Come trovare la quantità di calore ricevuto. Energia interna

Come è noto, durante vari processi meccanici si verifica una variazione di energia meccanica W mah. Una misura della variazione di energia meccanica è il lavoro delle forze applicate al sistema:

\(~\Delta W_(meh) = A.\)

Durante lo scambio di calore si verifica un cambiamento nell'energia interna del corpo. Una misura della variazione di energia interna durante il trasferimento di calore è la quantità di calore.

Quantità di caloreè una misura della variazione di energia interna che un corpo riceve (o cede) durante il processo di scambio termico.

Pertanto, sia il lavoro che la quantità di calore caratterizzano la variazione di energia, ma non sono identici all'energia. Non caratterizzano lo stato del sistema stesso, ma determinano il processo di transizione energetica da un tipo all'altro (da un corpo all'altro) quando lo stato cambia e dipendono in modo significativo dalla natura del processo.

La principale differenza tra lavoro e quantità di calore è che il lavoro caratterizza il processo di modifica dell'energia interna di un sistema, accompagnato dalla trasformazione dell'energia da un tipo all'altro (da meccanica a interna). La quantità di calore caratterizza il processo di trasferimento dell'energia interna da un corpo all'altro (da più riscaldato a meno riscaldato), non accompagnato da trasformazioni energetiche.

L'esperienza dimostra che la quantità di calore necessaria per riscaldare una massa corporea M sulla temperatura T 1 alla temperatura T 2, calcolato dalla formula

\(~Q = cm (T_2 - T_1) = cm \Delta T, \qquad (1)\)

Dove C- capacità termica specifica della sostanza;

\(~c = \frac(Q)(m (T_2 - T_1)).\)

L'unità SI della capacità termica specifica è joule per chilogrammo Kelvin (J/(kg K)).

Calore specifico Cè numericamente uguale alla quantità di calore che deve essere impartita a un corpo del peso di 1 kg per riscaldarlo di 1 K.

Capacità termica corpo C T è numericamente uguale alla quantità di calore necessaria per modificare la temperatura corporea di 1 K:

\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = cm.\)

L'unità SI della capacità termica di un corpo è joule per Kelvin (J/K).

Per trasformare un liquido in vapore a temperatura costante è necessario spendere una certa quantità di calore

\(~Q = Lm, \qquad (2)\)

Dove l- calore specifico di vaporizzazione. Quando il vapore si condensa, viene rilasciata la stessa quantità di calore.

Per sciogliere un corpo cristallino che pesa M nel punto di fusione il corpo ha bisogno di comunicare la quantità di calore

\(~Q = \lambda m, \qquad (3)\)

Dove λ - calore specifico di fusione. Quando un corpo cristallizza, viene rilasciata la stessa quantità di calore.

La quantità di calore rilasciata durante la combustione completa di una massa di combustibile M,

\(~Q = qm, \qquad (4)\)

Dove Q- calore specifico di combustione.

L'unità SI dei calori specifici di vaporizzazione, fusione e combustione è joule per chilogrammo (J/kg).

Letteratura

Aksenovich L. A. Fisica nella scuola secondaria: teoria. Compiti. Test: libro di testo. indennità per gli istituti che forniscono istruzione generale. ambiente, educazione / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 154-155.

Cosa si scalderà più velocemente sul fornello: un bollitore o un secchio d'acqua? La risposta è ovvia: una teiera. Allora la seconda domanda è: perché?

La risposta non è meno ovvia, perché la massa d'acqua nel bollitore è inferiore. Grande. E ora puoi vivere tu stesso una vera esperienza fisica a casa. Per fare questo, avrai bisogno di due pentolini identici, una uguale quantità di acqua e olio vegetale, ad esempio mezzo litro ciascuno e un fornello. Mettete sullo stesso fuoco le pentole con l'olio e l'acqua. Ora guarda cosa si scalderà più velocemente. Se avete un termometro per liquidi potete usarlo; in caso contrario potete semplicemente testare la temperatura con il dito di tanto in tanto, facendo solo attenzione a non scottarvi. In ogni caso, vedrai presto che l'olio si riscalda molto più velocemente dell'acqua. E ancora una domanda, che può essere implementata anche sotto forma di esperienza. Cosa bollirà più velocemente: acqua calda o fredda? Tutto è di nuovo ovvio: quello caldo sarà il primo al traguardo. Perché tutte queste strane domande ed esperimenti? Determinare la grandezza fisica detta “quantità di calore”.

