9. Notranja energija in toplota

Transcript

1 9. Notranja energija in toplota - Toplota je tisti del notranje energije, ki se pretaka ed dvea telesoa, ko je ed njia teperaturna razlika! - Notranja energija telesa je sestavljena iz kinetične energije atoov ali olekul, energije vezi ed njii in notranjih energij posaičnih olekul. - Notranja energija idealnega plina je odvisna sao od teperature plina Energijski zakon W not = Q + A Specifična toplota snovi c = Q T toplotna kapaciteta telesa C = c Specifična talilna in izparilna toplota q t = Q t q i = Q i Toplotni tok P = Q gostota toplotnega toka j = P t S Enačba za prevajanje toplote P = Sλ T Sevanje črnega telesa j* = σt 4 d Izkoristek toplotnega stroja η = Q prejeta A oddano = 1 Q oddana Q prejeta 9.1 Toplota Pretakanje energije ed dvea telesoa oziroa sisteoa ki sta pri različnih teperaturah ienujeo toplota. Telesa saa niajo toplote, toplota se le pretaka ed njii! Toplota se ed sistei pretaka na naslednje načine a) Kondukcija dve telesi sta v»toplotne«stiku (se dotikata) in olekule enega sistea dobivajo kinetično energijo s trki ob olekule drugega sistea b) Konvekcija Deli tekočine oziroa plina ki iajo različne teperature se zaradi razlik v gostoti preikajo. S te se dogaja prenos toplote. c) Sevanje Vsa telesa sevajo- oddajajo elektroagnetno valovanje. Količina oddanega sevanja je odvisna od teperature(sonce seva bolj kot zelja) 9.2 Notranja energija in energijski zakon Notranja energija snovi je energija, ki jo telo vsebuje. Pri te ne upoštevao kinetične energije zaradi gibanja celotnega telesa ali potencialne energije zaradi zunanjih sil kot naprier teže. Med notranje energije spadajo kinetična energija gibanja olekul ali atoov, potencialna energija vezi (v trdninah in kapljevinah) in notranja energija atoov ki sestavljajo snov. Notranjo energijo snovi lahko spreenio če:

2 1. Dodao ali odvzaeo delo. 2. Dodao ali odvzaeo toploto. W not = Q + A [J] Če siste delo prejea je A pozitiven, če pa ga oddaja pa je negativen. Enako velja za toploto. 9.3 Specifična toplota snovi Toplotna kapaciteta predeta Če iao nek konkreten predet(npr krožnik) na njegova toplotna kapaciteta pove koliko toplote u boo orali dodati da se bo njegova teperatura povišala za en Kelvin. Izračunao(ali izerio) jo kot C = Q T [ J K ] Kjer je Q toplota ki jo krožnik preje in ΔT spreeba teperature. Specifična toplota snovi Če boo izerili da ia neki krožnik toplotno kapaciteto 30 J/K pote boo za dva taka krožnika ugotovili da iata dvakrat večjo toplotno kapaciteto. Zato lahko poje toplotne kapaciteve posplošio, in izračunao kolikšna je toplota potrebna, da kilogra določene snovi segrejeo za 1 Kelvin. Izparilna in talina toplota c = Q T Ko snov doživlja fazni prehod se njena teperatura ne spreinja. Z dodajanje toplote se sao povečuje asa snovi ki se je stalila ali izparila. Toploto, ki je potrebna, da 1 kg določene snovi zaenja agregatno stanje ienujeo specifična izparilna ali talilna toplota (odvisno od prehoda). q t = Q t q i = Q i Teperature faznih prehodov so odvisne od pritiska in različne za različne snovi 9.4 Prevajanje toplote S toplotni toko opisujeo, kako hitro se toplota pretaka iz kraja v kraj. Definiran je kot P = Q t [J s ] gostota toplotnega toka pa kot j = P S [ J s 2]

3 Če se oejio na kondukcijo je toplotni tok odvisen od vrste snovi skozi katero se toplota pretaka, teperaturne razlike in površine stika. To zapišeo kot P = Sλ T d Toplotni tok pri kondukciji Kjer je λ teperaturni koeficient, ki je odvisen od snovi, d debelina plasti skozi katero tok teče in S njena površina. Vsako telo oddaja toploto tudi s sevanje(elektroagnetno sevanje, tudi svetloba). Od običajnih teles se poleg tega da saa sevajo, sevanje tudi odbija. V prieru svetlobe se na površine ki odbijajo velik delež svetlobe zdijo bele, tiste, ki pa večino svetlobe zadržijo pa črne. Telo ki bi zadržalo vso sevanje, ki bi padlo nanj ienujeo»črno telo«. Vso sevanje, ki bi prihajalo od takega telesa, bi bilo izsevano s strani telesa saega. Gostoto toplotnega toka, ki bi ga izsevalo tako telo na pove Stefan Boltzanov zakon Tukaj je σ Stefanova konstanta j* = σt Toplotni stroji Toplotni stroji so stroji ki izkoriščajo pretakanje toplote ed dvea telesoa z različnia teperaturaa, tako da del toplotnega toka pretvorijo v delo, ali pa v delo pretvorijo del notranje energije. Pri hladilnih strojih je proces obraten saj s poočjo dela črpajo toploto na področje z višjo teperaturo Izkoristek toplotnega stroja je enak η = Q 1 A = 1 Q 2 Q 1 In učinek hladilega stroja η = Q 2 A = 1 Q 1 Q 2 Učinek toplotnih in hladilnih strojev je vedno anjši od 1! Vsa toplota se nikoli ne ore spreeniti v delo ali obratno.

4 9.6 Vaje 1. V toplotno izolirani posodi je 1 kg vode, ki jo ogrevao z ešanje. Mešalec poganja 100 kilograska utež ki se v času ešanja spusti za 3 etre. Za koliko se segreje voda v posodi.specifična toplota vode je 4200 J/kgK. (0.007 K) 2. V toplotno izolirano posodo, ki vsebuje 1.2 kg orske vode (c=3900 J/kgK) in ia teperaturo 30 C, vlijeo 2 kilograa navadne vode (c=4200j/kgk). Zesna teperatura je 70 C. a) Kolikšna je bila začetna teperatura navadne vode(92 C). b) V posodo streseo 0,7 kg ledu pri teperaturi -12 C. Kakšna je končna teperatura ešanice(42 C) 3. Napolnjen bazen s prostornino 6003 (25 x 10 x 2.4)segrejeo do teperature 25 C. Voda se v pol ure ohladi za 0,5 K. a)kolikšen toplotni tok teče iz bazena?(700kj/s) b)kakšna je gostota toplotnega toka, če predpostavljao da toplota odteka le skozi površino bazena(ne odteka skozi stene, ki so dobro izolirane) (2800 J/2s) 4. Prostor brez oken grejeo s pečjo ki oddaja 3200 W. Tla so dobro izolirana edte ko so stene iz opeke debele 40 c. Soba je kvadratna s stranico 5. Zunanja teperatura je 5 C. Čez dolgo časa se teperatura v sobi ustali na 25 C. Kakšen je koeficient toplotne prevodnosti opeke? (λ=0.51) 5. Parni stroj porabi 30 kg preoga na uro, od katerega dobi 420 MJ toplote. Od te toplote jo v okolje uide 320MJ. Kakšna je učinkovitost parnega stroja in s kakšno očjo dela(0.24, P= 27kW)

5