حساب كمية الحرارة باستخدام طريقة exergy

الحرارة النوعية هي الطاقة المطلوبة لزيادة درجة حرارة 1 جرام من مادة نقية بمقدار 1 درجة. تعتمد المعلمة على تركيبتها الكيميائية وحالة التجميع: غازي أو سائل أو صلب. بعد اكتشافه ، بدأت جولة جديدة في تطوير الديناميكا الحرارية ، علم عمليات الطاقة العابرة ، والتي تتعلق بالحرارة وعمل النظام.

مستخدم، تستخدم الحرارة النوعية وأساسيات الديناميكا الحرارية في التصنيع مشعات وأنظمة مصممة لتبريد السيارات ، وكذلك في الكيمياء والهندسة النووية والديناميكا الهوائية. إذا كنت تريد معرفة كيفية حساب الحرارة المحددة ، فراجع المقالة المقترحة.

معادلة

قبل الشروع في الحساب المباشر للمعامل ، يجب أن تتعرف على الصيغة ومكوناتها.

صيغة حساب الحرارة النوعية هي كما يلي:

• ج = س / (م * ∆T)

تعتبر معرفة الكميات وتسمياتها الرمزية المستخدمة في الحساب أمرًا في غاية الأهمية. ومع ذلك ، من الضروري ليس فقط معرفة مظهرهم البصري ، ولكن أيضًا لفهم معنى كل منهم بوضوح. يتم تمثيل حساب السعة الحرارية النوعية لمادة ما بالمكونات التالية:

ΔT هو رمز يعني تغيرًا تدريجيًا في درجة حرارة مادة ما. يتم نطق الحرف "Δ" دلتا.

يمكن حساب ΔT باستخدام الصيغة:

ΔT = t2 - t1 ، أين

• T1 - درجة الحرارة الأولية ؛
• t2 هي درجة الحرارة النهائية بعد التغيير.

م هي كتلة المادة المستخدمة للتدفئة (غرام).

س - كمية الحرارة (J / J)

على أساس Tsr ، يمكن اشتقاق معادلات أخرى:

• Q = m * cp * T - مقدار الحرارة ؛
• m = Q / cr * (t2 - t1) - كتلة المادة ؛
• t1 = t2– (Q / cp * m) - درجة الحرارة الأولية ؛
• t2 = t1 + (Q / cp * m) - درجة الحرارة النهائية.

تعريف وصيغة كمية الحرارة

يمكن تغيير الطاقة الداخلية للنظام الحراري الديناميكي بطريقتين:

1. العمل على النظام ،
2. من خلال التفاعل الحراري.

لا يرتبط انتقال الحرارة إلى الجسم بأداء عمل مجهري على الجسم. في هذه الحالة ، فإن التغيير في الطاقة الداخلية ناتج عن حقيقة أن الجزيئات الفردية من الجسم ذات درجة الحرارة المرتفعة تعمل على بعض جزيئات الجسم ، التي لديها درجة حرارة أقل. في هذه الحالة ، يتم تحقيق التفاعل الحراري بسبب التوصيل الحراري. يمكن أيضًا نقل الطاقة من خلال الإشعاع. يسمى نظام العمليات المجهرية (التي لا تتعلق بالجسم كله ، ولكن بالجزيئات الفردية) بنقل الحرارة. يتم تحديد كمية الطاقة التي تنتقل من جسم إلى آخر نتيجة انتقال الحرارة من خلال كمية الحرارة التي تنتقل من جسم إلى آخر.

تعريف

الدفء

تسمى الطاقة التي يتلقاها الجسم (أو يمنحها) في عملية تبادل الحرارة مع الأجسام المحيطة (البيئة). يشار إلى الحرارة ، عادةً بالحرف Q.

هذه إحدى الكميات الأساسية في الديناميكا الحرارية. يتم تضمين الحرارة في التعبيرات الرياضية للمبدأين الأول والثاني للديناميكا الحرارية. يقال إن الحرارة هي طاقة في شكل حركة جزيئية.

يمكن نقل الحرارة إلى الجهاز (الجسم) ، أو يمكن إزالتها منه. من المعتقد أنه إذا تم نقل الحرارة إلى النظام ، فهذا أمر إيجابي.

تعليمات لحساب المعلمة

احسب من عند

المادة بسيطة للغاية ولكي تفعل ذلك ، عليك اتباع الخطوات التالية:

1. خذ صيغة الحساب: السعة الحرارية = Q / (م * ∆T)
2. اكتب البيانات الأولية.
3. أدخلها في الصيغة.
4. احسب واحصل على النتيجة.