Quantità di calore

La quantità di calore è l'energia che un corpo perde o acquista durante il trasferimento di calore. Questo è chiaro dal nome. Durante il raffreddamento, il corpo perderà una certa quantità di calore e durante il riscaldamento lo assorbirà. E le risposte alle nostre domande ce lo hanno mostrato Da cosa dipende la quantità di calore? Innanzitutto, maggiore è la massa di un corpo, maggiore è la quantità di calore che deve essere spesa per modificarne la temperatura di un grado. In secondo luogo, la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo dipende dalla sostanza di cui è costituito, cioè dal tipo di sostanza. In terzo luogo, per i nostri calcoli è importante anche la differenza della temperatura corporea prima e dopo il trasferimento di calore. Sulla base di quanto sopra, possiamo determinare la quantità di calore utilizzando la formula:

dove Q è la quantità di calore,
m - peso corporeo,
(t_2-t_1) - la differenza tra la temperatura corporea iniziale e finale,
c è la capacità termica specifica della sostanza, ricavata dalle tabelle corrispondenti.

Usando questa formula, puoi calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare qualsiasi corpo o che questo corpo rilascerà durante il raffreddamento.

La quantità di calore si misura in joule (1 J), come qualsiasi tipo di energia. Tuttavia, questo valore è stato introdotto non molto tempo fa e le persone hanno iniziato a misurare la quantità di calore molto prima. E hanno utilizzato un'unità ampiamente utilizzata ai nostri tempi: calorie (1 cal). 1 caloria è la quantità di calore necessaria per riscaldare 1 grammo di acqua di 1 grado Celsius. Guidati da questi dati, chi ama contare le calorie del cibo che mangia può, per divertirsi, calcolare quanti litri d'acqua possono essere bolliti con l'energia che consuma con il cibo durante la giornata.

Esercizio 81.
Calcolare la quantità di calore che verrà rilasciata durante la riduzione del Fe 2O3 alluminio metallico se si ottenevano 335,1 g di ferro. Risposta: 2543,1 kJ.
Soluzione:
Equazione di reazione:

= (Al 2 O 3) - (Fe 2 O 3) = -1669,8 -(-822,1) = -847,7 kJ

Il calcolo della quantità di calore rilasciata quando si ricevono 335,1 g di ferro si effettua dalla proporzione:

(2 . 55,85) : -847,7 = 335,1 : X; x = (0847.7 . 335,1)/ (2 . 55,85) = 2543,1 kJ,

dove 55,85 massa atomica di ferro.

Risposta: 2543,1 kJ.

Effetto termico della reazione

Compito 82.
L'alcol etilico gassoso C2H5OH può essere ottenuto dall'interazione di etilene C 2 H 4 (g) e vapore acqueo. Scrivi l'equazione termochimica di questa reazione, dopo aver calcolato il suo effetto termico. Risposta: -45,76 kJ.
Soluzione:
L'equazione di reazione è:

C2H4 (g) + H2O (g) = C2H5OH (g); = ?

I valori dei calori standard di formazione delle sostanze sono riportati in apposite tabelle. Considerando che i calori di formazione delle sostanze semplici sono convenzionalmente assunti pari a zero. Calcoliamo l'effetto termico della reazione utilizzando una conseguenza della legge di Hess, otteniamo:

= (C2H5OH) – [ (C2H4) + (H2O)] =
= -235,1 -[(52,28) + (-241,83)] = - 45,76 kJ

Le equazioni di reazione in cui accanto ai simboli dei composti chimici sono indicati il loro stato di aggregazione o modificazione cristallina, nonché il valore numerico degli effetti termici, sono chiamate termochimiche. Nelle equazioni termochimiche, se non diversamente indicato, i valori degli effetti termici a pressione costante Q p sono indicati pari alla variazione di entalpia del sistema. Il valore viene solitamente indicato sul lato destro dell'equazione, separato da una virgola o un punto e virgola. Sono accettate le seguenti designazioni abbreviate per lo stato di aggregazione di una sostanza: G- gassoso, E- liquido, A

Se il calore viene rilasciato a seguito di una reazione, allora< О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:

C2H4(g) + H2O (g) = C2H5OH (g); = -45,76 kJ.

