1. Siseenergia muutumist töö tegemisega iseloomustab töö hulk, s.o. töö on siseenergia muutuse mõõt antud protsessis. Keha siseenergia muutumist soojusülekande käigus iseloomustab suurus nn soojuse hulk.
Soojushulk on keha siseenergia muutus soojusülekande protsessis ilma tööd tegemata.
Soojuse kogust tähistatakse tähega \(Q\) . Kuna soojushulk on siseenergia muutuse mõõt, on selle ühikuks džaul (1 J).
Kui keha annab tööd tegemata üle teatud koguse soojust, suureneb tema siseenergia, kui keha eraldab teatud koguse soojust, siis tema siseenergia väheneb.
2. Kui valada 100 g vett kahte identsesse anumasse, ühte ja 400 g teise sama temperatuuriga ning asetada need identsetele põletitele, siis esimeses anumas läheb vesi varem keema. Seega, mida suurem on keha mass, seda suuremat soojushulka see soojenemiseks vajab. Sama lugu on jahutamisega: kui jahutada suurema massiga keha, eraldab see suurema hulga soojust. Need kehad on valmistatud samast ainest ja nad soojenevad või jahtuvad sama kraadi võrra.
3. Kui nüüd kuumutada 100 g vett 30 kuni 60 °C, s.o. temperatuuril 30 °C ja seejärel kuni 100 °C, s.o. 70 °C võrra, siis esimesel juhul kulub soojenemiseks vähem aega kui teisel ja vastavalt sellele kulub vee soojendamiseks 30 °C võrra vähem soojust kui vee soojendamiseks 70 °C võrra. Seega on soojushulk otseselt võrdeline erinevusega lõpliku \((t_2\,^\circ C) \) ja esialgse \((t_1\,^\circ C) \) temperatuuride vahel: \( Q\sim(t_2- t_1) \) .
4. Kui nüüd valada ühte anumasse 100 g vett ja valada teise identsesse anumasse veidi vett ja panna sinna metallkeha nii, et selle mass ja vee mass on 100 g, ja soojendada anumaid identsetel plaatidel, siis märkate, et ainult vett sisaldava anuma temperatuur on madalam kui vett ja metallkeha sisaldavas anumas. Seega, et mõlema anuma sisu temperatuur oleks sama, on vaja veele üle kanda rohkem soojust kui veele ja metallkehale. Seega sõltub keha soojendamiseks vajalik soojushulk aine tüübist, millest keha on valmistatud.
5. Keha soojendamiseks vajaliku soojushulga sõltuvust aine tüübist iseloomustab füüsikaline suurus nn aine erisoojusmahtuvus.
Füüsikalist suurust, mis on võrdne soojushulgaga, mis tuleb anda 1 kg ainele, et seda kuumutada 1 °C (või 1 K) võrra, nimetatakse aine erisoojusmahtuvuseks.
1 kg ainet eraldab 1 °C jahutamisel sama palju soojust.
Erisoojusvõimsust tähistatakse tähega \(c\) . Erisoojusmahu ühik on 1 J/kg °C või 1 J/kg K.
Ainete erisoojusmahtuvus määratakse katseliselt. Vedelikel on suurem erisoojusmaht kui metallidel; Vee erisoojus on kõrgeim, kullal väga väike.
Plii erisoojus on 140 J/kg °C. See tähendab, et 1 kg plii soojendamiseks 1 °C võrra on vaja kulutada soojust 140 J. Sama palju soojust eraldub, kui 1 kg vett jahtub 1 °C võrra.
Kuna soojushulk võrdub keha siseenergia muutusega, siis võib öelda, et erisoojusmahtuvus näitab, kui palju muutub 1 kg aine siseenergia selle temperatuuri muutumisel 1 °C võrra. Eelkõige suureneb 1 kg plii siseenergia 140 J võrra kuumutamisel 1 °C võrra ja väheneb jahutamisel 140 J.
