Теплота в молекулярной физике

Раздел молекулярной физики посвящен вопросам изучения строения и свойств веществ, исходя из их молекулярно-кинетических характеристик. Законы и принципы этого раздела физики основываются на ряде базовых представлений, таких как:

• все физические тела состоят из частиц – атомов, молекул или ионов, которые, в свою очередь, обладают сложным строением;
• для атомов, молекул и ионов характерно непрерывное неупорядоченное тепловое движение; между скоростью движения частиц и температурой тела наблюдается прямая зависимость;
• между атомами и молекулами установлены силы взаимного притяжения и отталкивания.

Теплота может изменяется двумя способами – посредством совершения работы над системой или путем теплообмена системы с окружающей средой. Во втором случае речь идет о количестве теплоты или просто теплоте.

Единица измерения количества теплоты (а также работы и энергии) – джоуль (Дж). Один джоуль равен энергии, затраченной при перемещении точки приложения силы (1 ньютон) на расстояние 1 метра по направлению приложения силы. Иными словами, $1Дж = 1Н \times 1м = 1кг \times 1м^2 \times 1с^2$.

Также, для измерения количества теплоты применимо понятие калория (вне системы единиц СИ). Одна калория равна энергии, затраченной для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия.

Теплота и теплообмен

Существует три типа теплообмена:

• конвекция – теплообмен при перемешивании газов или жидкостей с разной температурой;
• лучеиспускание – теплообмен посредством электромагнитных волн теплового диапазона;
• теплопередача – непосредственный обмен энергией между неупорядоченно движущимися частицами тел при их тепловом контакте.

Энергия в форме теплоты может как сообщаться системе, так и изыматься из нее. Количество теплоты, переданное или принятое системой при теплообмене, обозначают как $\Delta Q$. Условно принято, что при положительном значении $\Delta Q$ энергия системе сообщается, а при отрицательном $\Delta Q$ - изымается. По этому признаку, например, химические реакции разделяются, соответственно, на эндотермические и экзотермические.

Количество теплоты входит в математические формулировки первого и второго начал термодинамики. Так, например, первый закон, в самом простом варианте формулируется следующим образом:

Термодинамическая система может совершать работу исключительно за счет внутренней энергии системы или за счет внешних источников.

В математическом выражении первое начало выглядит как:

$Q = A + \Delta U$, где:

• $Q$ - количество теплоты, принятое или переданное системой;
• $A$ - работа, совершенная системой;
• $\Delta U$ - изменение внутренней энергии системы.

Математическая формулировка закона:

• $\ dS = \frac {\partial Q^*}{T} \geqslant 0$, где:

• $S$ - энтропия;

• $\partial Q^*$ - элементарное количество тепла в изолированной системе;
• $T$ - абсолютная температура.

Связанные понятия

Признаком изменения внутренней энергии является смена агрегатного состояния или температуры тела.

Бесконечно малое изменение внутренней энергии принято обозначать $dU$. Как и в случае с $\delta G$, при отрицательном значении $dU$ внутренняя энергия системы уменьшается, при положительном $dU$ - увеличивается.

Согласно молекулярно-кинетической теории, температура пропорциональна средней кинетической энергии составляющих системы.

В физике (в системе СИ) температуру принято измерять в кельвинах или в градусах Цельсия. Температуры по шкале Цельсия $t$ и Кельвина $T$соответствуют равенству:

$t = T – 273,15$

Таким образом, теплоемкость вычисляется как:

$C = \frac {Q}{\Delta T}$, где:

$C$ - теплоемкость тела, Дж/К

Следовательно, для вычисления количества тепла этого процесса используют формулу:

$Q = C \times \Delta T$

Удельная теплоемкость – теплоемкость тела, нормированная на 1 кг:

$c = \frac {Q}{m \times \Delta T}$, где:

• $c$ - удельная теплоемкость, Дж/К кг;
• $m$ - масса тела, кг.