkluderet i så veletablerede videnskabelige begreber som varmeflux, varmekapacitet , faseovergangsvarme, varme fra en kemisk reaktion, termisk ledningsevne osv. Derfor, hvor en sådan ordbrug ikke er vildledende, er begreberne "varme" og "varmemængde" synonyme [6] . Disse udtryk kan dog kun bruges på betingelse af, at de giver en nøjagtig definition, der ikke er relateret til ideerne i teorien om kalorieindhold, og i intet tilfælde kan "mængden af varme" tilskrives antallet af originale begreber, der gør kræver ikke en definition [7] . Derfor præciserer nogle forfattere, at for at undgå fejl i teorien om kalorieindhold, skal begrebet "varme" forstås præcist som metoden til energioverførsel, og mængden af energi, der overføres ved denne metode, er angivet med begrebet " varmemængde” [8] . Det anbefales at undgå et sådant udtryk som "termisk energi", som i betydning falder sammen med indre energi [9] .

Noter

↑ Sivukhin, 2005 , s. 57.
↑ Forordninger om mængdeenheder, der er tilladt til brug i Den Russiske Føderation. Godkendt ved dekret fra Den Russiske Føderations regering af 31. oktober 2009 nr. 879. (utilgængeligt link) . Dato for adgang: 16. februar 2014. Arkiveret fra originalen 2. november 2013. (ubestemt)
↑ Sivukhin, 2005 , s. 58.
↑ Putilov, 1971 , s. 49.
↑ Sivukhin, 2005 , s. 442.
↑ Varme / Myakishev G. Ya. // Strunino - Tikhoretsk. - M . : Soviet Encyclopedia, 1976. - ( Great Soviet Encyclopedia : [i 30 bind] / chefredaktør A. M. Prokhorov ; 1969-1978, bind 25).
↑ Sivukhin, 2005 , s. 13.
↑ Bazarov, 1991 , s. 25.
↑ Sivukhin, 2005 , s. 61.

Litteratur

Bazarov I.P. Termodynamik. - M . : Højere skole, 1991. - 376 s.
Putilov K. A. Termodynamik. — M .: Nauka, 1971. — 375 s.
Sivukhin DV Almen kursus i fysik. - T. II. Termodynamik og molekylær fysik. - 5. udg., Rev. - M . : Fizmatlit, 2005. - 544 s. - ISBN 5-9221-0601-5 .