If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Химична библиотека

Курс: Химична библиотека > Раздел 15

Урок 1: Вътрешна енергия
Наука
Химична библиотека
Термодинамика
Вътрешна енергия
© 2023 Khan AcademyУсловия за ползванеДекларация за поверителностПолитика за Бисквитки

Топлина и температура

Класна стая на Google
Какво означава топлина в термодинамиката и как можем да изчислим топлината като използваме топлинния капацитет.

Основни идеи

  • Топлина start text, q, end text наримаче топлинната енергия, предадена от по-топла към по-студена система, когато двете системи са в контакт.
  • Температура е мярката на средната кинетична енергия на атомите или молекулите в системата.
  • Според нулевия закон на термодинамиката между два обекта в термално равновесие не се предава топлина; следователно те имат еднаква температура.
  • Можем да изчислим отделената или абсорбирана топлина като използваме конкретен топлинен капацитет start text, C, end text, масата на веществото start text, m, end text и промяната в температурата delta, start text, T, end text в уравнението:
start text, q, end text, equals, start text, m, end text, dot, start text, C, end text, dot, delta, start text, T, end text

Топлина в термодинамиката

Какво съдържа повече топлина, чаша кафе или чаша студен чай? В един час по химия това би било подвеждащ въпрос (съжалявам!). В термодинамиката топлината има много специфично значение, което е различно от начина, по който се използва думата във всекидневния език. Учените определят топлината като топлинна енергия пренесена между две системи, които влизат в контакт при различни температури. За обозначаване на топлината се използва латинската букв q или Q, и се измерва в джаули (start text, J, end text).
Три топящи се кубчета лед в локва вода върху огледална повърхност.
Топлината се пренася от околната среда към леда и това води до промяна на агрегатното състояние на леда във вода. Снимка кубчета лед от flickr, CC BY 2.0.
Топлината понякога се нарича процесно свойство, защото се определя от контекста на процеса, в който се предава енергия. Не говорим за чаша кафе, която съдържа топлина, а за топлината, предадена от чашата с горещо кафе към твоята ръка. Топлината е и екстензивно понятие, затова промяната в температурата в резултат от топлината, предадена на системата, зависи от броя молекули в системата.

Връзка между топлина и температура

Топлина и температура са две различни, но близки понятия. Забележи, че те имат различни единици: температурата обикновено се измерва в градуси Целзий (degrees, start text, C, end text) или Келвин (start text, K, end text), а топлината има единица за енергия, джаул (start text, J, end text). Температурата е мярка за средната кинетична енергия на атомите или молекулите в системата. Водните молекули в чаша с горещо кафе имат по-висока средна кинетична енергия от молекулите в чаша със студен чай, което означава, че се движат с по-висока скорост. Температурата е интензивно свойство, което значи, че за нея няма значение какво количество вещество имаш, докато цялото е с еднаква температура. Ето защо химиците могат да използват точката на топене за идентифициране на чисти вещества - температурата, при която веществото се топи, е свойство на веществото, което не зависи от масата на пробата.
На атомно ниво молекулите във всеки обект са в постоянно движение и се сблъскват една с друга. При всеки сблъсък може да се предаде кинетична енергия. Когато двете системи са в контакт, топлината ще се предаде чрез молекулните сблъсъци от по-топлата към по-студената система. Термалната енергия ще тече в тази посока, докато температурите на двата обекта се изравнят. Когато двете системи в контакт са с еднаква температура, казваме, че са в термално равновесие.

Нулев закон на термодинамиката: Определяне на топлинно равновесие

Нулевият закон на термодинамиката определя термалното равновесие в изолирана система. Според нулевия закон, когато два обекта в контакт са в термално равновесие, между тях не се предава топлина. Следователно те имат еднаква температура. Друг начин да изразим нулевия закон е да кажем, че ако двата обекта по отделно са в термално равновесие с трети обект, то те са в термално равновесие и един с друг.
Нулевият закон ни позволява да измерим температурата на обектите. Всеки път, когато използваме термометър, прилагаме нулевият закон на термодинамиката. Да кажем, че измерваме температурата на вана с вода. За да сме сигурни, че я отчитаме точно, обикновено изчакваме температурата да стане постоянна. Изчакваме термометъра и водата да достигнат термално равновесие! При термално равновесие температурата на термометъра и на водата във ваната ще бъде еднаква и няма да има пренос на топлина от единия към другия обект (като приемем, че няма загуба на топлина).