Soojushulk \(Q \) , mis on vajalik massiga keha \(m \) soojendamiseks temperatuurist \((t_1\,^\circ C) \) temperatuurini \((t_2\,^\) tsirk C) \) võrdub aine erisoojusmahu, kehamassi ning lõpp- ja algtemperatuuri vahe korrutisega, s.o.
\[ Q=cm(t_2()^\circ-t_1()^\circ) \]
Sama valemi abil arvutatakse soojushulk, mida keha jahutamisel eraldab. Ainult sel juhul tuleks algtemperatuurist lahutada lõpptemperatuur, s.t. Lahutage väiksem temperatuur suuremast temperatuurist.
6. Näide probleemi lahendamisest. 100 g vett, mille temperatuur on 20 °C, valatakse klaasi, mis sisaldab 200 g vett temperatuuril 80 °C. Pärast seda jõudis temperatuur anumas 60 °C-ni. Kui palju soojust külm vesi vastu võttis ja kui palju kuum vesi välja andis?
Probleemi lahendamisel peate tegema järgmise toimingute jada:
- kirjutage lühidalt üles ülesande tingimused;
- teisendada suuruste väärtused SI-sse;
- analüüsida probleemi, teha kindlaks, millised kehad osalevad soojusvahetuses, millised kehad annavad energiat välja ja millised võtavad vastu;
- lahendada probleem üldises vormis;
- teha arvutusi;
- analüüsida saadud vastust.
1. Ülesanne.
Arvestades:
\(m_1 \) = 200 g
\(m_2\) = 100 g
\(t_1 \) = 80 °C
\(t_2 \) = 20 °C
\(t\) = 60 °C
______________
\(Q_1 \) — ? \(Q_2 \) — ?
\(c_1 \) = 4200 J/kg °C
2. SI:\(m_1\) = 0,2 kg; \(m_2\) = 0,1 kg.
3. Ülesande analüüs. Probleem kirjeldab sooja ja külma vee vahelise soojusvahetuse protsessi. Kuum vesi eraldab teatud koguse soojust \(Q_1 \) ja jahutab temperatuurilt \(t_1 \) temperatuurini \(t \) . Külm vesi võtab vastu soojushulga \(Q_2 \) ja soojendatakse temperatuurilt \(t_2 \) temperatuurini \(t \) .
4. Ülesande lahendus üldisel kujul. Kuuma vee poolt eraldatud soojushulk arvutatakse valemiga: \(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) .
Külma vee poolt vastuvõetud soojushulk arvutatakse valemiga: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) .
5.
Arvutused.
\(Q_1 \) = 4200 J/kg · °С · 0,2 kg · 20 °С = 16800 J
\(Q_2\) = 4200 J/kg °C 0,1 kg 40 °C = 16800 J
6. Vastus on, et sooja vee poolt eraldatud soojushulk võrdub külma vee poolt vastuvõetud soojushulgaga. Antud juhul peeti idealiseeritud olukorda ega arvestatud, et teatud kogus soojust kulus klaasi, milles vesi asus, ja ümbritseva õhu soojendamiseks. Tegelikkuses on sooja vee poolt eraldatud soojushulk suurem kui külma vee poolt vastuvõetava soojuse hulk.
1. osa
1. Hõbeda erisoojusmaht on 250 J/(kg °C). Mida see tähendab?
1) 1 kg hõbeda jahtumisel 250 °C juures eraldub soojust 1 J
2) 250 kg hõbeda jahtumisel 1 °C võrra eraldub soojust 1 J
3) 250 kg hõbeda jahtumisel 1 °C võrra neeldub soojust 1 J
4) 1 kg hõbeda jahtumisel 1 °C võrra eraldub soojust 250 J
2. Tsingi erisoojusmaht on 400 J/(kg °C). See tähendab et
1) kui 1 kg tsinki kuumutada 400 °C võrra, suureneb selle siseenergia 1 J võrra
2) 400 kg tsinki kuumutamisel 1 °C võrra suureneb selle siseenergia 1 J võrra
3) 400 kg tsingi soojendamiseks 1 °C võrra on vaja kulutada 1 J energiat
4) kui 1 kg tsinki kuumutada 1 °C võrra, suureneb selle siseenergia 400 J
3. Soojushulga \(Q \) kandmisel tahkele kehale massiga \(m \) tõusis kehatemperatuur \(\Delta t^\circ \) . Milline järgmistest avaldistest määrab selle keha aine soojusmahtuvuse?
