Физикада «жылу» түсінігі жылу энергиясын әртүрлі денелер арасында тасымалдаумен байланысты. Осы процестердің арқасында денелердің қызуы мен салқындауы, сондай-ақ олардың агрегаттық күйлерінің өзгеруі орын алады. Жылу дегеніміз не деген сұрақты толығырақ қарастырайық.
Тұжырымдама
Жылу дегеніміз не? Әрбір адам бұл сұраққа күнделікті көзқараспен жауап бере алады, яғни қарастырылып отырған тұжырымдама бойынша қоршаған ортаның температурасы көтерілген кездегі сезімдер. Физикада бұл құбылыс денені құрайтын молекулалар мен атомдардың ретсіз қозғалысының қарқындылығының өзгеруімен байланысты энергияның берілу процесі ретінде түсініледі.
Жалпы, дене температурасы неғұрлым жоғары болса, онда ішкі энергия соғұрлым көп сақталады, соғұрлым ол басқа заттарға көбірек жылу бере алады деп айта аламыз.
Жылу және температура
Жылу дегеніміз не деген сұрақтың жауабын біле отырып, көпшілік бұл ұғымды «температура» ұғымына ұқсас деп ойлауы мүмкін, бірақ олай емес. Жылу – кинетикалық энергия, температура – мұның өлшеміэнергия. Сонымен, жылу алмасу процесі заттың массасына, оны құрайтын бөлшектердің санына, сондай-ақ осы бөлшектердің түріне және олардың қозғалысының орташа жылдамдығына байланысты. Өз кезегінде температура тізімдегі соңғы параметрлерге ғана байланысты.
Қарапайым тәжірибе жүргізсеңіз, жылу мен температура арасындағы айырмашылықты түсіну оңай: бір ыдысқа, екіншісіне жартысы ғана толғандай етіп екі ыдысқа су құю керек. Екі ыдысты да отқа қойып, қай жерде су аз болса, сол ыдыстың бірінші қайнайтынын байқауға болады. Екінші ыдыс қайнауы үшін оған оттан тағы біраз жылу қажет болады. Екі ыдыс қайнап жатқанда, олардың температурасын өлшеуге болады, ол бірдей болады (100 oC), бірақ суды қайнату үшін толы ыдыс үшін көбірек жылу қажет болды.
Жылу бірліктері
Физикадағы жылудың анықтамасына сәйкес, ол энергия немесе жұмыс сияқты бірліктермен, яғни джоульмен (Дж) өлшенетінін болжауға болады. Жылудың негізгі бірлігінен басқа, күнделікті өмірде калория (ккал) туралы жиі естуге болады. Бұл ұғым бір грамм суға оның температурасы 1 келвинге (К) көтерілуі үшін берілуі қажет жылу мөлшері ретінде түсініледі. Бір калория 4,184 Дж-ға тең. Сондай-ақ, сәйкесінше 1 ккал және 1 кал болатын үлкен және кіші калориялар туралы ести аласыз.
Жылу сыйымдылығы туралы түсінік
Жылу деген не екенін біле отырып, оны тікелей сипаттайтын физикалық шаманы – жылу сыйымдылығын қарастырайық. Осы тұжырымдама бойынша,физика температурасы 1 келвинге (К) өзгеруі үшін денеге берілуі немесе денеден алынуы тиіс жылу мөлшерін білдіреді.
Нақты дененің жылу сыйымдылығы 2 негізгі факторға байланысты:
- дене көрсетілген химиялық құрамы мен агрегаттық күйі туралы;
- оның массасы.
Бұл сипаттаманы заттың массасына тәуелсіз ету үшін жылу физикасына тағы бір шама – берілген дененің 1 кг-ға тасымалдайтын немесе қабылдаған жылу мөлшерін анықтайтын меншікті жылу сыйымдылығы енгізілді. температура 1 К өзгергендегі оның массасы.
Әртүрлі заттардың меншікті жылу сыйымдылықтарының айырмашылығын анық көрсету үшін, мысалы, 1 г су, 1 г темір және 1 г күнбағыс майын алып, оларды қыздырыңыз. Температура ең жылдам темір үлгісі үшін өзгереді, содан кейін майдың түсуі үшін және су үшін сақталады.
Меншікті жылу сыйымдылығы заттың химиялық құрамына ғана емес, сонымен бірге оның агрегаттық күйіне, сондай-ақ ол қарастырылатын сыртқы физикалық жағдайларға (тұрақты қысым немесе тұрақты көлем) байланысты екенін ескеріңіз..