Топлинен капацитет: Превръщане между топлина и промяна в температурата

Как измерваме топлината? Ето някои неща, които знаем за топлината досега:
  • Когато една система приема или губи топлина, средната кинетична енергия на молекулите ще се промени. Така топлинният пренос води до промяна в температурата на системата, докато в системата не настъпи фазов преход.
  • Промяната в температурата, получена от топлината, предадена от или на системата, зависи от броя на молекулите в системата.
Можем да използваме термометър за измерване на промяната в температурата на системата. Как можем да използваме промяната в температурата за изчисляване на пренесената топлина?
За да разберем как топлината, прехвърлена към системата ще промени нейната температура, трябва да знаем поне 2 неща:
  • Брой на молекулите в системата
  • Топлинен капацитет на системата
Топлинният капацитет ни казва колко енергия е необходима, за да се промени температурата на дадено вещество като се приеме, че не настъпват промени във фазите. Топлинният капацитет се изразява по два основни начина. Специфичен топлинен капацитет (наричан още специфична топлина), представен от символа start text, c, end text или start text, C, end text, е енергията, необходима, за да се повиши температурата на един грам вещество с 1, space, degrees, start text, C, end text или 1, start text, K, end text. Специфичният топлинен капацитет обикновено се представя в единици start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, г, р, а, м, а, end text, dot, start text, K, end text, end fraction. Моларен топлинен капацитет, start text, C, end text, start subscript, start text, m, end text, end subscript или start text, C, end text, start subscript, start text, m, o, l, end text, end subscript, измерва количеството термална енергия, необходимо, за да се покачи температуратана един мол вещество с 1, space, degrees, start text, C, end text или 1, start text, K, end text, и обикновено е в единици start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, dot, start text, K, end text, end fraction. Например топлинният капацитет може да е даден като специфичен топлинен капацитет, 0, comma, 129, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, g, end text, dot, start text, K, end text, end fraction, или моларен топлинен капацитет, 26, comma, 65, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, dot, start text, K, end text, end fraction.

Изчисляване на start text, q, end text с помощта на топлинния капацитет

Можем да използваме топлинния капацитет за определяне на топлината, освободена или погълната от даден материал, с помощта на следната формула:
start text, q, end text, equals, start text, m, end text, dot, start text, C, end text, dot, delta, start text, T, end text
където start text, m, end text е масата на веществото (в грамове), start text, C, end text е специфичният топлинен капацитет, а delta, start text, T, end text е промяната в температурата по време на топлинния пренос. Забележи, че и масата, и специфичният топлинен капацитет могат да имат само положителна стойност, затова знакът на start text, q, end text ще зависи от знака на delta, start text, T, end text. Можем да изчислим delta, start text, T, end text като използваме следното уравнение:
delta, start text, T, end text, equals, start text, T, end text, start subscript, start text, к, р, а, й, н, о, end text, end subscript, minus, start text, T, end text, start subscript, start text, н, а, ч, а, л, н, о, end text, end subscript
където start text, T, end text, start subscript, start text, к, р, а, й, н, о, end text, end subscript и start text, T, end text, start subscript, start text, н, а, ч, а, л, н, о, end text, end subscript могат да са в единици space, degrees, start text, C, end text или start text, K, end text. Според това уравнение, ако start text, q, end text е положително (енергията на системата се повишава), то температурата на нашата система се повишава и start text, T, end text, start subscript, start text, к, р, а, й, н, о, end text, end subscript, is greater than, start text, T, end text, start subscript, start text, н, а, ч, а, л, н, о, end text, end subscript. Ако start text, q, end text е отрицателно (енергията на системата намалява), то и температурата на нашата система намалява и start text, T, end text, start subscript, start text, к, р, а, й, н, о, end text, end subscript, is less than, start text, T, end text, start subscript, start text, н, а, ч, а, л, н, о, end text, end subscript.

