Siltuma daudzums

Dažādi radiatori ar piemeklētām īpatnējām siltumietilpībām, siltumvadītspēju un laukumu, lai maksimāli aizvadītu siltumu no iekārtas caur siltumvadīšanu, konvekciju un siltumstarojuma radīšanu apkārtējā vidē.

Siltuma daudzums ($Q$) ir enerģija, kuru saņem vai zaudē ķermenis siltumapmaiņas procesā. Siltuma daudzums izsaka iekšējās enerģijas izmaiņas, bet ne tās kopīgo daudzumu. Siltuma daudzumu nosaka Pirmais termodinamikas likums, kurš ir jāskata saistībā ar Otro termodinamikas likumu.

Siltuma apmaiņa

Siltuma apmaiņa (jeb siltuma izplatīšanās) ir process, kurā viens ķermenis atdod enerģiju otram. Siltuma apmaiņā uz divu ķermeņu robežvirsmas notiek mijiedarbība starp lēni kustošajām aukstā ķermeņa molekulām un daudz ātrāk kustošajām siltā ķermeņa molekulām. Tāpēc molekulu kinētiskā enerģijas izlīdzinās, aukstā ķermeņa molekulu ātrumi palielinās, bet siltā samazinās.

Siltuma apmaiņā daļa siltā ķermeņa iekšējā enerģija pāriet uz auksto ķermeni. Siltuma apmaiņā nenotiek enerģijas pārveidošanās no viena veida citā, notiek iekšējās enerģijas izmaiņas, nepastrādājot mehānisko darbu.

Siltuma daudzums

Siltuma daudzumu fizikā apzīmē ar $Q\$. Tā SI mērvienība ir džouls $(J)\$, mēdz izteikt arī kalorijās (cal).

Siltuma daudzumu var aprēķināt pēc formulas:

$Q=cm(t_{2}-t_{1})=cm\Delta t\$

kur

$m\$ — vielas masa, kg;

$c\$ — vielas īpatnējā siltumietilpība, $({\frac {J}{kg\cdot K}})\$;

$t_{1}\$ — vielas sākuma temperatūra, K;

$t_{2}\$ — vielas beigu temperatūra, K;

$\Delta t=t_{2}-t_{1}\$ — temperatūras starpība, K

Ja ķermenis atdziest, tā beigu temperatūra $t_{2}\$ ir zemāka par sākuma temperatūru $t_{1}\$un siltuma daudzums, ko atdod ķermenis, ir negatīvs.

Īpatnējā siltumietilpība

Džoula ksperimentāla iekārta, lai mērītu cik mehāniskās enerģijas pārvēršas cik siltuma daudzumā

Īpatnējā siltumietilpība ir siltuma daudzums, kurš jāpievada 1 kg vielas, lai tā temperatūra izmainītos par 1 K.

Īpatnējo siltumietilpību apzīmē ar $c\$. Tās mērvienība ir džouls uz kilogramu un kelvinu $({\frac {J}{kg\cdot K}})\$.

Dažādiem ķermeņiem vajadzīgs dažāds enerģijas daudzums, lai palielinātu temperatūru par 1 K. Piemēram, ūdens īpatnējā siltumietilpība ir 4190 J/kg K, bet vara — 380 J/kg K.

Īpatnējā siltumietilpība ir atkarīga ne tikai no vielas īpašībām, bet arī no tā, kādā procesā viela saņem siltumu. Ja gāzi sildīs tā, ka tās spiediens paliks konstants, tad gāze izpletīsies un veiks darbu. Lai sasildītu gāzi par 1 ^oC konstantā spiedienā, tai būs jāpiešķir lielāks siltuma daudzums nekā tad, ja to sildīs konstantā tilpumā.

Šķidrumi un cieti ķermeņi sasilstot izplešas maz, un to īpatnējās siltumietilpības, kuras atbilst konstantam tilpumam un konstantam spiedienam, maz atšķiras.

