Ջերմաքանակ

Երբ ջերմադինամիկական համակարգն աշխատանք է կատարում, այդ պրոցեսում փոխվում է նրա վիճակը, հետևաբար՝ նաև համակարգի ներքին էներգիան։ Սակայն համակարգի վիճակը կարելի է փոփոխել նաև առանց աշխատանք կատարելու։ Օրինակ եթե գլանում գազի ծավալը պահենք հաստատուն ամրացնելով մխոցը և այն տաքացնենք (նկ 1), ապա գազի վիճա կկփոխվի.նրա ջերմաստիճանը $P$ ճնշումը կաճեն։ Կմեծանա նաև գազի ներքին էներգիան։ Տվյալ դեպքում գործ ունենք ջերմափոխանակման (ջերմահաղորդման) պրոցեսի հետ, երբ մի մարմնից մյուսին էներգիա է հաղորդվում առանց աշխատանք կատարելու (մխոցն ամրացված է ${\mathcal {4}}V=0$, ուստի $A'=0$)։

• Ջերմափոխանակման պրոցեսում համակարգին տրված կամ նրանից վերցված էներգիան կոչվում է ջերմաքանակ։

Ջերմափոխանակում

Հաստատուն ծավալով գազի տաքացումը(Նկ.1)

Ջերմափոխանակումը համակարգի վիճակի փոփոխության երկրորդ ձևն է։ Ընդունված է մարմնի ստացած (կամ մարմնին հաղորդած) ջերմաքանակը համարել դրական՝ $Q>0$, իսկ մարմնի տված (կամ մարմնից վերցված) ջերմաքանակը բացասական $Q<0$ (հաճախ ասում են նաև որ մարմինն ստանում է բացասական ջերմաքանակ)։

Մոլեկուլային-կինետիկ տեսության համաձայն ջերմահաղորդման պրոցեսում տաք մարմնի մոլեկուլները, փոխազդելով սառը մարմնի մոլեկուլների հետ, նրանց են հաղորդում իրենց կինետիկ էներգիայի միմասը տաք մարմնի ներքին էներգիան նվազում է, իսկ սառը մարմնինը աճում։ Տաք մարմինը, որպես ջերմաքանակ, սառը մարմնին է տալիս որոշակի ներքին էներգիա։

Տեսակարար ջերմունակություն

$m$ զանգվածով մարմնի ջերմաստիճանը $t_{1}$-ից $t_{2}$ դարձնելու համար պահանջվող ջերմաքանակը՝

$Q=mc(t_{2}-t_{1})=mc{\mathcal {4}}t$

որտեղ $c$-ն մարմնի տեսակարար ջերմունակությունն է, ${\mathcal {4}}t=t_{2}-t_{1}$ մարմնի ջերմաստիճանի փոփոխությունը։ Մարմինը տաքացնելիս նրան տրվում է ջերմաքանակ $Q>0$, և մարմնի ջերմաստիճանն աճում է ${\mathcal {4}}t>0(t_{2}-t_{1})$: Եթե մարմնից վերցվում է ջերմաքանակ $Q<0$, ապա մարմնի ջերմաստիճանը նվազում է $t_{2}<t_{1}$:

• $c$ տեսակարար ջերմունակությունը նյութի ջերմային հատկությունները բնութագրող մեծություն է և թվապես հավասար է այն ջերմաքանակին, որն անհրաժեշտ է 1 կգ նյութի ջերմաստիճանը մեկ աստիճանով (1 Կ-ով) փոփոխելու համար։ Այն արտահայտվում է Ջ/(կգ*Կ) միավորով։

Ջերմունակություն

Այն ջերմաքանակը, որն անհրաժեշտ է $m$ զանգվածով մարմնի ջերմաստիճանը 1Կ-ով փոփոխելու համար, կոչվում է ջերմունակություն $(C)$. այն արտահայտվում է Ջ/Կ միավորով։

Հաճախ օգտագործում են նաև մեկ մոլ նյութի կամ մոլային ջերմունակության $(C_{n})$ հասկացությունը։ Մոլային ջերմունակությունն արտահայտվում է Ջ/(մոլ*Կ) միավորով։ Այս ջերմունակությունները կապված են հետևյալ պարզ առնչություններով՝

$C=cm$ $C_{\mu }={\frac {C}{\nu }}=Mc$

որտեղ $\nu$-ն նյութի քանակն է,$M$-ը՝ մոլային զանգվածը։

Կալորաչափի օրինակ

Կալորաչափի մեջ իջեցնենք $t_{2}$ սկզբնական ջերմաստիճանով մի մարմին, որի $c_{2}$ տեսակարար ջերմունակությունը պետք է որոշել։ Եթե կալորաչավում ջրի սկզբնական ջերմաստիճանը՝ $t_{1}<t_{2}$, ապա ջերմափոխանակման պրոցեսում մարմինը կհովանա, իսկ ջուրը կտաքանա։ Ջերմային հավասարակշռության վիճակում կալորաչափում հաստատվում է որոշակի է ջերմաստիճան, որն ավելի բարձր է, քան ջրի սկզբնական ջերմաստիճանը, բայց ավելի ցածր է, քան մարմնինը՝ $t_{1}<t<t_{2}$. Ջերմային հավասարակշռության գալու պրոցեսում ջուրն ստանում է