على سبيل المثال ، دعونا نحسب مادة غير معروفة تزن 480 جرامًا ولها درجة حرارة 15 درجة مئوية ، والتي نتيجة التسخين (35 ألف جول) زادت إلى 250 درجة مئوية.

وفقًا للتعليمات الواردة أعلاه ، نقوم بالإجراءات التالية:

نكتب البيانات الأولية:

• س = 35 ألف ج.
• م = 480 جم ؛
• ΔT = t2 - t1 = 250–15 = 235 درجة مئوية.

نأخذ الصيغة ونستبدل القيم ونحل:

ج = Q / (م * ∆T) = 35 ألف جول / (480 جم * 235º) = 35 ألف جول / (112800 جم * º) = 0.31 جول / جم * º.

كمية الحرارة

كمية الحرارة هي الطاقة التي يفقدها الجسم أو يكتسبها أثناء انتقال الحرارة. هذا واضح أيضًا من الاسم. عند التبريد ، يفقد الجسم قدرًا معينًا من الحرارة ، وعند تسخينه سوف يمتص. وأظهرت لنا إجابات أسئلتنا على ماذا تعتمد كمية الحرارة؟ أولاً ، كلما زادت كتلة الجسم ، يجب إنفاق المزيد من الحرارة على تغيير درجة حرارته بدرجة واحدة. ثانيًا ، تعتمد كمية الحرارة المطلوبة لتسخين الجسم على المادة التي يتكون منها ، أي على نوع المادة. وثالثًا ، يعد الاختلاف في درجات حرارة الجسم قبل وبعد انتقال الحرارة مهمًا أيضًا لحساباتنا. بناء على ما سبق ، نستطيع حدد مقدار الحرارة بالصيغة:

س = سم (t_2-t_1) ،

حيث Q هي مقدار الحرارة ، م هي كتلة الجسم ، (t_2-t_1) هو الفرق بين درجة حرارة الجسم الأولية والنهائية ، c هي السعة الحرارية النوعية للمادة ، تم العثور عليها من الجداول المقابلة .

باستخدام هذه الصيغة ، يمكنك حساب كمية الحرارة اللازمة لتسخين أي جسم أو التي سيطلقها هذا الجسم عندما يبرد.

تقاس كمية الحرارة بالجول (1 جول) ، مثل أي نوع من الطاقة. ومع ذلك ، تم تقديم هذه القيمة منذ وقت ليس ببعيد ، وبدأ الناس في قياس كمية الحرارة قبل ذلك بكثير. واستخدموا وحدة مستخدمة على نطاق واسع في عصرنا - السعرات الحرارية (1 كالوري). 1 سعر حراري هو مقدار الحرارة المطلوب لتسخين 1 جرام من الماء بمقدار 1 درجة مئوية. بناءً على هذه البيانات ، يمكن لأولئك الذين يرغبون في حساب السعرات الحرارية في الطعام الذي يتم تناوله ، من أجل الفائدة ، حساب عدد لترات الماء التي يمكن غليها بالطاقة التي يستهلكونها مع الطعام خلال اليوم.

دفع

دعونا نجري الحساب CP

الماء والقصدير في الظروف التالية:

• م = 500 جرام
• t1 = 24ºC و t2 = 80ºC - للمياه ؛
• t1 = 20ºC و t2 = 180ºC - للقصدير ؛
• س = 28 ألف ج.

بادئ ذي بدء ، نحدد ΔT للمياه والقصدير ، على التوالي:

• ΔТв = t2 - t1 = 80–24 = 56 درجة مئوية
• ΔТо = t2 - t1 = 180–20 = 160 درجة مئوية

ثم نجد الحرارة النوعية:

1. с = Q / (m * ΔТв) = 28 ألف جول / (500 جم * 56 درجة مئوية) = 28 ألف جول / (28 ألف جم * C) = 1 جول / جم * درجة مئوية.
2. ق = س / (م * إلى) = 28 ألف جول / (500 جم * 160 درجة مئوية) = 28 ألف جول / (80 ألف جم * ج) = 0.35 جول / جم * درجة مئوية.

وهكذا ، كانت الحرارة النوعية للماء 1 جول / جم * درجة مئوية ، وتلك الخاصة بالقصدير 0.35 جول / جم * درجة مئوية. ومن ثم ، يمكننا أن نستنتج أنه مع القيمة المتساوية للحرارة المزودة البالغة 28 ألف جول ، فإن القصدير سوف يسخن أسرع من الماء ، لأن سعته الحرارية أقل.