Risposta:- 45,76 kJ.

Compito 83.
Calcolare l'effetto termico della reazione di riduzione dell'ossido di ferro (II) con idrogeno sulla base delle seguenti equazioni termochimiche:

a) EO (k) + CO (g) = Fe (k) + CO 2 (g); = -13,18 kJ;
b) CO (g) + 1/2O 2 (g) = CO 2 (g); = -283,0 kJ;
c) H2(g) + 1/2O2 (g) = H2O(g); = -241,83 kJ.
Risposta: +27,99 kJ.

Soluzione:
L'equazione di reazione per la riduzione dell'ossido di ferro (II) con idrogeno ha la forma:

EeO (k) + H 2 (g) = Fe (k) + H 2 O (g); = ?

= (H2O) – [ (FeO)

Il calore di formazione dell'acqua è dato dall'equazione

H2(g) + 1/2O2 (g) = H2O(g); = -241,83 kJ,

e il calore di formazione dell'ossido di ferro (II) può essere calcolato sottraendo l'equazione (a) dall'equazione (b).

=(c) - (b) - (a) = -241,83 – [-283,o – (-13,18)] = +27,99 kJ.

Risposta:+27,99 kJ.

Compito 84.
Quando l'idrogeno solforato gassoso e l'anidride carbonica interagiscono, si formano vapore acqueo e disolfuro di carbonio CS 2 (g). Scrivi l'equazione termochimica per questa reazione e calcola prima il suo effetto termico. Risposta: +65,43 kJ.
Soluzione:
G- gassoso, E- liquido, A- cristallino. Questi simboli vengono omessi se lo stato aggregativo delle sostanze è ovvio, ad esempio O 2, H 2, ecc.
L'equazione di reazione è:

2H 2 S (g) + CO 2 (g) = 2H 2 O (g) + CS 2 (g); = ?

I valori dei calori standard di formazione delle sostanze sono riportati in apposite tabelle. Considerando che i calori di formazione delle sostanze semplici sono convenzionalmente assunti pari a zero. L'effetto termico di una reazione può essere calcolato utilizzando un corollario della legge di Hess:

= (H 2 O) + (СS 2) – [(H 2 S) + (СO 2)];
= 2(-241,83) + 115,28 – = +65,43 kJ.

2H 2 S (g) + CO 2 (g) = 2H 2 O (g) + CS 2 (g); = +65,43 kJ.

Risposta:+65,43 kJ.

Equazione della reazione termochimica

Compito 85.
Scrivi l'equazione termochimica per la reazione tra CO (g) e idrogeno, a seguito della quale si formano CH 4 (g) e H 2 O (g). Quanto calore verrà rilasciato durante questa reazione se in condizioni normali venissero prodotti 67,2 litri di metano? Risposta: 618,48 kJ.
Soluzione:
Le equazioni di reazione in cui accanto ai simboli dei composti chimici sono indicati il loro stato di aggregazione o modificazione cristallina, nonché il valore numerico degli effetti termici, sono chiamate termochimiche. Nelle equazioni termochimiche, se non diversamente indicato, sono indicati i valori degli effetti termici a pressione costante Q p pari alla variazione di entalpia del sistema. Il valore viene solitamente indicato sul lato destro dell'equazione, separato da una virgola o un punto e virgola. Sono accettate le seguenti designazioni abbreviate per lo stato di aggregazione di una sostanza: G- gassoso, E- qualcosa, A- cristallino. Questi simboli vengono omessi se lo stato aggregativo delle sostanze è ovvio, ad esempio O 2, H 2, ecc.
L'equazione di reazione è:

CO (g) + 3H 2 (g) = CH 4 (g) + H 2 O (g); = ?

I valori dei calori standard di formazione delle sostanze sono riportati in apposite tabelle. Considerando che i calori di formazione delle sostanze semplici sono convenzionalmente assunti pari a zero. L'effetto termico di una reazione può essere calcolato utilizzando un corollario della legge di Hess:

= (H2O) + (CH4) – (CO)];
= (-241,83) + (-74,84) – (-110,52) = -206,16 kJ.

