-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 5. Çàêîíû òåðìîäèíàìèêè § 5.2. Êîëè÷åñòâî òåïëîòû
Ñîñòîÿíèå ãàçà â öèëèíäðå áóäåò ìåíÿòüñÿ, åñëè ïîðøåíü çàêðåïèòü è íàãðåâàòü ãàç ïðè ïîìîùè ãîðåëêè (ðèñ. 5.5). Îáúåì ãàçà ïðè ýòîì íå ìåíÿåòñÿ, íî òåìïåðàòóðà è äàâëåíèå óâåëè÷èâàþòñÿ.  òàêèõ ñëó÷àÿõ ãîâîðÿò, ÷òî ñèñòåìå ïåðåäàíî íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî òåïëîòû. Ýòî åñòü âòîðîé ñïîñîá èçìåíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ òåë. Òåðìèí «êîëè÷åñòâî ïåðåäàííîé òåïëîòû» èëè, êîðî÷å, «êîëè÷åñòâî òåïëîòû» âîçíèê â òå âðåìåíà, êîãäà òåïëî ðàññìàòðèâàëîñü êàê íåóíè÷òîæèìàÿ æèäêîñòü — òåïëîðîä, ñïîñîáíàÿ ïåðåòåêàòü îò òåëà ñ áîëüøåé òåìïåðàòóðîé ê òåëó ñ ìåíüøåé òåìïåðàòóðîé. Ñ÷èòàëîñü, ÷òî ÷åì áîëüøå â òåëå òåïëîðîäà, òåì âûøå åãî òåìïåðàòóðà, à êîëè÷åñòâî òåïëîòû, ïåðåäàííîé òåëó, ïîíèìàëè êàê êîëè÷åñòâî ïåðåòåêøåãî ê íåìó òåïëîðîäà.  äåéñòâèòåëüíîñòè, êàê ìû òåïåðü õîðîøî çíàåì, íèêàêîé íåóíè÷òîæèìîé æèäêîñòè — òåïëîðîäà — íå ñóùåñòâóåò. Íàãðåâàíèå òåëà îçíà÷àåò óâåëè÷åíèå ñêîðîñòåé åãî ìîëåêóë. Ïðè âçàèìîäåéñòâèè ìåäëåííûõ ìîëåêóë õîëîäíîé ñèñòåìû ñ áîëåå áûñòðûìè ìîëåêóëàìè ãîðÿ÷åé íà ãðàíèöå ñèñòåì ïðîèñõîäèò âûðàâíèâàíèå êèíåòè÷åñêèõ ýíåðãèé ìîëåêóë.  ðåçóëüòàòå ñêîðîñòè ìîëåêóë õîëîäíîé ñèñòåìû óâåëè÷èâàþòñÿ, à ãîðÿ÷åé — óìåíüøàþòñÿ. Êàëîðèìåòðè÷åñêèå îïûòûÏîäîáíî òîìó êàê èçîáðåòåíèå òåðìîìåòðà ïîçâîëèëî äàòü îïðåäåëåíèå òåìïåðàòóðû, ïîíÿòèå êîëè÷åñòâà òåïëîòû ïðèîáðåëî òî÷íûé ñìûñë ïîñëå èçîáðåòåíèÿ êàëîðèìåòðà — ïðèáîðà, â êîòîðîì ìîæíî íàáëþäàòü òåïëîîáìåí ìåæäó òåëàìè, èçîëèðîâàííûìè îò âçàèìîäåéñòâèÿ ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé.