1) \(\frac(m\Delta t^\circ)(Q) \)
2) \(\frac(Q)(m\Delta t^\circ) \)
3) \(\frac(Q)(\Delta t^\circ) \)
4) \(Qm\Delta t^\circ \)
4. Joonisel on kujutatud kahe sama massiga keha (1 ja 2) kuumutamiseks vajaliku soojushulga sõltuvuse graafik temperatuurist. Võrrelge nende ainete erisoojusmahtuvuse väärtusi (\(c_1 \) ja \(c_2 \) ), millest need kehad on valmistatud.
1) \(c_1=c_2 \)
2) \(c_1>c_2 \)
3)\(c_1
5. Diagramm näitab soojushulka, mis kandub üle kahele võrdse massiga kehale, kui nende temperatuur muutub sama kraadi võrra. Milline seos on õige nende ainete erisoojusmahtuvuse suhtes, millest kehad valmistatakse?
1) \(c_1=c_2\)
2) \(c_1=3c_2\)
3) \(c_2=3c_1\)
4) \(c_2=2c_1\)
6. Joonisel on kujutatud tahke keha temperatuuri graafik sõltuvalt sellest, kui palju soojust see eraldab. Kehakaal 4 kg. Kui suur on selle keha aine erisoojusmahtuvus?
1) 500 J/(kg °C)
2) 250 J/(kg °C)
3) 125 J/(kg °C)
4) 100 J/(kg °C)
7. 100 g kaaluva kristalse aine kuumutamisel mõõdeti aine temperatuuri ja ainele antud soojushulka. Mõõtmisandmed esitati tabelina. Eeldusel, et energiakadusid võib tähelepanuta jätta, määrake tahkes olekus oleva aine erisoojusmahtuvus.
1) 192 J/(kg °C)
2) 240 J/(kg °C)
3) 576 J/(kg °C)
4) 480 J/(kg °C)
8. 192 g molübdeeni kuumutamiseks 1 K võrra peate sellele üle kandma 48 J soojust. Mis on selle aine erisoojus?
1) 250 J/(kg K)
2) 24 J/(kg K)
3) 4,10 -3 J/(kg K)
4) 0,92 J/(kg K)
9. Kui palju soojust on vaja 100 g plii kuumutamiseks 27 °C-lt 47 °C-ni?
1) 390 J
2) 26 kJ
3) 260 J
4) 390 kJ
10. Tellise soojendamiseks 20–85 °C on vaja sama palju soojust kui sama massiga vee soojendamiseks 13 °C võrra. Tellise erisoojusmaht on
1) 840 J/(kg K)
2) 21000 J/(kg K)
3) 2100 J/(kg K)
4) 1680 J/(kg K)
11. Valige allolevast väidete loendist kaks õiget väidet ja kirjutage nende numbrid tabelisse.
1) Soojushulk, mida keha saab, kui tema temperatuur tõuseb teatud arvu kraadi võrra, on võrdne soojushulgaga, mille see keha eraldab, kui tema temperatuur langeb sama arvu kraadi võrra.
2) Aine jahtumisel suureneb selle siseenergia.
3) Soojushulka, mida aine kuumutamisel saab, kasutatakse peamiselt selle molekulide kineetilise energia suurendamiseks.
4) Soojushulka, mille aine kuumutamisel saab, kasutatakse peamiselt selle molekulide potentsiaalse interaktsioonienergia suurendamiseks.
5) Keha siseenergiat saab muuta ainult sellele teatud koguse soojuse andmisega
12. Tabelis on toodud vasest või alumiiniumist valmistatud silindrite jahutamisel eralduva massi \(m\) , temperatuurimuutuste \(\Delta t\) ja soojushulga \(Q\) tulemused. .
Millised väited vastavad katse tulemustele? Valige pakutavast loendist kaks õiget. Märkige nende arv. Tehtud mõõtmiste põhjal võib väita, et jahutamisel eralduv soojushulk
1) oleneb ainest, millest balloon on valmistatud.
2) ei sõltu ainest, millest balloon on valmistatud.
3) suureneb silindri massi suurenedes.