L'equazione termochimica sarà:

22,4 : -206,16 = 67,2 : X; x = 67,2 (-206,16)/22?4 = -618,48 kJ; Q = 618,48 kJ.

Risposta: 618,48 kJ.

Calore di formazione

Compito 86.
L'effetto termico di tale reazione è pari al calore di formazione. Calcolare il calore di formazione di NO in base alle seguenti equazioni termochimiche:
a) 4NH 3 (g) + 5O 2 (g) = 4NO (g) + 6H 2 O (l); = -1168,80 kJ;
b) 4NH 3 (g) + 3O 2 (g) = 2N 2 (g) + 6H 2 O (l); = -1530,28 kJ
Risposta: 90,37 kJ.
Soluzione:
Il calore di formazione standard è uguale al calore di reazione della formazione di 1 mole di questa sostanza da sostanze semplici in condizioni standard (T = 298 K; p = 1.0325.105 Pa). La formazione di NO da sostanze semplici può essere rappresentata come segue:

1/2N2 + 1/2O2 = NA

Data la reazione (a), che produce 4 mol di NO, e data la reazione (b), che produce 2 mol di N2. L'ossigeno è coinvolto in entrambe le reazioni. Pertanto, per determinare il calore standard di formazione di NO, componiamo il seguente ciclo di Hess, ovvero dobbiamo sottrarre l'equazione (a) dall'equazione (b):

Pertanto, 1/2N2 + 1/2O2 = NO; = +90,37 kJ.

Risposta: 618,48 kJ.

Compito 87.
Il cloruro di ammonio cristallino si forma dalla reazione dei gas di ammoniaca e acido cloridrico. Scrivi l'equazione termochimica di questa reazione, dopo aver calcolato il suo effetto termico. Quanto calore verrà rilasciato se nella reazione venissero consumati 10 litri di ammoniaca, calcolato in condizioni normali? Risposta: 78,97 kJ.
Soluzione:
Le equazioni di reazione in cui accanto ai simboli dei composti chimici sono indicati il loro stato di aggregazione o modificazione cristallina, nonché il valore numerico degli effetti termici, sono chiamate termochimiche. Nelle equazioni termochimiche, se non diversamente indicato, sono indicati i valori degli effetti termici a pressione costante Q p pari alla variazione di entalpia del sistema. Il valore viene solitamente indicato sul lato destro dell'equazione, separato da una virgola o un punto e virgola. Sono stati accettati: A- cristallino. Questi simboli vengono omessi se lo stato aggregativo delle sostanze è ovvio, ad esempio O 2, H 2, ecc.
L'equazione di reazione è:

NH 3 (g) + HCl (g) = NH 4 Cl (k). ; = ?

I valori dei calori standard di formazione delle sostanze sono riportati in apposite tabelle. Considerando che i calori di formazione delle sostanze semplici sono convenzionalmente assunti pari a zero. L'effetto termico di una reazione può essere calcolato utilizzando un corollario della legge di Hess:

= (NH4Cl) – [(NH3) + (HCl)];
= -315,39 – [-46,19 + (-92,31) = -176,85 kJ.

L'equazione termochimica sarà:

Il calore rilasciato durante la reazione di 10 litri di ammoniaca in questa reazione è determinato dalla proporzione:

22,4 : -176,85 = 10 : X; x = 10 (-176,85)/22,4 = -78,97 kJ; Q = 78,97 kJ.

Risposta: 78,97 kJ.

Viene chiamato il processo di trasferimento di energia da un corpo a un altro senza compiere lavoro scambio di calore O trasferimento di calore. Lo scambio termico avviene tra corpi aventi temperature diverse. Quando si stabilisce il contatto tra corpi a temperatura diversa, parte dell'energia interna viene trasferita da un corpo a temperatura più alta a un corpo a temperatura più bassa. Si chiama l'energia ceduta ad un corpo in seguito allo scambio di calore quantità di calore.

Capacità termica specifica di una sostanza:

Se il processo di trasferimento del calore non è accompagnato da lavoro, allora, in base alla prima legge della termodinamica, la quantità di calore è uguale alla variazione dell'energia interna del corpo: .