Âîçüìåì áîëüøîé òîíêîñòåííûé ìåòàëëè÷åñêèé ñîñóä, èìåþùèé ôîðìó ñòàêàíà. Ýòîò ñòàêàí ïîñòàâèì íà êóñî÷êè ïðîáêè âíóòðü äðóãîãî, áîëüøåãî ñòàêàíà òàê, ÷òîáû ìåæäó ñòàêàíàìè îñòàâàëñÿ ñëîé âîçäóõà. Ñâåðõó çàêðîåì îáà ñîñóäà êðûøêîé (ðèñ. 5.6). Ýòî íåñëîæíîå óñòðîéñòâî è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êàëîðèìåòð. Îí ñêîíñòðóèðîâàí òàê, ÷òîáû ìàêñèìàëüíî óìåíüøèòü òåïëîîáìåí ñîäåðæèìîãî âíóòðåííåãî ñòàêàíà ñ âíåøíåé ñðåäîé. Íàëüåì â êàëîðèìåòð âîäó, ìàññà êîòîðîé m1 è òåìïåðàòóðà t1 à çàòåì äîáàâèì â íåãî âîäû ìàññîé m2 è òåìïåðàòóðîé t2. Ïóñòü t2 > t1  ñîñóäå íà÷íåòñÿ òåïëîîáìåí, è ñïóñòÿ íåêîòîðîå âðåìÿ óñòàíîâèòñÿ ñîñòîÿíèå òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ — îáå ïîðöèè âîäû ïðèìóò îäèíàêîâóþ òåìïåðàòóðó t. Î÷åâèäíî, t1 < t < t2. Èçìåíåíèå ñîñòîÿíèÿ îáåèõ ïîðöèé âîäû ìîæíî îòíåñòè çà ñ÷åò òîãî, ÷òî ïåðâàÿ ïîðöèÿ ïîëó÷èëà íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî òåïëîòû, à âòîðàÿ åãî îòäàëà. ×àñòü òåïëîòû áóäåò ïåðåäàíà ñòåíêàì ñàìîãî êàëîðèìåòðà. Íî åñëè åãî ìàññà âî ìíîãî ðàç ìåíüøå ìàññ m1 è m2, òî ìîæíî ïðåíåáðå÷ü íàãðåâîì ñîñóäà, íå äîïóñòèâ ïðè ýòîì áîëüøîé îøèáêè. Êàê âèäèòå, îïûò êðàéíå ïðîñò. Íî ïîíàäîáèëîñü íåìàëî îñòðîóìèÿ è íàñòîé÷èâîñòè, ÷òîáû ñ ïîìîùüþ ýòîãî è ïîäîáíûõ åìó îïûòîâ îáíàðóæèòü ñîõðàíåíèå íîâîé, íåèçâåñòíîé ðàíåå âåëè÷èíû. Ïðåæäå âñåãî áûëî çàìå÷åíî, ÷òî äëÿ äàííûõ ìàññ âîäû m1 è m2 ïðè ëþáûõ çíà÷åíèÿõ íà÷àëüíûõ òåìïåðàòóð t1 è t2 âûïîëíÿåòñÿ çàìå÷àòåëüíîå ïî ñâîåé ïðîñòîòå ðàâåíñòâî:
Ïðè÷åì çàìåòüòå, íèêòî íå çíàë, ÷òî äîëæíà ñóùåñòâîâàòü êàêàÿ-ëèáî ïðîñòàÿ ñâÿçü ìåæäó èçìåíåíèÿìè òåìïåðàòóð è ìàññàìè.  íàõîæäåíèè ïîäîáíûõ ïðîñòûõ ñâÿçåé è çàêëþ÷àåòñÿ îäíà èç ñòîðîí òàëàíòà ó÷åíîãî. Ðàñïîëàãàÿ êàëîðèìåòðîì, âû ñàìè ëåãêî ìîæåòå óáåäèòüñÿ â ñïðàâåäëèâîñòè ðàâåíñòâà (5.2.1). Ñóùåñòâåííî, ÷òî ôîðìóëà (5.2.1) âûïîëíÿåòñÿ íå òîëüêî äëÿ âîäû, íî è äëÿ ëþáîé æèäêîñòè. Òåïåðü óñëîæíèì îïûò. Âìåñòî âòîðîé ïîðöèè âîäû îïóñòèì â êàëîðèìåòð êóñîê æåëåçà ìàññîé m2, òåìïåðàòóðà êîòîðîãî t2 > t1. Ñ òå÷åíèåì âðåìåíè îïÿòü óñòàíîâèòñÿ ðàâíîâåñíîå ñîñòîÿíèå. Íî ñâÿçü ìåæäó òåìïåðàòóðàìè è ìàññàìè áóäåò èíîé.  ïðàâîé ÷àñòè âûðàæåíèÿ (5.2.1) ïîÿâèòñÿ êîýôôèöèåíò k:
Ýòîò êîýôôèöèåíò ìîæíî îïðåäåëèòü, èçìåðèâ t è çíàÿ t1, t2, m1 è m2. Åãî çíà÷åíèå îñòàåòñÿ íåèçìåííûì ïðè ëþáûõ ìàññàõ è íà÷àëüíûõ òåìïåðàòóðàõ âåùåñòâ. Íî åñëè âçÿòü âìåñòî æåëåçà àëþìèíèé èëè âìåñòî âîäû ìàñëî, òî çíà÷åíèå ýòîãî êîýôôèöèåíòà áóäåò äðóãèì. Îòñþäà ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî êîíå÷íàÿ òåìïåðàòóðà â êàëîðèìåòðå çàâèñèò íå òîëüêî îò ìàññ m1 è m2 âåùåñòâ, íî åùå îò ñïåöèôè÷åñêèõ òåïëîâûõ ñâîéñòâ ñàìèõ âåùåñòâ. Ýòó çàâèñèìîñòü è õàðàêòåðèçóåò êîýôôèöèåíò k. Òàê êàê äëÿ îäèíàêîâûõ âåùåñòâ k = 1, òî ýòîò êîýôôèöèåíò ìîæíî çàïèñàòü â âèäå îòíîøåíèÿ âåëè÷èí ñ2 è c1, õàðàêòåðèçóþùèõ òåïëîâûå ñâîéñòâà âåùåñòâ (íàïðèìåð, æåëåçà è âîäû). Íàðÿäó ñ îòíîøåíèåì ìàññ
|
|
|