4) suureneb temperatuuride erinevuse suurenedes.
5) alumiiniumi erisoojusmaht on 4 korda suurem tina erisoojusmahtuvusest.
2. osa
C1. 2 kg kaaluv tahke keha asetatakse 2 kW ahju ja see hakkab soojenema. Joonisel on kujutatud selle keha temperatuuri \(t\) sõltuvust kuumutamisajast \(\tau \) . Mis on aine erisoojusmahtuvus?
1) 400 J/(kg °C)
2) 200 J/(kg °C)
3) 40 J/(kg °C)
4) 20 J/(kg °C)
Vastused
Siseenergia muutumist töö tegemisega iseloomustab töö hulk, s.o. töö on siseenergia muutuse mõõt antud protsessis. Keha siseenergia muutumist soojusülekande ajal iseloomustab suurus, mida nimetatakse soojushulgaks.
on keha siseenergia muutus soojusülekande protsessis ilma tööd tegemata. Soojuse hulk on tähistatud tähega K .
Tööd, siseenergiat ja soojust mõõdetakse samades ühikutes - džaulides ( J), nagu igat tüüpi energia.
Soojusmõõtmistel kasutati soojushulga ühikuna varem spetsiaalset energiaühikut - kalorit ( väljaheited), võrdne soojushulk, mis on vajalik 1 grammi vee soojendamiseks 1 kraadi võrra Celsiuse järgi (täpsemalt 19,5–20,5 ° C). Eelkõige kasutatakse seda mõõtühikut praegu kortermajade soojustarbimise (soojusenergia) arvutamisel. Katseliselt on kindlaks tehtud soojuse mehaaniline ekvivalent - kalorite ja džauli vaheline seos: 1 cal = 4,2 J.
Kui keha annab tööd tegemata üle teatud koguse soojust, suureneb tema siseenergia, kui keha eraldab teatud koguse soojust, siis tema siseenergia väheneb.
Kui valada 100 g vett kahte identsesse anumasse, ühte ja 400 g teise sama temperatuuriga ning asetada need identsetele põletitele, siis esimeses anumas läheb vesi varem keema. Seega, mida suurem on kehamass, seda suuremat soojushulka see soojendamiseks vajab. Sama on ka jahutamisega.
Keha soojendamiseks vajalik soojushulk sõltub ka aine tüübist, millest keha on valmistatud. Seda keha soojendamiseks vajaliku soojushulga sõltuvust aine tüübist iseloomustab füüsikaline suurus, mida nimetatakse erisoojusvõimsus ained.
on füüsikaline suurus, mis võrdub soojushulgaga, mis tuleb anda 1 kg ainele, et seda kuumutada 1 °C (või 1 K) võrra. 1 kg ainet eraldab 1 °C jahutamisel sama palju soojust.
Erisoojusvõimsus on tähistatud tähega Koos. Erisoojusvõimsuse ühik on 1 J/kg °C või 1 J/kg °K.
Ainete erisoojusmahtuvus määratakse katseliselt. Vedelikel on suurem erisoojusmaht kui metallidel; Vee erisoojus on kõrgeim, kullal väga väike.
Kuna soojushulk võrdub keha siseenergia muutusega, siis võib öelda, et erisoojusmaht näitab, kui palju muutub siseenergia 1 kg aine, kui selle temperatuur muutub võrra 1 °C. Eelkõige suureneb 1 kg plii siseenergia 140 J võrra kuumutamisel 1 °C võrra ja väheneb jahutamisel 140 J.
K vajalik massilise keha soojendamiseks m temperatuuril t 1 °С temperatuurini t 2 °С, võrdub aine erisoojusmahtuvuse, kehamassi ning lõpp- ja algtemperatuuri vahe korrutisega, s.o.Q = c ∙ m (t 2 - t 1)
Sama valemiga arvutatakse soojushulk, mida keha jahutamisel eraldab. Ainult sel juhul tuleks algtemperatuurist lahutada lõpptemperatuur, s.t. Lahutage väiksem temperatuur suuremast temperatuurist.