L'energia media del movimento traslatorio casuale delle molecole è proporzionale alla temperatura assoluta. La variazione dell'energia interna di un corpo è pari alla somma algebrica delle variazioni dell'energia di tutti gli atomi o molecole, il cui numero è proporzionale alla massa del corpo, quindi la variazione dell'energia interna e, quindi, la quantità di calore è proporzionale alla massa e alla variazione di temperatura:

Il fattore di proporzionalità in questa equazione si chiama capacità termica specifica di una sostanza. La capacità termica specifica indica la quantità di calore necessaria per riscaldare 1 kg di una sostanza di 1 K.

Lavoro in termodinamica:

In meccanica il lavoro è definito come il prodotto dei moduli di forza e spostamento per il coseno dell'angolo formato da essi. Il lavoro viene compiuto quando una forza agisce su un corpo in movimento ed è uguale alla variazione della sua energia cinetica.

In termodinamica non si considera il movimento di un corpo nel suo insieme, si tratta del movimento delle parti di un corpo macroscopico l'una rispetto all'altra; Di conseguenza, il volume del corpo cambia, ma la sua velocità rimane pari a zero. Il lavoro in termodinamica è definito allo stesso modo della meccanica, ma è uguale alla variazione non dell'energia cinetica del corpo, ma della sua energia interna.

Quando viene eseguito un lavoro (compressione o espansione), l'energia interna del gas cambia. La ragione di ciò è: durante le collisioni elastiche delle molecole di gas con un pistone in movimento, la loro energia cinetica cambia.

Calcoliamo il lavoro compiuto dal gas durante l'espansione. Il gas esercita una forza sul pistone
, Dove - pressione del gas, e - superficie pistone Quando il gas si espande, il pistone si muove nella direzione della forza breve distanza
. Se la distanza è piccola, la pressione del gas può essere considerata costante. Il lavoro compiuto dal gas è:

Dove
- variazione del volume del gas.

Nel processo di espansione del gas svolge un lavoro positivo poiché la direzione della forza e dello spostamento coincidono. Durante il processo di espansione, il gas cede energia ai corpi circostanti.

Il lavoro compiuto dai corpi esterni su un gas differisce dal lavoro compiuto da un gas solo nel segno
, poiché la forza agire sul gas è opposto alla forza , con cui il gas agisce sul pistone, ed è ad esso uguale in modulo (terza legge di Newton); e il movimento rimane lo stesso. Pertanto il lavoro delle forze esterne è pari a:

Prima legge della termodinamica:

La prima legge della termodinamica è la legge di conservazione dell'energia, estesa ai fenomeni termici. Legge di conservazione dell'energia: L'energia in natura non nasce dal nulla e non scompare: la quantità di energia rimane invariata, passa solo da una forma all'altra.

La termodinamica considera i corpi il cui centro di gravità rimane praticamente invariato. L'energia meccanica di tali corpi rimane costante e solo l'energia interna può cambiare.

L’energia interna può cambiare in due modi: trasferimento di calore e lavoro. Nel caso generale, l'energia interna cambia sia per lo scambio di calore che per il lavoro svolto. La prima legge della termodinamica è formulata proprio per questi casi generali:

La variazione dell'energia interna di un sistema durante la sua transizione da uno stato all'altro è uguale alla somma del lavoro delle forze esterne e della quantità di calore ceduta al sistema:

Se il sistema è isolato non viene compiuto lavoro e non scambia calore con i corpi circostanti. Secondo la prima legge della termodinamica l'energia interna di un sistema isolato rimane invariata.

Considerando che
, la prima legge della termodinamica può essere scritta come segue:

La quantità di calore ceduta al sistema va a modificare la sua energia interna e a compiere lavoro sui corpi esterni da parte del sistema.

Seconda legge della termodinamica: È impossibile trasferire calore da un sistema più freddo a uno più caldo in assenza di altri cambiamenti simultanei in entrambi i sistemi o nei corpi circostanti.

Il focus del nostro articolo è la quantità di calore. Considereremo il concetto di energia interna, che si trasforma al variare di questa quantità. Mostreremo anche alcuni esempi di utilizzo dei calcoli nell'attività umana.

