Ankstesniame straipsnyje (🔗 Molekulinė kinetinė teorija: žvilgsnis į medžiagos vidų) nagrinėjome medžiagos sandarą mikroskopiniu lygmeniu. Dabar pereisime prie termodinamikos – fizikos šakos, kuri tiria šiluminius reiškinius makroskopiniu lygmeniu, nagrinėdama energijos virsmus, susijusius su šiluma ir darbu. Susipažinsime su vidinės energijos sąvoka, jos keitimo būdais, šilumos kiekio skaičiavimu, o svarbiausia – su fundamentaliu pirmuoju termodinamikos dėsniu (energijos tvermės dėsniu šiluminiams procesams) bei antrojo ir trečiojo dėsnių pagrindinėmis idėjomis.
Vidinė energija: kas slypi kūno viduje?
Kiekvienas kūnas turi energijos net ir tada, kai nejuda ir nesąveikauja su kitais kūnais makroskopiniu lygmeniu. Ši energija vadinama vidine energija ($U$).
-
Apibrėžimas: Vidinė energija yra visų kūną sudarančių dalelių (molekulių, atomų) kinetinių energijų (dėl šiluminio judėjimo) ir jų tarpusavio sąveikos potencinių energijų suma. $$ U = \sum E_{k,i} + \sum E_{p,i} $$
-
Priklausomybė:
- Vidinė energija priklauso nuo kūno temperatūros (kuo aukštesnė $T$, tuo didesnė dalelių $E_k$, taigi ir $U$).
- Priklauso nuo medžiagos agregatinės būsenos (dujų $E_p \approx 0$, skysčiuose ir kietuosiuose kūnuose $E_p$ reikšminga ir neigiama). Pereinant iš vienos būsenos į kitą (lydantis, garuojant), vidinė energija kinta, net jei temperatūra lieka pastovi.
- Priklauso nuo medžiagos kiekio (masės) – kuo daugiau dalelių, tuo didesnė $U$.
-
Idealiųjų dujų vidinė energija: Kaip jau minėjome, idealiųjų dujų molekulės nesąveikauja ($E_p = 0$), todėl jų vidinė energija lygi tik molekulių kinetinių energijų sumai ir priklauso tik nuo temperatūros (ir medžiagos kiekio). Vienatomėms idealioms dujoms: $$ U = \frac{3}{2} \nu R T $$
-
Vidinės energijos keitimo būdai: Vidinę energiją galima pakeisti dviem būdais:
- Atliekant mechaninį darbą: Kai kūnas deformuojamas (trinamas, spaudžiamas), išorinės jėgos atlieka darbą, kuris virsta vidine energija (kūnas šyla). Ir atvirkščiai – kūno vidinė energija gali virsti mechaniniu darbu (pvz., dujos plėsdamosi stumia stūmoklį).
- Perduodant šilumą (šilumos mainai): Energijos perdavimas iš šiltesnio kūno šaltesniam be darbo atlikimo. Šilumos perdavimo būdai yra šilumos laidumas, konvekcija ir spinduliavimas.
Vaizdinė medžiaga: Schema, iliustruojanti vidinės energijos sudėtines dalis (kinetinę ir potencinę energiją). Paveikslėliai ar animacijos, rodantys vidinės energijos keitimą darbu (trinant delnus) ir šilumos perdavimu (šildant virdulį).
Šilumos kiekis: energijos perdavimo matas
Energijos kiekis, kurį kūnas gauna arba kurio netenka šilumos mainų būdu, vadinamas šilumos kiekiu ($Q$).
-
Šildymas/Aušinimas: Šilumos kiekis, reikalingas kūno temperatūrai pakeisti dydžiu $\Delta t = t_2 - t_1$ (arba $\Delta T$), apskaičiuojamas pagal formulę: $$ Q = cm\Delta t = cm(t_2 - t_1) $$ kur $m$ yra kūno masė, o $c$ – savitoji šiluminė talpa – medžiagos savybė, rodanti, kiek šilumos reikia suteikti 1 kg medžiagos, kad jos temperatūra pakiltų 1 K (arba 1 °C). SI vienetas: J/(kg·K). Kiekvienos medžiagos $c$ vertė yra skirtinga (vandens labai didelė).
-
Lydymasis/Kietėjimas: Šilumos kiekis, reikalingas kietąjį kūną (jau pasiekusį lydymosi temperatūrą $t_{lyd}$) paversti skysčiu, arba šilumos kiekis, išsiskiriantis kūnui kietėjant (esant tai pačiai temperatūrai), apskaičiuojamas: $$ Q_{lyd} = \lambda m $$ $$ Q_{kiet} = -\lambda m $$ kur $\lambda$ yra savitoji lydymosi šiluma – medžiagos savybė, rodanti, kiek šilumos reikia suteikti 1 kg kietosios medžiagos lydymosi temperatūroje, kad ji visiškai išsilydytų. SI vienetas: J/kg.
-
Garavimas/Kondensacija: Šilumos kiekis, reikalingas skystį (jau pasiekusį virimo temperatūrą $t_{vir}$) paversti garais, arba šilumos kiekis, išsiskiriantis garams kondensuojantis (virstant skysčiu toje pačioje temperatūroje): $$ Q_{gar} = L m $$ $$ Q_{kond} = -L m $$ kur $L$ yra savitoji garavimo šiluma – medžiagos savybė, rodanti, kiek šilumos reikia suteikti 1 kg skysčio virimo temperatūroje, kad jis visas virstų garais. SI vienetas: J/kg.
-
Kuro degimas: Šilumos kiekis, išsiskiriantis visiškai sudegus kurui: $$ Q_{deg} = q m $$ kur $q$ yra savitoji kuro degimo šiluma – rodo, kiek šilumos išsiskiria visiškai sudegus 1 kg kuro. SI vienetas: J/kg.
-
Šilumos balanso lygtis: Kai šilumos mainuose dalyvauja keli kūnai izoliuotoje sistemoje (nevyksta šilumos mainai su aplinka), bendras energijos kiekis išlieka pastovus. Šiltesni kūnai atiduoda šilumą ($Q_{atid} < 0$), šaltesni – gauna ($Q_{gav} > 0$). Pagal energijos tvermės dėsnį: $$ \sum Q_i = 0 \quad \text{arba} \quad \sum Q_{gav} = \sum |Q_{atid}| $$ Ši lygtis vadinama šilumos balanso lygtimi ir naudojama temperatūrai ar kitiems dydžiams apskaičiuoti po šilumos mainų.
Vaizdinė medžiaga: Grafikas, vaizduojantis kūno temperatūros kitimą ($T$) jam suteikiant šilumą ($Q$), įskaitant fazinius virsmus (lydymąsi, virimą) – matomos horizontalios atkarpos lydymosi ir virimo temperatūrose. Lentelės su įvairių medžiagų savitosiomis šiluminėmis talpomis, lydymosi ir garavimo šilumomis.
Interaktyvūs elementai: