- Теплообмен между телами с разной температурой
- Понятие температуры и теплового равновесия
- Теплоизолированная система. Полностью изолированная система
- знать, как связаны направление передачи тепловой энергии с температурой взаимодействующих тел; понятия «температура», «термодинамическое равновесие», «теплоизолированная и полностью изолированная система»
- уметь объяснять, в каком случае тела обмениваются тепловой энергией и как происходит теплообмен; приводить примеры теплоизолированных систем
- Одинаковая ли температура у металлических ножниц и у стола в вашей квартире?
- Отдаёт ли лёд, брошенный в стакан с лимонадом, энергию или получает её?
- Останавливается ли процесс теплопередачи между двумя телами с разной начальной температурой?
Теплообмен между телами с разной температурой
Опытным путём установлено, что тепловая энергия всегда передаётся от более нагретого тела к менее нагретому. Холодный лимонад в стакане в жаркий день довольно быстро нагреется до температуры окружающего воздуха: более тёплый воздух отдаст част своего тепла напитку. Во время глажения белья горячая поверхность утюга будет постоянно отдавать часть своего тепла окружающей среде, нагревая воздух в комнате. Степень нагретости тела характеризует такая физическая величина, как температура.
Рис. 1. Передача тепла от более нагретой руки к менее нагретой воде
Пусть температура человеческого тела t1, а температура воды со льдом t2
(рис. 1). Если взять в руку стакан со льдом, то некоторое количество тепловой энергии от руки передастся жидкости. В случае, когда тело с температурой t1 отдаёт тепло телу с температурой t2, говорят, что первое тело имеет большую температуру
t1 > t2.
Рис. 2. Передача тепла от более нагретой сковороды к менее нагретой руке
Рассмотрим другой пример. Пусть температура человеческого тела t1, а температура горячей сковороды t2 (рис. 2). Если попробовать взяться за ручку сковороды без прихватки, можно обжечься: часть тепловой энергии сковороды перейдёт в поверхность кожи. В случае, когда тело с температурой t1 получает тепло от тела с температурой t2, говорят, что первое тело имеет меньшую температуру t1 < t2.
Рис. 3. Теплообмена нет, так как температуры тел одинаковы
Наконец, если вы пожмёте руку товарищу и не почувствуете ни тепла, ни холода, значит, теплообмена не произошло (рис. 3). В случае, когда два тела с температурами t1 и t2 соответственно не обмениваются теплом, температуры этих тел равны t1 = t2.
Понятие температуры и теплового равновесия
Процесс теплопередачи между двумя термодинамическими системами с разными начальными температурами продолжается до тех пор, пока их температуры не станут равны. Когда два взаимодействующих тела имеют одинаковую температуру, говорят, что тела пребывают в состоянии термодинамического или теплового равновесия. В таком случае эти два тела можно рассматривать как единую термодинамическую систему.
Физическая величина, характеризующая степень нагретости термодинамической системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, называется температурой.
Понятно, что термодинамическое равновесие наступает, когда каждая часть системы имеет одинаковую температуру: стакан с холодным напитком, оставленный в комнате, рано или поздно нагреется до температуры окружающего воздуха, при этом сначала нагреются молекулы на поверхности, но со временем всё вещество будет иметь одинаковую температуру — именно в этот момент наступает равновесие.
Все части системы, находящиеся в термодинамическом равновесии, имеют одинаковую температуру.
Теплоизолированная система. Полностью изолированная система
В случае, если термодинамическая система не обменивается теплом с окружающей средой, её называют теплоизолированной. Примером может служить термос или морозильная камера, хотя следует понимать, что идеальных теплоизолированных систем не бывает. Если при рассмотрении термодинамической системы «горячий чай – кружка» пренебречь теплообменом с окружающей средой, то такую систему также можно считать теплоизолированной. Потерями тепла в окружающую среду пренебрегают в тех случаях, когда теплообмен между телами (в нашем примере между чаем и кружкой) происходит намного быстрее теплообмена с окружающей средой.
Термодинамическую систему, не обменивающуюся теплотой с внешними телами, называют теплоизолированной.
В предыдущих параграфах мы узнали, что тела могут обмениваться энергией или посредством совершения работы, или посредством теплопередачи. Если внешние тела, не входящие в рассматриваемую термодинамическую систему, не совершают работу над данной системой, то такая система называется механически изолированной. Если данная система механически и теплоизолирована, то она называется полностью изолированной.
Эксперименты показывают, что температуры всех частей полностью изолированной термодинамической системы с течением времени будут иметь равные значения.
Полностью изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия.
Данное утверждение часто именуют нулевым законом термодинамики.
Итоги
- Если тело с температурой t1 отдаёт тепло телу с температурой t2, говорят, что первое тело имеет большую температуру t1 > t2.
- Если тело с температурой t1 получает тепло от тела с температурой t2, говорят, что первое тело имеет меньшую температуру t1 < t2.
- Если два тела с температурами t1 и t2 соответственно не обмениваются теплом, температуры этих тел равны t1 = t2.
- Температура — это физическая величина, характеризующая степень нагретости термодинамической системы, находящейся в состоянии теплового равновесия.
- Все части системы, находящиеся в термодинамическом равновесии, имеют одинаковую температуру.
- Теплоизолированная термодинамическая система не обменивается теплотой с внешними телами.
- Любая полностью изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия.
Контрольные вопросы
1. Что можно сказать про температуры тел, если первое тело получает тепловую энергию от второго?
2. Что такое тепловое равновесие?
3. Приведите примеры теплоизолированных систем.