Calore

Ogni persona ha le proprie associazioni con qualsiasi parola nella propria lingua madre. Sono determinati dall'esperienza personale e dai sentimenti irrazionali. A cosa pensi di solito quando senti la parola “calore”? Una morbida coperta, un termosifone funzionante in inverno, i primi raggi del sole in primavera, un gatto. Oppure lo sguardo di una madre, la parola confortante di un’amica, l’attenzione tempestiva.

Con questo i fisici intendono un termine molto specifico. E molto importante, soprattutto in alcuni settori di questa scienza complessa ma affascinante.

Termodinamica

Non vale la pena considerare la quantità di calore separatamente dai processi più semplici su cui si basa la legge di conservazione dell'energia: nulla sarà chiaro. Pertanto, per prima cosa ricordiamoli ai nostri lettori.

La termodinamica considera qualsiasi cosa o oggetto come una combinazione di un numero molto elevato di parti elementari: atomi, ioni, molecole. Le sue equazioni descrivono qualsiasi cambiamento nello stato collettivo del sistema nel suo complesso e come parte del tutto quando cambiano i macroparametri. Quest'ultimo si riferisce alla temperatura (indicata come T), pressione (P), concentrazione dei componenti (solitamente C).

Energia interna

L'energia interna è un termine piuttosto complesso, il cui significato vale la pena comprendere prima di parlare della quantità di calore. Denota l'energia che cambia quando il valore dei macroparametri di un oggetto aumenta o diminuisce e non dipende dal sistema di riferimento. Fa parte dell'energia totale. Coincide con esso in condizioni in cui il centro di massa dell'oggetto studiato è a riposo (cioè non esiste alcuna componente cinetica).

Quando una persona sente che un oggetto (ad esempio, una bicicletta) si è riscaldato o raffreddato, ciò indica che tutte le molecole e gli atomi che compongono quel sistema hanno sperimentato un cambiamento nell'energia interna. Tuttavia, la temperatura costante non significa la conservazione di questo indicatore.

Lavoro e calore

L’energia interna di qualsiasi sistema termodinamico può essere trasformata in due modi:

lavorando su di esso;
durante lo scambio termico con l’ambiente.

La formula per questo processo è simile alla seguente:

dU=Q-A, dove U è l'energia interna, Q è il calore, A è il lavoro.

Il lettore non si lasci ingannare dalla semplicità dell'espressione. La riorganizzazione mostra che Q=dU+A, tuttavia, l'introduzione dell'entropia (S) porta la formula nella forma dQ=dSxT.

Poiché in questo caso l'equazione assume la forma di un'equazione differenziale, la prima espressione richiede la stessa cosa. Successivamente, a seconda delle forze che agiscono nell'oggetto in esame e del parametro da calcolare, viene derivato il rapporto richiesto.

Prendiamo come esempio di sistema termodinamico una sfera di metallo. Se lo premi, lo vomiti, lo lasci cadere in un pozzo profondo, significa lavorarci sopra. Esternamente, tutte queste azioni innocue non causeranno alcun danno alla palla, ma la sua energia interna cambierà, anche se leggermente.

Il secondo metodo è lo scambio di calore. Arriviamo ora all'obiettivo principale di questo articolo: una descrizione di quale sia la quantità di calore. Si tratta di una variazione dell'energia interna di un sistema termodinamico che avviene durante lo scambio di calore (vedere la formula sopra). Si misura in joule o calorie. Ovviamente, se tieni la pallina sopra un accendino, al sole o semplicemente in una mano calda, si scalderà. E poi puoi usare il cambiamento di temperatura per trovare la quantità di calore che gli è stata comunicata.

Perché il gas è il miglior esempio di cambiamento nell’energia interna e perché per questo motivo agli scolari non piace la fisica

Sopra abbiamo descritto i cambiamenti nei parametri termodinamici di una sfera metallica. Senza dispositivi speciali non si notano molto e il lettore può solo fidarsi della parola sui processi che si verificano con l'oggetto. Un'altra questione è se il sistema è a gas. Premilo - sarà visibile, riscaldalo - la pressione aumenterà, la abbasserà sottoterra - e potrà essere facilmente registrato. Pertanto, nei libri di testo, il gas viene spesso utilizzato come sistema termodinamico visivo.