See on teema kokkuvõte "Soojuse kogus. Erisoojus". Valige järgmised sammud:
- Mine järgmise kokkuvõtte juurde:
Selles õppetükis õpime arvutama keha soojendamiseks vajalikku või sellest jahutamisel vabanevat soojushulka. Selleks teeme kokkuvõtte teadmistest, mis eelnevates tundides omandatud.
Lisaks õpime soojushulga valemit kasutades väljendama sellest valemist ülejäänud koguseid ja neid teisi suurusi teades arvutama. Vaadeldakse ka probleemi näidet soojushulga arvutamise lahendusega.
See õppetund on pühendatud keha kuumutamisel või jahutamisel vabaneva soojushulga arvutamisele.
Vajaliku soojushulga arvutamise oskus on väga oluline. Seda võib vaja minna näiteks ruumi soojendamiseks veele eraldatava soojushulga arvutamisel.
Riis. 1. Soojushulk, mis tuleb veele ruumi soojendamiseks anda
Või arvutada soojushulk, mis eraldub kütuse põletamisel erinevates mootorites:
Riis. 2. Soojushulk, mis eraldub kütuse põletamisel mootoris
Neid teadmisi on vaja ka näiteks Päikesest eralduva ja Maale langeva soojushulga määramiseks:
Riis. 3. Päikesest eralduv ja Maale langev soojushulk
Soojuse hulga arvutamiseks peate teadma kolme asja (joonis 4):
- kehakaal (mida saab tavaliselt mõõta kaalu abil);
- temperatuuride erinevus, mille võrra keha tuleb soojendada või jahutada (tavaliselt mõõdetakse termomeetriga);
- keha erisoojusmahtuvus (mida saab määrata tabelist).
Riis. 4. Mida peate määramiseks teadma
Valem, mille järgi soojushulk arvutatakse, näeb välja järgmine:
Selles valemis on järgmised kogused:
soojushulk mõõdetuna džaulides (J);
Aine erisoojusmahtuvust mõõdetakse ;
- temperatuuride erinevus, mõõdetuna Celsiuse kraadides ().
Vaatleme soojushulga arvutamise probleemi.
Ülesanne
Grammi massiga vaskklaas sisaldab temperatuuril liitrit vett. Kui palju soojust tuleb üle kanda klaasile veele, et selle temperatuur muutuks võrdseks ?
Riis. 5. Probleemsete tingimuste illustratsioon
Kõigepealt kirjutame üles lühikese tingimuse ( Antud) ja teisendada kõik suurused rahvusvahelisse süsteemi (SI).
|
Arvestades: |
SI |
|
|
Leia: |
Lahendus:
Esiteks määrake kindlaks, milliseid muid koguseid me selle probleemi lahendamiseks vajame. Kasutades erisoojusmahtuvuse tabelit (tabel 1) leiame (vase erisoojusmahtuvus, kuna seisukorra järgi on klaas vask), (vee erisoojusmahtuvus, kuna tingimuse järgi on klaasis vesi). Lisaks teame, et soojushulga arvutamiseks vajame veemassi. Vastavalt tingimusele antakse meile ainult maht. Seetõttu võtame tabelist vee tiheduse: (tabel 2).
Tabel 1. Mõnede ainete erisoojusmaht,
Tabel 2. Mõnede vedelike tihedused
Nüüd on meil kõik selle probleemi lahendamiseks vaja.
Pange tähele, et lõplik soojushulk koosneb vaskklaasi soojendamiseks vajaliku soojushulga ja selles oleva vee soojendamiseks vajaliku soojushulga summast:
Arvutame esmalt vaskklaasi soojendamiseks vajaliku soojushulga:
Enne vee soojendamiseks vajaliku soojushulga arvutamist arvutame vee massi valemiga, mis on meile tuttav alates 7. klassist:
Nüüd saame arvutada:
Siis saame arvutada:
Tuletagem meelde, mida kilodžaulid tähendavad. Eesliide "kilo" tähendab 
.
Vastus:.
Selle mõistega seotud soojushulga (nn otsesed probleemid) ja koguste leidmise probleemide lahendamise mugavuse huvides saate kasutada järgmist tabelit.
|
Nõutav kogus |
Määramine |
Ühikud |
Põhivalem |
Koguse valem |
|
Soojuse kogus |
(või soojusülekanne).