Примерна задача: охлаждане на чаша чай

Да кажем, че имаме 250, start text, m, L, end text горещ чай, който бихме искали да изстине, преди да се опитаме да го пием. Чаят в момента е с температура 370, start text, K, end text, и бихме искали да се охлади до температура 350, start text, K, end text. Колко топлинна енергия трябва да бъде прехвърлена от чая към средата, за да се охлади той?
Чаша черен чай с резен лимон в една бяла чаена чаша с чинийка.
Горещият чай ще отдаде топлина към околната среда, докато се охлажда. Снимка от Photozou, CC BY-NC-ND 2,5
Ще приемем, че чаят е основно вода, за да можем да използваме плътността и топлинният капацитет на водата за нашите изчисления. Специфичният топлинен капацитет на водата е 4, comma, 18, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, g, end text, dot, start text, K, end text, end fraction, а плътността ѝ е 1, comma, 00, start fraction, start text, g, end text, divided by, start text, m, L, end text, end fraction. Можем да изчислим енергията, предадена по време на процеса на охлаждане на чая, като използваме следните стъпки:

1. Изчисли масата на веществото

Можем да изчислим масата на чая/водата с помощта на обема и плътността на водата:
start text, m, end text, equals, 250, space, start cancel, start text, m, L, end text, end cancel, dot, 1, comma, 00, start fraction, start text, g, end text, divided by, start cancel, start text, m, L, end text, end cancel, end fraction, equals, 250, space, start text, g, end text

2. Изчисли промяната в температурата, delta, start text, T, end text

Можем да изчислим промяната в температурата, delta, start text, T, end text, от началната и от крайната температура:
ΔT=Tкрайна−Tначална=350 K−370 K=−20 K\begin{aligned}\Delta \text T&=\text T_{\text{крайна}}-\text T_{\text{начална}}\\ \\ &=350\,\text K-370\,\text K\\ \\ &=-20\,\text K\end{aligned}
Тъй като температурата на чая намалява и delta, start text, T, end text е отрицателно, можем да очакваме, че start text, q, end text също щебъде отрицателно, тъй като нашата система губи термална енергия.

3. Решаване на start text, q, end text

Сега можем да решим за топлината, предадена от горещия чай, като използваме уравнението за топлина:
q=m⋅C⋅ΔT=250 g⋅4,18 Jg⋅K⋅−20 K=−21000 J\begin{aligned}\text q &= \text {m} \cdot \text C \cdot \Delta \text T\\ &=250\,\cancel{\text g} \cdot4{,}18\,\dfrac{\text J}{\cancel{\text g} \cdot \cancel{\text K}} \cdot -20\,\cancel{\text K}\\ &=-21000\,\text J\end{aligned}
Така изчисляваме, че чая ще предаде 21000, start text, J, end text енергия на околната среда, когато се охлажда от 370, start text, K, end text до 350, start text, K, end text.

Заключения

В термодинамиката топлината и температурата са тясно свързани понятия с точни определения.
  • Топлина, start text, q, end text, е термалната енергия, предадена от по-топла към по-студена система, когато двете системи са в контакт.
  • Температура е мярката на средната кинетична енергия на атомите или молекулите в системата.
  • Според нулевия закон на термодинамиката между два обекта в термално равновесие не се предава топлина; следователно те имат еднаква температура.
  • Можем да изчислим отделената или абсорбирана топлина като използваме конкретен топлинен капацитет start text, C, end text, масата на веществото start text, m, end text и промяната в температурата delta, start text, T, end text в уравнението:
start text, q, end text, equals, start text, m, end text, dot, start text, C, end text, dot, delta, start text, T, end text

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила
Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.