Ma, ahimè, nell’educazione moderna non viene prestata molta attenzione alle esperienze reali. Lo scienziato che scrive il manuale metodologico capisce perfettamente qual è la posta in gioco. Gli sembra che usando l'esempio delle molecole di gas, tutti i parametri termodinamici saranno adeguatamente dimostrati. Ma uno studente che sta appena scoprendo questo mondo è annoiato di sentire parlare di una fiaschetta ideale con un pistone teorico. Se la scuola avesse veri e propri laboratori di ricerca e dedicasse ore per lavorare al loro interno, le cose sarebbero diverse. Finora, purtroppo, gli esperimenti sono solo sulla carta. E, molto probabilmente, questo è proprio il motivo per cui le persone considerano questo ramo della fisica qualcosa di puramente teorico, lontano dalla vita e non necessario.

Abbiamo quindi deciso di utilizzare come esempio la bicicletta già menzionata sopra. Una persona preme sui pedali e lavora su di essi. Oltre a trasmettere coppia all'intero meccanismo (grazie al quale la bicicletta si muove nello spazio), cambia l'energia interna dei materiali da cui sono realizzate le leve. Il ciclista preme le maniglie per girare e ripete il lavoro.

L'energia interna del rivestimento esterno (plastica o metallo) aumenta. Una persona esce in una radura sotto il sole splendente: la bicicletta si riscalda, la sua quantità di calore cambia. Si ferma a riposare all'ombra di una vecchia quercia e il sistema si raffredda, perdendo calorie o joule. Aumenta la velocità: aumenta lo scambio di energia. Tuttavia, il calcolo della quantità di calore in tutti questi casi mostrerà un valore molto piccolo e impercettibile. Pertanto, sembra che non ci siano manifestazioni della fisica termodinamica nella vita reale.

Applicazione di calcoli per modificare la quantità di calore

Il lettore probabilmente dirà che tutto questo è molto educativo, ma perché a scuola siamo così tormentati da queste formule? E ora forniremo esempi in quali aree dell'attività umana sono direttamente necessarie e come ciò riguarda chiunque nella vita quotidiana.

Per prima cosa guardati intorno e conta: quanti oggetti metallici ti circondano? Probabilmente più di dieci. Ma prima di diventare una graffetta, una carrozza, un anello o una chiavetta USB, qualsiasi metallo subisce una fusione. Ogni impianto che tratta, ad esempio, il minerale di ferro, deve capire quanto carburante è necessario per ottimizzare i costi. E quando si calcola questo, è necessario conoscere la capacità termica della materia prima contenente metallo e la quantità di calore che deve essere impartita ad essa affinché possano verificarsi tutti i processi tecnologici. Poiché l'energia rilasciata da un'unità di carburante è calcolata in joule o calorie, le formule sono necessarie direttamente.

Oppure un altro esempio: la maggior parte dei supermercati ha un reparto con prodotti surgelati: pesce, carne, frutta. Laddove le materie prime derivanti da carne animale o frutti di mare vengono trasformate in prodotti semilavorati, devono sapere quanta elettricità consumeranno le unità di refrigerazione e congelamento per tonnellata o unità di prodotto finito. Per fare ciò, è necessario calcolare quanto calore perde un chilogrammo di fragole o calamari quando vengono raffreddati di un grado Celsius. E alla fine, questo mostrerà quanta elettricità consumerà un congelatore di una certa potenza.

Aerei, navi, treni

Sopra abbiamo mostrato esempi di oggetti statici relativamente immobili ai quali viene impartita una certa quantità di calore o ai quali, al contrario, viene sottratta una certa quantità di calore. Per gli oggetti che si muovono in condizioni di temperatura in costante cambiamento durante il funzionamento, i calcoli della quantità di calore sono importanti per un altro motivo.

Esiste una cosa chiamata "fatica del metallo". Include anche i carichi massimi consentiti a una certa velocità di variazione della temperatura. Immagina un aereo che decolla dai tropici umidi nell'atmosfera superiore ghiacciata. Gli ingegneri devono lavorare duro per garantire che non si rompa a causa delle crepe nel metallo che compaiono quando la temperatura cambia. Stanno cercando una composizione di lega in grado di sopportare carichi reali e avere un ampio margine di sicurezza. E per non cercare alla cieca, sperando di imbattersi accidentalmente nella composizione desiderata, devi fare molti calcoli, compresi quelli che includono cambiamenti nella quantità di calore.