Aine erisoojusmahtuvus.
Soojusmahtuvus- see on soojushulk, mille keha neelab 1 kraadi võrra kuumutamisel.
Keha soojusmahtuvust tähistab suur ladina täht KOOS.
Millest sõltub keha soojusmahtuvus? Esiteks selle massist. On selge, et näiteks 1 kilogrammi vee soojendamiseks kulub rohkem soojust kui 200 grammi soojendamiseks.
Aga aine tüüp? Teeme katse. Võtame kaks identset anumat ja olles valanud ühte neist 400 g kaaluva vee ja teise 400 g kaaluva taimeõli, hakkame neid identsete põletitega soojendama. Termomeetri näitu jälgides näeme, et õli kuumeneb kiiresti. Vee ja õli samale temperatuurile soojendamiseks tuleb vett soojendada kauem. Kuid mida kauem me vett soojendame, seda rohkem soojust see põletilt saab.
Seega sama massi erinevate ainete samale temperatuurile kuumutamine nõuab erinevat soojushulka. Keha soojendamiseks vajalik soojushulk ja seega ka selle soojusmahtuvus sõltuvad aine tüübist, millest keha koosneb.
Näiteks 1 kg kaaluva vee temperatuuri tõstmiseks 1 °C võrra on vaja 4200 J soojushulka ja sama massi päevalilleõli soojendamiseks 1 °C võrra soojushulka, mis võrdub Vaja on 1700 J.
Nimetatakse füüsikalist suurust, mis näitab, kui palju soojust on vaja 1 kg aine kuumutamiseks 1 ºС võrra erisoojusvõimsus sellest ainest.
Igal ainel on oma erisoojusmaht, mida tähistatakse ladina tähega c ja mõõdetakse džaulides kilogrammi kraadi kohta (J/(kg °C)).
Sama aine erisoojusmaht erinevates agregatsiooniolekutes (tahke, vedel ja gaasiline) on erinev. Näiteks vee erisoojusmaht on 4200 J/(kg °C), jää erisoojusmaht on 2100 J/(kg °C); tahkes olekus alumiiniumi erisoojusmaht on 920 J/(kg - °C) ja vedelas olekus - 1080 J/(kg - °C).
Pange tähele, et vee erisoojusmaht on väga kõrge. Seetõttu neelab suvel soojenev vesi meredes ja ookeanides õhust suurel hulgal soojust. Tänu sellele pole suurte veekogude läheduses asuvates kohtades suvi nii kuum kui veest kaugemal.
Keha soojendamiseks vajaliku või sellest jahutamisel vabaneva soojushulga arvutamine.
Eeltoodust selgub, et keha soojendamiseks vajalik soojushulk sõltub aine tüübist, millest keha koosneb (st selle erisoojusmahutavusest) ja keha massist. Selge on ka see, et soojushulk sõltub sellest, mitu kraadi me kehatemperatuuri tõstame.
Nii et keha soojendamiseks vajaliku või jahutamisel vabaneva soojushulga määramiseks peate korrutama keha erisoojusmahu selle massiga ning selle lõpp- ja algtemperatuuride vahega:
K = cm (t 2 - t 1 ) ,
Kus K- soojuse hulk, c— erisoojusvõimsus, m- kehamass , t 1 — algtemperatuur, t 2 - lõpptemperatuur.
Kui keha kuumeneb t 2 > t 1 ning seetõttu K > 0 . Kui keha jahtub t 2i< t 1 ning seetõttu K< 0 .
Kui on teada kogu keha soojusmahtuvus KOOS, K määratakse valemiga:
Q = C (t 2 - t 1 ) .
Keha siseenergia võib välisjõudude töö tõttu muutuda. Siseenergia muutuse iseloomustamiseks soojusülekande käigus võetakse kasutusele suurus, mida nimetatakse soojushulgaks ja tähistatakse Q-ga.
Rahvusvahelises süsteemis on soojuse, aga ka töö ja energia ühikuks džaul: = = = 1 J.
Praktikas kasutatakse mõnikord mittesüsteemset soojushulga ühikut - kalorit. 1 cal. = 4,2 J.