$Q_{1}=m_{1}c_{1}(t-t_{1})>0$

ջերմաքանակ, որտեղ $c_{1}$-ը ջրի տեսակարար ջերմունակությունն է, իսկ մարմինը ստանում է $Q_{2}=m_{2}c_{2}(t-t_{2})>0$

ջերմաքանակ։ Քանի որ կալորաչափը մեկուսացված է շրջապատից, ապա ջրի և մարմնի ստացած ջերմաքանակները պետք է լինեն մոդուլով իրար հավասար (իրականում գոյություն ունեցող ջերմային կորուստները կալորաչափում հասցված են նվազագույնի, ուստի դրանք կարելի է անտեսել)՝

$Q_{1}+Q_{2}=0$

որտեղից անհայտ տեսակարար ջերմունակությունը՝

$c_{2}=-c_{1}{\frac {m_{1}(t-t_{1})}{m_{2}(t-t_{2})}}=c_{1}{\frac {m_{1}(t-t_{1})}{m_{2}(t_{2}-t)}}$

Մասնավոր դեպքում, երբ իրար են խառնում $m_{1}$ և $m_{2}$ զանգվածներով ու $t_{1}$ և $t_{2}$ սկզբնական ջերմաստիճաններով ջրի բաժիններ, $Q_{1}+Q_{2}=0$ հավասարությունից խառնուրդի $t$ ջերմաստիճանի համար կստանանք՝

$t={\frac {m_{1}t_{1}+m_{2}t_{2}}{m_{1}+m_{2}}}$

Եթե մեկուսացված համակարգում ջերմափոխանակությանը մասնակցում է մի քանի մարմին, ապա $Q_{1}+Q_{2}=0$ բանաձևը կարելի է ընդհանրացնել՝

$Q_{1}+Q_{2}+...+Q_{n}=0$

որտեղ $Q_{1}+Q_{2}+...+Q_{n}$-ը մարմինների ստացած ջերմաքանակներն են։$Q_{1}+Q_{2}+...+Q_{n}=0$ բանաձևը հայտնի է որպես ջերմային հաշվեկշռի հավասարում։

Շոգեգոյացման տեսակարար ջերմունակություն

Որոշակի ֆիզիկական պրոցեսներ կարող են ընթանալ համակարգին ջերմաքանակ հաղորդելու կաճ համակարգից այն վերցնելու դեպքում։

• Հեղուկը հաստատուն ջերմաստիճանում ամբողջությամբ գոլորշու փոխակերպելու համար պահանջվող ջերմաքանակը կոչվում է՝ շոգեգոյացման ջերմություն(Q_շոգ)։
• 1 կգ զանգվածով հեղուկը հաստատուն ջերմաստիճանում գոլորշու փոխակերպելու համար անհրաժեշտ ջերմաքանակր կոչվում է շոգեգոյացման տեսակարար ջերմություն ($r$) և կախված է հեղուկի հատկություններից և ջերմաստիճանից։

Այն շոգեգոյացման ջերմության հետ կապված է

$Q=mr$

առնչությամբ։ Եթե տեղի է ունենում հակառակ գոլորշի $\rightarrow$ հեղուկ անցումը, ապա այդ պրոցեսում գոլորշին ստանում է՝

$Q_{xt}=-mr$ ջերմաքանակ։

Պինդ բյուրեղային մարմնի հալման ջերմաստիճանում նույն ջերմաստիճանի հեղուկի փոխակերպման համար անհրաժեշտ հալման ջերմաքանակի արտահայտությունը՝

$Q_{hal}=m\lambda$ ջերմաքանակ։

որտեղ $m$ հալման տեսակարար ջերմությունը 1կգ զանգվածով բյուրեղային նյութը հաստատուն ջերմաստիճանում հալույթի փոխակերպելու համար անհրաժեշտ ջերմաքանակն է։ Եթե $m$ զանգվածով հալույթը հալման ջերմաստիճանում փոխակերպվում է բյուրեղային մարմնի, ապա այդ պրոցեսում հալույթի ստացած ջերմաքանակը՝

$Q_{byur}=-m\lambda$

Շոգեգոյացման և հալման տեսակարար ջերմություններն ունեն նույն Ջ/կգ միավորը։

• Այն ջերմաքանակը, որն անջատվում է 1 կգ զանգվածով վառելիքը լրիվ այրվելիս, կոչվում է վառելիքի այրման տեսակարար ջերմություն ($q$) և արտահայտվում է Ջ/կգ միավորով։

$m$ զանգվածով վառելիքի այրման հետևանքով առաջանում է՝

$Q=mq$ ջերմաքանակ։

Այս ջերմաքանակը վառելիքում առկա ածխածնի և օդի թթվածնի միացմանհետևանքով անջատվող էներգիան է։