لا تقتصر السعة الحرارية على الغازات والسوائل والمواد الصلبة فحسب ، بل أيضًا عن طريق الطعام.

معادلة حساب الحرارة عندما تتغير درجة الحرارة

سيتم الإشارة إلى المقدار الأولي للحرارة على أنه. لاحظ أن عنصر الحرارة الذي يستقبله النظام (يتخلى عنه) مع تغيير بسيط في حالته ليس فارقًا تامًا. والسبب في ذلك هو أن الحرارة هي إحدى وظائف عملية تغيير حالة النظام.

الكمية الأولية للحرارة التي يتم نقلها إلى النظام ، وتغير درجة الحرارة من T إلى T + dT ، تساوي:

حيث C هي السعة الحرارية للجسم. إذا كان الجسم المعني متجانسًا ، فيمكن تمثيل الصيغة (1) لكمية الحرارة على النحو التالي:

أين هي الحرارة النوعية للجسم ، م هي كتلة الجسم ، هي الحرارة المولية ، هي الكتلة المولية للمادة ، وعدد مولات المادة.

إذا كان الجسم متجانسًا ، وكانت السعة الحرارية مستقلة عن درجة الحرارة ، فيمكن حساب كمية الحرارة () التي يتلقاها الجسم مع زيادة درجة حرارته بمقدار ما على النحو التالي:

حيث t2 ، t1 درجة حرارة الجسم قبل التسخين وبعده.يرجى ملاحظة أن درجات الحرارة عند إيجاد الفرق () في الحسابات يمكن استبدالها بالدرجة المئوية والكلفن.

كيفية حساب السعة الحرارية للطعام

عند حساب قدرة الطاقة تأخذ المعادلة الشكل التالي:

ج = (4.180 * ث) + (1.711 * ع) + (1.928 * و) + (1.547 * ج) + (0.908 * أ) ، حيث:

• w هي كمية الماء في المنتج ؛
• p هي كمية البروتينات في المنتج ؛
• و هي النسبة المئوية للدهون ؛
• ج هي النسبة المئوية للكربوهيدرات.
• أ هي النسبة المئوية للمكونات غير العضوية.

تحديد السعة الحرارية لجبن كريم الفيولا المعالج... للقيام بذلك ، نكتب القيم المطلوبة من تركيبة المنتج (الوزن 140 جرامًا):

• ماء - 35 جم ؛
• البروتينات - 12.9 جم ؛
• دهون - 25.8 جم ؛
• الكربوهيدرات - 6.96 جم ؛
• مكونات غير عضوية - 21 جم.

ثم نجد مع:

• ج = (4.180 * ث) + (1.711 * ع) + (1.928 * ف) + (1.547 * ج) + (0.908 * أ) = (4.180 * 35) + (1.711 * 12.9) + (1.928 * 25 ، 8) ) + (1.547 * 6.96) + (0.908 * 21) = 146.3 + 22.1 + 49.7 + 10.8 + 19.1 = 248 كيلو جول / كجم * درجة مئوية.

ما الذي يحدد مقدار الحرارة

تتغير الطاقة الداخلية للجسم عند القيام بالعمل أو نقل الحرارة. مع ظاهرة انتقال الحرارة ، يتم نقل الطاقة الداخلية عن طريق التوصيل الحراري أو الحمل الحراري أو الإشعاع.
كل جسم ، عند تسخينه أو تبريده (أثناء انتقال الحرارة) ، يتلقى أو يفقد قدرًا من الطاقة. بناءً على ذلك ، من المعتاد أن نطلق على هذه الكمية من الطاقة مقدار الحرارة.

وبالتالي، كمية الحرارة هي الطاقة التي يعطيها الجسم أو يتلقاها في عملية نقل الحرارة.

ما مقدار الحرارة اللازمة لتسخين الماء؟ باستخدام مثال بسيط ، يمكنك فهم أن كميات مختلفة من الحرارة مطلوبة لتسخين كميات مختلفة من الماء. لنفترض أننا أخذنا أنبوبي اختبار بسعة 1 لتر من الماء و 2 لتر من الماء. في هذه الحالة يتطلب المزيد من الحرارة؟ في الثانية ، حيث يوجد 2 لتر من الماء في أنبوب الاختبار. سيستغرق الأنبوب الثاني وقتًا أطول حتى يسخن إذا قمنا بتسخينه بنفس مصدر النار.

وبالتالي ، فإن كمية الحرارة تعتمد على وزن الجسم. كلما كانت الكتلة أكبر ، زادت الحرارة المطلوبة للتدفئة ، وبالتالي ، يحتاج الجسم إلى مزيد من الوقت ليبرد.

