Самостійна робота №7 (4 год.)
Тема: Термодинамічні параметри та механізм передачі тепла
Мета: Вивчити та поглибити знання про термічні параметри стану тіла.
Зрозуміти та навчитись розрізняти види теплопередачі в твердих тілах, рідинах та газах.
План вивчення:
1. Теплота, внутрішня енергія, робота.
2. Термічні параметри стану - тиск, питомий об’єм, густина.
3. Механізм передачі тепла в твердих тілах, рідинах і газах.
4. Відміна теплоти від роботи.
Література:
І.Б. Рябова, І.В. Сайчук, А.Я. Шаршанов. Термодинаміка і теплопередача в пожежній справі. – Х., 2010. с. 4-8
Методичні вказівки
В самостійній роботі №7 розглянуто питання термодинамічних параметрів та механізму передачі тепла, що допоможуть систематизувати та повторити основні поняття термодинаміки.
Теоретичною основою теплових процесів є розділ термодинаміки
щодо законів перенесення енергії від одного теплоносія до іншого та
про механізми такого перенесення.
Вивчення теплопередачі у пожежній справі допомагає використовувати її закони для вирішення задач пожежної безпеки. Так, знання закономірностей теплопереносу дозволяє:
розрахувати температуру на зовнішній поверхні печі, що допомагає з'ясувати можливість спалахування пального при контакті з нею, або розрахувати необхідну товщину теплоізоляційного шару (профілактика процесів виробництв);
визначити межу вогнестійкості та небезпечну глибину розташування арматури будівельних конструкцій або розрахувати протипожежні розриви між будівлями (профілактика у будівництві);
визначити безпечні від факела пожежі відстані роботи особового складу (пожежна тактика).
Після опрацювання навчального матеріалу згідно плану необхідно зробити конспект в зошиті для самостійних робіт, виділяючи основні поняття, твердження, закони та формули. Отже, опрацьовуючи начальний матеріал за планом курсант (учень) повинен:
знати:
визначення, формульний запис визначень «теплота, внутрішня енергія, робота»;
термічні параметри стану;
види передачі тепла в твердих тілах, рідинах та газах;
вміти:
знаходити кількісне значення термічних параметрів;
бачити різницю між різними видами передачі тепла.
Теоретичні відомості
1.Теплота, внутрішня енергія, механічна робота
Кількість теплоти — це енергія, яку тіло втрачає або набуває при теплопередачі. Це зрозуміло і з назви. При охолодженні тіло буде втрачати якусь кількість теплоти, а при нагріванні — поглинати. Визначається кількість теплоти за формулою:
Q
= c·m (
—
),
де Q — кількість теплоти,
m — маса тіла,
( — ) — різниця між початковою і кінцевою температурами тіла,
c — питома теплоємність речовини, знаходиться з відповідних таблиць.
За цією формулою можна провести розрахунок кількості теплоти, яку необхідно, щоб нагріти будь-яке тіло або яке це тіло виділить при охолодженні.
Вимірюється кількість теплоти в джоулях (1 Дж), як і всякий вид енергії. Однак, величину цю ввели не так давно, а вимірювати кількість теплоти люди почали набагато раніше. І користувалися вони одиницею, яка широко використовується і в наш час — калорія (1 кал). 1 калорія — це така кількість теплоти, який буде потрібно для нагрівання 1 грама води на 1 градус Цельсія.
Енергія - міра різноманітних форм матеріального руху та взаємодії. Кожній формі відповідає певний вид енергії. Енергію, що відповідає молекулярному хаотичному руху, називають у термодинаміці внутрішньою енергією ( U ) ; вона складається з кінетичної енергії хаотичного руху молекул, потенційної енергії сил міжмолекулярної взаємодії та внутрішньо молекулярної енергії.
Повну енергію тіла можна записати у вигляді
,
де Е зов – зовнішня енергія тіла, яка складається із кінетичної енергії руху тіла як цілого та потенційної енергії. Наприклад, на Землі
(
m, w, h
– відповідно, маса, швидкість руху та
висота підйому тіла. g –
прискорення вільного падіння ). З формули
видно, що внутрішня енергія співпадає
з повною енергією, за вирахуванням
зовнішньої енергії тіла. Саме співвідношення
U=
–
через відсутність припущень про
мікроскопічну будову тіла є термодинамічним
визначенням внутрішньої енергії.
На відміну від понять енергії та виду енергії, існує поняття форми передачі енергії ( способу обміну енергією ) при енергетичних взаємодіях. Розрізняють дві форми : роботу та теплоту.
Перша форма енергообміну, яка обумовлена силовою дією одного тіла на інше і супроводжується переміщенням тіла, називається роботою (позначається А ).
Друга форма пов’язана з наявністю різниці температур та обумовлена хаотичним рухом мікрочастинок, що складають макротіло. Обмін енергією в цьому випадку відбувається або при безпосередньому контакті тіла, що мають різну температуру, або випромінюванням. Кількість енергії, що передано у формі хаотичного руху молекул, називається теплотою ( позначається Q ).
Одиницями виміру енергетичних величин ( E, U, А, Q )у системі С1 є Дж (Джоуль), у техніці часто використовують позасистемну одиницю кДж ( кілоджоуль ).
Механічна робота
Слово робота ми чуємо дуже часто: і коли говоримо про дію яких-небудь машин чи механізмів, і коли описуємо які-небудь події повсякденного життя. Так, характеризуючи діяльність вантажника, який переносить мішки з борошном, ми кажемо, що він виконує роботу. Слово робота ми вживаємо й тоді, коли пояснюємо принцип дії двигуна внутрішнього згоряння, в якому гарячий газ, що утворився при згорянні паливно-повітряної суміші, переміщує поршні в циліндрах. В усіх наведених та подібних випадках слово робота застосовують тоді, коли тіла змінюють свій стан.
У фізиці використовують поняття механічної роботи. Вона виконується завжди, коли тіло здійснює переміщення під дією певної сили. Так, під дією сили тяжіння кулька падає на поверхню землі. Кажуть, що сила тяжіння виконує роботу з переміщення кульки. Куля в стволі рушниці переміщується в результаті дії порохових газів, унаслідок чого летить на значну відстань. Під дією сили пружності, яка виникає при розтягу тятиви лука, стріла набуває значної швидкості і відлітає від лука. Але ніхто не скаже, що сила тяжіння, яка діє на нерухомий камінь, виконує роботу. Адже камінь не змінює свого стану.
Тому вважають, що робота виконується лише тоді, коли на тіло діє сила і воно при цьому здійснює переміщення. Механічна робота є фізичною величиною, і її можна розрахувати.
Значення роботи залежить від значень сили і шляху, на якому діє сила. Ця залежність проста, і її можна записати у вигляді формули.
Якщо роботу позначити літерою А, силу — F, а шлях — S, то
A = FS.
Відповідно до означення встановлена і одиниця роботи. Якщо діюча сила дорівнює 1 Η і тіло зміщується на 1 м, то при цьому виконується робота 1 Дж (джоуль):
1 Дж = 1 Η • 1 м.
Одиниця роботи названа на честь видатного фізика, дослідника в галузі механіки і теплоти Дж. Джоуля.
Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) — англійський фізик, один із відкривачів закону збереження енергії. Наукові праці присвячені електромагнетизму й теплоті.
Для зручності записів і розрахунків використовують такі кратні одиниці роботи, як кілоджоуль (кДж) та мегаджоуль (МДж):
1 кДж = 1000 Дж = 103 Дж;
1 МДж = 1 000 000 Дж = 106 Дж.