Tabula cietvielām

Viela	Siltums(J/(kg*K))	Viela	Siltums(J/(kg*K))	Viela	Siltums(J/(kg*K))	Viela	Siltums(J/(kg*K))	Viela	Siltums(J/(kg*K))
Alumīnijs	880	Dzelzs	460	Ledus	2200	Stikls	840	Tērauds	500
Alva	230	Koks(ozols)	2400	Misiņš	400	Sudrabs	250	Varš	380
Cinks	380	Ķieģelis	750	Parafīns	3200	Svins	130

Tabula šķidrumiem

Viela	Siltums(J/(kg*K))	Viela	Siltums(J/(kg*K))
Dzīvsudrabs	140	Petroleja	2100
Ēteris	2350	Spirts	2500
Glicerīns	2400	Ūdens	4200

Tabula gāzēm

Viela	Siltums(J/(kg*K))
Amonjaks	2200
Gaiss(0..100 C)	990
Ūdens tvaiks(100 C)	2100

Īpatnējais iztvaikošanas siltums

Cilvēka sviedri darbojas kā dzesēšanas mehānisms- sviedriem iztvaikojoties, tie izmanto siltumu no ādas.

Īpatnējais iztvaikošanas siltums ir siltuma daudzums, kas vajadzīgs, lai 1 kg šķidruma konstantā temperatūrā pārvērstu tvaikā. Tātad, lai šķidrums pārvērstos tvaikā, tam jāsaņem zināms siltuma daudzums. Šķidruma temperatūra šīs pārvēršanās laikā nemainās. Šķidruma pārvēršanās tvaikā, pastāvot konstantai temperatūrai, nepalielina molekulu kinētisko enerģiju, bet gan palielina to potenciālo enerģiju.

Īpatnējo iztvaikošanas siltumu fizikā apzīmē ar $L\$ (retāk ar $r\$). Tā mērvienība ir džouls uz kilogramu $({\frac {J}{kg}})\$.

Lai šķidrumu, kura masa $m\$ pārvērstu tvaikā, vajadzīgo siltuma dadzumu aprēķina pēc šādas formulas:

$Q_{iztv}=Lm\$.

Tvaikam kondensējoties, izdalās tāds pats siltuma daudzums:

$Q_{kond}=-Lm\$.

Tabula (normālā spiedienā, vārīšanās temperatūrā)

Viela	Siltums (J/kg)	Viela	Siltums (J/kg)	Viela	Siltums (J/kg)
Amonjaks	14×105	Ēteris	3,6×105	Spirts	8,6×105
Dzīvsudrabs	3×105	Petroleja	2,3×105	Ūdens	22,6×105

Īpatnējais kušanas siltums

Vielas sildīšanas grafiks- temperatūra turas konstanta līdz visa viela ir mainījusi fāzi

Īpatnējais kušanas siltums ir siltuma daudzums, kas vajadzīgs, lai 1 kg kristāliskas vielas kušanas temperatūrā pārvērstu šķidrumā ar to pašu temperatūru.

Kristāliskam ķermenim kūstot, viss saņemtais siltuma daudzums tiek patērēts molekulu potenciālās enerģijas palielināšanai. Molekulu kinētiskā enerģija nemainās, jo kušanas procesā temperatūra nemainās.

Īpatnējo kušanas siltumu apzīmē ar grieķu burtu $\lambda \$ ("lambda"). Tā mērvienība ir džouls uz kilogramu $({\frac {J}{kg}})\$.

Kristalizējoties 1 kg vielas, izdalās tieši tāds pats siltuma daudzums. Ledus īpatnējais kušanas siltums ir samērā liels, tas ir, $3,4\cdot 10^{5}J/kg\$.

Lai izkausētu kristālisku vielu, kuras masa $m\$, vajadzīgo siltuma daudzumu aprēķina pēc šādas formulas:

$Q_{k}=\lambda m\$.