ما الذي تعتمد عليه كمية الحرارة أيضًا؟ بطبيعة الحال ، من اختلاف درجات الحرارة بين الأجسام. لكن هذا ليس كل شيء. بعد كل شيء ، إذا حاولنا تسخين الماء أو الحليب ، فسنحتاج إلى مقدار مختلف من الوقت. بمعنى ، اتضح أن كمية الحرارة تعتمد على المادة التي يتكون منها الجسم.

نتيجة لذلك ، اتضح أن كمية الحرارة اللازمة للتدفئة أو كمية الحرارة التي يتم إطلاقها عندما يبرد الجسم تعتمد على كتلته وعلى التغيرات في درجة الحرارة وعلى نوع المادة التي يتكون منها الجسم.

نصائح مفيدة

دائما تذكر هذا:

• تكون عملية تسخين المعدن أسرع من تسخين الماء ، لأنها كذلك CP
  2.5 مرة أقل
• إذا أمكن ، قم بتحويل النتائج إلى ترتيب أعلى ، إذا سمحت الظروف بذلك ؛
• من أجل التحقق من النتائج ، يمكنك استخدام الإنترنت والبحث عن المادة المحسوبة ؛
• في ظل نفس الظروف التجريبية ، ستلاحظ تغيرات أكثر أهمية في درجات الحرارة للمواد ذات الحرارة النوعية المنخفضة.

صيغة مقدار الحرارة أثناء انتقالات الطور

يكون الانتقال من مرحلة مادة إلى أخرى مصحوبًا بامتصاص أو إطلاق كمية معينة من الحرارة ، والتي تسمى حرارة انتقال الطور.

لذلك ، لنقل عنصر من المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة ، يجب إخباره بكمية من الحرارة () تساوي:

أين هي الحرارة المحددة للانصهار ، dm هو عنصر كتلة الجسم. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الجسم يجب أن يكون لديه درجة حرارة مساوية لدرجة حرارة انصهار المادة قيد الدراسة. أثناء التبلور ، يتم إطلاق حرارة مساوية لـ (4).

يمكن العثور على كمية الحرارة (حرارة التبخر) اللازمة لتحويل السائل إلى بخار على النحو التالي:

أين ص هي الحرارة النوعية للتبخر. عندما يتكثف البخار ، يتم إطلاق الحرارة. حرارة التبخير تساوي حرارة تكثيف كتل متساوية من المادة.

كيفية حساب كمية الحرارة لتسخين الجسم

على سبيل المثال ، من الضروري حساب كمية الحرارة التي يجب إنفاقها لتسخين 3 كجم من الماء من درجة حرارة 15 درجة مئوية إلى درجة حرارة 85 درجة مئوية. نحن نعلم الحرارة النوعية للماء ، أي كمية الطاقة اللازمة لتسخين 1 كجم من الماء بمقدار درجة واحدة. أي لمعرفة كمية الحرارة في حالتنا ، تحتاج إلى ضرب السعة الحرارية النوعية للماء بمقدار 3 وعدد الدرجات التي تحتاج بها لزيادة درجة حرارة الماء. إذن هذا هو 4200 * 3 * (85-15) = 882000.

بين قوسين ، نحسب العدد الدقيق للدرجات ، ونطرح الأولي

لذلك ، من أجل تسخين 3 كجم من الماء من 15 إلى 85 درجة مئوية ، نحتاج إلى 882000 جول من كمية الحرارة.

يشار إلى كمية الحرارة بالحرف Q ، وصيغة حسابها هي كما يلي:

س = ج * م * (t2-t1).

ما هي الحرارة النوعية

كل مادة في الطبيعة لها خصائصها الخاصة ، وتسخين كل مادة على حدة يتطلب كمية مختلفة من الطاقة ، أي كمية الحرارة.

الحرارة النوعية لمادة ما هي قيمة تساوي كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى جسم كتلته 1 كيلوغرام من أجل تسخينه إلى درجة حرارة 1 درجة مئوية

يُشار إلى الحرارة النوعية بالحرف c ولها قيمة قياس J / كجم *

على سبيل المثال ، السعة الحرارية النوعية للماء هي 4200 J / kg * 0C. أي أن هذه هي كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى 1 كجم من الماء لتسخينها بمقدار 1 درجة مئوية.

يجب أن نتذكر أن السعة الحرارية النوعية للمواد في حالات التجميع المختلفة مختلفة. أي أن كمية مختلفة من الحرارة مطلوبة لتسخين الثلج بمقدار 1 درجة مئوية.