Tuleb märkida, et mõiste "soojuse kogus" on kahetsusväärne. See võeti kasutusele ajal, mil usuti, et kehad sisaldavad teatud kaalutut, tabamatut vedelikku - kaloreid. Soojusvahetusprotsess seisneb väidetavalt selles, et ühest kehast teise voolavad kalorid kannavad endaga kaasa teatud koguse soojust. Nüüd, teades aine ehituse molekulaar-kineetilise teooria põhitõdesid, saame aru, et kehades pole kaloreid, keha siseenergia muutmise mehhanism on erinev. Traditsiooni jõud on aga suur ja me kasutame jätkuvalt termi, mis on kasutusele võetud soojuse olemuse kohta valede arusaamade põhjal. Samas ei tohiks soojusülekande olemust mõistes täielikult ignoreerida selle kohta käivaid väärarusaamu. Vastupidi, tuues analoogia soojuse voolu ja hüpoteetilise kalorivedeliku voolu, soojushulga ja kalorihulga vahel, on teatud probleemide klasside lahendamisel võimalik visualiseerida toimuvaid protsesse ja õigesti probleeme lahendada. Lõpuks saadi kunagi õiged soojusülekande protsesse kirjeldavad võrrandid kalorite kui soojuskandja valede ideede põhjal.
Vaatleme üksikasjalikumalt protsesse, mis võivad tekkida soojusvahetuse tulemusena.
Valage katseklaasi veidi vett ja sulgege see korgiga. Katseklaasi riputame alusele kinnitatud varda külge ja asetame selle alla lahtise leegi. Katseklaas saab leegist teatud koguse soojust ja selles oleva vedeliku temperatuur tõuseb. Temperatuuri tõustes suureneb vedeliku siseenergia. Toimub intensiivne aurustumisprotsess. Paisuvad vedelikuaurud teevad mehaanilist tööd, et suruda kork katseklaasist välja.
Teeme veel ühe katse messingtoru tükist valmistatud kahuri mudeliga, mis on paigaldatud kärule. Ühelt poolt suletakse toru tihedalt eboniitkorgiga, mille kaudu viiakse tihvt. Juhtmed on joodetud tihvti ja toru külge, lõppedes klemmidega, kuhu saab anda valgustusvõrgu pinge. Kahurimudel on seega teatud tüüpi elektriboiler.
 |
Valage kahuritoru veidi vett ja sulgege toru kummikorgiga. Ühendame relva toiteallikaga. Vett läbiv elektrivool soojendab seda. Vesi keeb, mis põhjustab intensiivse auru moodustumise. Veeauru rõhk tõuseb ja lõpuks teevad nad korgi püstolitorust välja surudes.
Püstol veereb tagasilöögi tõttu eemale pistiku väljaviskele vastupidises suunas.
Mõlemat kogemust ühendavad järgmised asjaolud. Vedeliku mitmel viisil kuumutamisel tõusis vedeliku temperatuur ja vastavalt ka selle siseenergia. Et vedelik keeks ja intensiivselt aurustuks, tuli kuumutamist jätkata.
Vedelate aurud tegid oma sisemise energia tõttu mehaanilist tööd.
 |
Uurime keha soojendamiseks vajaliku soojushulga sõltuvust selle massist, temperatuurimuutustest ja aine tüübist. Nende sõltuvuste uurimiseks kasutame vett ja õli. (Temperatuuri mõõtmiseks katses kasutatakse peegelgalvanomeetriga ühendatud termopaarist elektrilist termomeetrit. Üks termopaari ühenduskoht lastakse külma veega anumasse, et tagada selle konstantne temperatuur. Teine termopaari ühenduskoht mõõdab vedeliku temperatuuri uuritav).