Siltuma daudzums, ko ķermenis atdod kristalizācijas procesā, izsakāms pēc šādas formulas:

$Q_{kr}=-\lambda m\$.

Tabula (normālā spiedienā)

Viela	Siltums (J/kg)	Viela	Siltums (J/kg)	Viela	Siltums (J/kg)	Viela	Siltums (J/kg)
Alumīnijs	3,86×105	Dzelzs	2,7×105	Parafīns	1,47×105	Varš	1,8×105
Alva	0,6×105	Dzīvsudrabs	0,12×105	Sērs	0,55×105	Platīns	1,13×105
Cinks	1,18×105	Ledus	3,34×105	Sudrabs	0,87×105
Čuguns	1,4×105	Naftalīns	1,5×105	Svins	0,25×105

Siltuma bilances vienādojums

Siltuma bilances vienādojums apraksta siltumapmaiņu starp ķermeņiem, kas veido izolētu sistēmu, tas ir šāds:

$Q_{1}+Q_{2}=0\$

kur

$Q_{1}\$ — pirmā ķermeņa saņemtais (vai atdotais) siltuma daudzums

$Q_{2}\$ — otrā ķermeņa atdotais (vai saņemtais) siltuma daudzums

Vispārējā gadījumā, kad siltumapmaiņā piedalās vairāki ķermeņi, siltuma bilances vienādojums jāraksta šādi:

$Q_{1}+Q_{2}+Q_{3}+...=0\$

kur

$Q_{1}\$, $Q_{2}\$, $Q_{3}\$ ir siltuma daudzumi, ko saņem vai atdod ķermeņi

Siltuma bilances vienādojums varētu skanēt šādi: siltuma daudzums, ko atdod siltākais ķermenis, ir vienāds ar siltuma daudzumu, ko saņem aukstākais ķermenis.

Siltuma bilances vienādojumu vispirms atklāja eksperimentāli, novērojot siltumapmaiņu starp ķermeņiem kalorimetrā — ierīcē, kura maksimāli izolē ķermeņus no apkārtējās vides iedarbības.

Īpatnējais sadegšanas siltums

Īpatnējais sadegšanas siltums ir siltuma daudzums, ko iegūst, pilnīgi sadedzinot 1 kg vielas.

Īpatnējo sadegšanas siltumu apzīmē ar $q$ . Tā mērvienība ir džouls uz kilogramu $({\frac {J}{kg}})\$.

Lai noskaidrotu, kāds siltuma daudzums tiek iegūts, sadedzinot vielu, kuras masa $m\$, lieto formulu:

$Q=qm$ .

Lietderības koeficients

Lietderības koeficients ir lietderīgi izmantotā siltuma daudzuma attiecība pret visu degšanas procesā izdalīto siltuma daudzumu.

$\eta ={\frac {Q_{1}}{Q}}$ vai $\eta ={\frac {Q_{1}}{Q}}\cdot 100\%$

$\eta$ ir lietderības koeficients (% vai vienkārši decimāldaļa), $Q_{1}$ ir lietderīgi izmaintotā siltuma daudzums (J), $Q$ ir degšanas procesā izdalītā siltuma daudzums (J)

Tabula

Viela	Siltums (kJ/kg)	Viela	Siltums (kJ/kg)	Viela	Siltums (kJ/kg)	Viela	Siltums (kJ/kg)
Akmeņogles	3,0 * 10^4	Dīzeļdegviela	4,14 * 10^4	Nafta	4,4 * 10^4	Šaujampulveris	0,38 * 10^4
Benzīns	4,7 * 10^4	Kūdra	1,4 * 10^4	Petroleja	4,6 * 10^4	Ūdeņradis	12 * 10^4
Dabasgāze	4,4 * 10^4	Malka	1 * 10^4	Spirts	2,7 * 10^4