Краткие теоретические сведения

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплообмена. Процесс передачи теплоты (количества теплоты или энергии) без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей. Разделяется он по механизмам передачи, как мы знаем, на три вида: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность – явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Наибольшей теплопроводностью обладают металлы — она у них в сотни раз больше, чем у воды. Исключением являются ртуть и свинец, но и здесь теплопроводность в десятки раз больше, чем у воды. Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство). Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

Конвекция – это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.

Излучение – электромагнитное излучение, испускаемое за счет внутренней энергии веществом, находящимся при определенной температуре.

Энергия, которую получает или теряет тело, или система тел в процессе теплообмена с окружающей средой называется количеством теплоты или просто теплотой. Обозначается Q. В международной системе (СИ) единицей количества теплоты, также как работы и энергии, является Джоуль: [Q]=Дж.

На практике еще иногда применяется внесистемная единица количества теплоты – калория: 1 кал=4,19 Дж.

Если Q>0, то теплота подводится к системе, если Q<0, то теплота |Q| отводится от системы. Если Q=0, то теплота не подводится, не отводится, т. е. система является теплоизолированной.

При передачи теплоты выполняется закон сохранения энергии: в замкнутой системе количество теплоты отданное телом равно количеству теплоты полученному другим телом:

                                             (2.12)

Выражение (2.12) называют уравнением теплового баланса.

Для нагревания тела массой m от температуры T₁ до температуры T₂ необходимо передать ему количество теплоты:

                               (2.13)

При остывании тела его конечная температура T₂ оказывается меньше начальной температуры T₁ и количество теплоты, отдаваемой телом, отрицательно.

Коэффициент c в формуле (2.13) называют удельной теплоёмкостью вещества.

Удельная теплоёмкость (с) – это величина, численно равная количеству теплоты, которую получает или отдаёт вещество массой 1 кг при изменении его температуры на 1 К.

Единица измерения

В формуле (2.13) для вычисления количества теплоты значения температур Т₁ и Т₂ можно брать по шкале Кельвина, так и по шкале Цельсия!

В процессе теплообмена между телами происходит передача энергии от горячих тел к холодным телам. Реальные процессы теплообмена между изучаемыми телами всегда сопровождаются потерями энергии, то есть, нагревающееся холодное тело получает от остывающего горячего тела не всю энергию, а только её часть, так как энергия поглощается не только выбранным нами телом, но и всеми окружающими предметами (средой). Эффективность (КПД)(η) теплообмена для участвующих в этом процессе тел определяется по формуле:

                                                (2.14)