Kogemus koosneb kolmest seeriast. Esimeses seerias uuritakse konkreetse vedeliku (meie puhul vee) konstantse massi korral selle soojendamiseks vajaliku soojushulga sõltuvust temperatuurimuutustest. Küttekehast (elektripliidist) vedeliku poolt vastuvõetud soojushulka hindame kütteaja järgi, eeldades, et nende vahel on otseselt võrdeline seos. Et katse tulemus vastaks sellele eeldusele, on vaja tagada statsionaarne soojusvoog elektripliidilt köetavale korpusele. Selleks lülitati elektripliit eelnevalt sisse, nii et katse alguseks lakkas selle pinna temperatuur muutumast. Vedeliku ühtlasemaks kuumutamiseks katse ajal segame seda termopaari enda abil. Salvestame termomeetri näidud korrapäraste ajavahemike järel, kuni valguspunkt jõuab skaala servani.
Teeme järelduse: keha soojendamiseks vajaliku soojushulga ja selle temperatuuri muutuse vahel on otsene proportsionaalne seos.
Teises katseseerias võrdleme soojushulka, mida on vaja erineva massiga identsete vedelike soojendamiseks, kui nende temperatuur muutub sama palju.
Saadud väärtuste võrdlemise mugavuse huvides võetakse teise katse vee massiks kaks korda väiksem kui esimeses katses.
Regulaarsete ajavahemike järel registreerime uuesti termomeetri näidud.
Võrreldes esimese ja teise katse tulemusi, võib teha järgmised järeldused.
Kolmandas katseseerias võrdleme soojushulkasid, mis on vajalikud erinevate vedelike võrdsete masside soojendamiseks, kui nende temperatuur muutub sama palju.
Kuumutame elektripliidil õli, mille mass on esimeses katses võrdne vee massiga. Me registreerime termomeetri näidud korrapäraste ajavahemike järel.
Katse tulemus kinnitab järeldust, et keha soojendamiseks vajalik soojushulk on otseselt võrdeline selle temperatuuri muutusega ning lisaks näitab selle soojushulga sõltuvust aine tüübist.
Kuna katses kasutati õli, mille tihedus on väiksem kui vee tihedus ja õli kuumutamine teatud temperatuurini nõudis vähem soojust kui vee soojendamine, siis võib eeldada, et keha soojendamiseks vajalik soojushulk sõltub selle tihedus.
Selle eelduse kontrollimiseks soojendame samaaegselt konstantse võimsusega küttekehal võrdses koguses vett, parafiini ja vaske.
Sama aja möödudes on vase temperatuur ligikaudu 10 korda ja parafiini temperatuur ligikaudu 2 korda kõrgem kui vee temperatuur.
Kuid vasel on suurem tihedus ja parafiinil on väiksem tihedus kui veel.
Kogemused näitavad, et nende ainete temperatuurimuutuse kiirust iseloomustav suurus, millest soojusvahetuses osalevad kehad on valmistatud, ei ole tihedus. Seda suurust nimetatakse aine erisoojusmahtuvuseks ja seda tähistatakse tähega c.
 |
Eri ainete erisoojusmahtude võrdlemiseks kasutatakse spetsiaalset seadet. Seade koosneb nagidest, millesse on kinnitatud õhuke parafiinplaat ja riba, mille vardad on sellest läbi viidud. Varraste otstesse on kinnitatud võrdse massiga alumiiniumist, terasest ja messingist silindrid.
Kuumutame silindrid sama temperatuurini, kastes need kuumal pliidil seisvasse veega anumasse. Kinnitame kuumad silindrid nagide külge ja vabastame need kinnitusest. Silindrid puudutavad samaaegselt parafiiniplaati ja hakkavad parafiini sulatades sellesse vajuma. Sama massiga silindrite parafiinplaadile sukeldamise sügavus, kui nende temperatuur muutub sama palju, osutub erinevaks.
Kogemused näitavad, et alumiiniumi, terase ja messingi erisoojusvõimsused on erinevad.
Olles läbi viinud vastavad katsed tahkete ainete sulatamise, vedelike aurustamise ja kütuse põlemisega, saame järgmised kvantitatiivsed sõltuvused.
Konkreetsete koguste ühikute saamiseks tuleb need vastavatest valemitest väljendada ja saadud avaldistesse asendada soojusühikud - 1 J, mass - 1 kg ja erisoojusmahutavus - 1 K.
Saame järgmised ühikud: erisoojusvõimsus – 1 J/kg·K, muud erisoojused: 1 J/kg.