Жылу алмасу процесінің негізгі теңдеуі
Жылу дегеніміз не деген сұрақты қарастыра отырып, кез келген агрегаттық күйдегі абсолютті кез келген денелер үшін оның берілу процесін сипаттайтын негізгі математикалық өрнекті беру керек. Бұл өрнектің пішіні бар: Q=cmΔT, мұнда Q - берілген (қабылданған) жылу мөлшері, c - қарастырылып отырған объектінің меншікті жылуы, m -оның массасы, ΔT – абсолютті температураның өзгеруі, ол жылу алмасу процесінің соңындағы және басындағы дене температурасының айырмашылығы ретінде анықталады.
Қарастырылып отырған процесс барысында объект өзінің агрегаттық күйін сақтаған кезде, яғни сұйық, қатты немесе газ күйінде қалған кезде жоғарыда аталған формула әрқашан жарамды болатынын түсіну маңызды. Әйтпесе, теңдеуді пайдалану мүмкін емес.
Заттың біріктіру күйінің өзгеруі
Өздеріңіз білетіндей, материя болуы мүмкін 3 негізгі агрегаттық күй бар:
- газ;
- сұйық;
- тұтас дене.
Бір күйден екінші күйге ауысу үшін дененің хабарлауы немесе одан жылуды алуы қажет. Физикадағы мұндай процестер үшін балқудың (кристалданудың) және қайнаудың (конденсацияның) меншікті жылулары туралы түсініктер енгізілді. Бұл шамалардың барлығы 1 кг дене салмағын бөлетін немесе сіңіретін агрегация күйін өзгертуге қажетті жылу мөлшерін анықтайды. Бұл процестер үшін теңдеу жарамды: Q=Lm, мұндағы L – заттың күйлері арасындағы сәйкес ауысудың меншікті жылуы.
Төменде біріктіру күйін өзгерту процестерінің негізгі ерекшеліктері:
- Бұл процестер қайнау немесе балқу сияқты тұрақты температурада жүреді.
- Олар қайтымды. Мысалы, берілген дененің балқу үшін сіңірген жылу мөлшері, егер бұл дене қайтадан өтіп кетсе, қоршаған ортаға бөлінетін жылу мөлшеріне тура тең болады.қатты күйге.
Жылу тепе-теңдігі
Бұл «жылу» ұғымына қатысты тағы бір маңызды мәселе, оны ескеру қажет. Температуралары әртүрлі екі дене жанасатын болса, біраз уақыттан кейін бүкіл жүйедегі температура біркелкі болады және бірдей болады. Жылулық тепе-теңдікке жету үшін температурасы жоғары дене жүйеге жылу беруі керек, ал температурасы төмен дене бұл жылуды қабылдауы керек. Бұл процесті сипаттайтын жылу физикасының заңдарын негізгі жылу алмасу теңдеуі мен заттың агрегаттық күйінің өзгеруін анықтайтын теңдеудің (бар болса) қосындысы ретінде көрсетуге болады.
Жылулық тепе-теңдікті өздігінен орнату процесінің жарқын мысалы - суға лақтырылған қызып тұрған темір. Бұл жағдайда ыстық үтік оның температурасы сұйықтық температурасына тең болғанша суға жылу береді.
Жылу берудің негізгі әдістері
Адамға белгілі жылу энергиясының алмасуымен жүретін барлық процестер үш түрлі жолмен жүреді:
- Жылуөткізгіштік. Жылу алмасу осылай жүруі үшін температурасы әртүрлі екі дененің жанасуы қажет. Жергілікті молекулалық деңгейде жанасу аймағында кинетикалық энергия ыстық денеден суық денеге ауысады. Бұл жылу берілу жылдамдығы оған қатысатын денелердің жылу өткізу қабілетіне байланысты. Жылу өткізгіштіктің жарқын мысалы болып табыладыадам металл таяқшаны ұстайды.
- Конвекция. Бұл процесс заттың қозғалысын қажет етеді, сондықтан ол тек сұйықтар мен газдарда байқалады. Конвекцияның мәні келесідей: газ немесе сұйық қабаттар қыздырылған кезде олардың тығыздығы төмендейді, сондықтан олар көтерілуге бейім. Сұйықтың немесе газдың көлемінің жоғарылауы кезінде олар жылуды тасымалдайды. Шәйнекте суды қайнату процесі конвекцияға мысал бола алады.
- Сәулелену. Бұл жылу беру процесі қыздырылған дененің әртүрлі жиіліктегі электромагниттік сәулеленуінің әсерінен болады. Күн сәулесі радиацияның тамаша мысалы болып табылады.
