Asosiy kontent

Issiqlik va harorat

Termodinamikada issiqlik nimani anglatadi va issiqlikdan foydalangan holda qanday qilib issiqlik sigʻimini hisoblashimiz mumkin?

Asosiy tushunchalar

Issiqlik ( $q$ ‍) issiqroq sistemadan oʻzaro aloqada boʻlgan, tutashgan sovuqroq sistemaga oʻtgan issiqlik energiyasidir.
Harorat sistemadagi atomlar va molekulalarning oʻrtacha kinetik energiyasining oʻlchov birligi hisoblanadi.
Termodinamikaning nolinchi qonuniga koʻra termik muvozanatda turgan ikkita jism oʻrtasida hech qanaqa issiqlik oʻtishi kuzatilmaydi, shu sababdan ular bir xil haroratda boʻladi.
Biz yutilgan yoki ajralgan issiqlik miqdorini solishtirma issiqlik sigʻimi ( $C$ ‍), moddaning massasi ( $m$ ‍) va harorat oʻzgarishi ( $Δ T$ ‍) ni bilgan holda hisoblashimiz mumkin:

$q = m \times C \times Δ T$ ‍

Termodinamikada issiqlik

Bir finjon qahvada issiqlik miqdori koʻproqmi yoki bir stakan muzli choyda? Kimyo kursi uchun bu chalgʻituvchi savol boʻldi (uzr!). Termodinamikada issiqlik tushunchasi biz kundalik nutqda foydalanadigan tushunchadan umuman farq qilib, muayyan maʼnoni anglatadi. Olimlar issiqlikni turlicha haroratda boʻlgan, oʻzaro tutashgan ikki sistema orasidagi oʻtgan issiqlik energiyasi deb tushuntiradi. Issiqlik q yoki Q belgisi bilan yoziladi va joullarda (

J

) oʻlchanadi.

Issiqlik baʼzan jarayon oʻlchovi ham deb ataladi, chunki jarayon davomida oʻtishi mumkin boʻlgan energiyaning miqdorini koʻrsatadi. Biz finjondagi qahvaning issiqlik miqdori qanchaligi haqida gapira olmaymiz, ammo finjondagi qaynoq qahvadan qoʻlimizga oʻtgan issiqlik haqida fikr yuritishimiz mumkin. Issiqlik ekstensiv kattalik boʻlib, shu sababdan sistemaga issiqlik uzatilishi natijasida haroratning oʻzgarishi sistemada qancha molekula borligiga bogʻliq.

Issiqlik va harorat oʻrtasidagi bogʻliqlik

Issiqlik va harorat ikki xil, ammo chambarchas bogʻliq tushunchalardir. Ahamiyat bering, ularning oʻlchov birliklari turlicha: harorat odatda Selsiy (

^{\circ} C

) yoki Kelvin (

K

) darajalarda, issiqlik esa energiyaning oʻlchov birligi boʻlmish joullarda (

J

) oʻlchanadi. Harorat sistemadagi atom yoki molekularning oʻrtacha kinetik energiyasining oʻlchovidir. Bir finjon qaynoq qahva ichidagi suv molekulalarining kinetik energiyasi bir stakan muzli choy tarkibidagi suv molekularining oʻrtacha kinetik energiyasidan balandroq, bu ularning yuqori harakatchanligi bilan tavsiflanadi. Harorat intensiv kattalik boʻlib, yaʼni bizda qancha modda borligidan qatʼi nazar harorat oʻzgarmaydi (agarda barchasi bir xil haroratda boʻlsa!). Suyuqlanish harorati

-

moddaning miqdoriga bogʻliq boʻlmagan xususiyatdir. Mana, nima uchun kimyogarlar toza moddani aniqlashda suyuqlanish haroratidan foydalanishi mumkin.

Atom darajasida har bir jismning molekulalari doimiy harakatda boʻladi va boshqalari bilan toʻqnashib turadi. Molekulalarning har bir toʻqnashuvida kinetik energiya uzatilishi mumkin. Ikkita sistema tutash boʻlganda, molekulyar toʻqnashuvlarda issiqlik issiqroq sistemadan sovuqroq sistemaga oʻtadi. Ikkita jismda harorat tenglashmaguncha issiqlik shu yoʻnalishda oqim singari harakatlanadi. Ikkita tutashgan sistemaning haroratlari bir xil boʻlsa, biz ularni termik muvozanatda deymiz.

Termodinamikaning nolinchi qonuni: termik muvozanatning taʼrifi

Termodinamikaning nolinchi qonuni izolyatsiyalangan sistema ichidagi termik muvozanatni ifodalaydi. Nolinchi qonunga koʻra oʻzaro tutash, termik muvozanatda boʻlgan ikkita jismda haqiqiy issiqlik uzatilishi boʻlmaydi, shuning uchun ular bir xil haroratda boʻladi. Nolinchi qonunning yana bir koʻrinishi: agar ikkita jism uchinchi jism bilan termik muvozanatda boʻlsa, ular oʻzaro termik muvozanatda boʻladi.

Nolinchi qonun bizga jismlarning haroratini oʻlchashga yordam beradi. Biz termometrdan foydalangan vaqtimizda termodinamikaning nolinchi qonunini ishlatayotgan boʻlamiz. Keling, suv hammomining haroratini oʻlchab koʻramiz. Odatda qiymat aniq boʻlishi uchun harorat doimiy boʻlishini kutamiz. Aslida biz termometr va suvning termik muvozanatga kelishini kutayotgan boʻlamiz. Termik muvozanat vaqtida termometr kolbasi va suv hammomining harorati bir xil boʻladi va bu vaqtda bir jismdan ikkinchi jismga haqiqiy issiqlik uzatilishi boʻlmasligi kerak (atrof-muhitga issiqlik chiqib ketishi sodir boʻlmayapti, deb faraz qilamiz).

Issiqlik sigʻimi: harorat oʻzgarishi va issiqlikni bir-biriga oʻtkazish

Issiqlikni qanday oʻlchaymiz? Hozircha biz issiqlik haqida quyidagilarni bilamiz:

Sistema issiqlik yutganda yoki chiqarganda molekulalarning oʻrtacha kinetik energiyasi oʻzgaradi. Shunday qilib, issiqlik uzatilishi natijasida sistemaning harorati oʻzgarmasa, sistemada fazaviy oʻzgarishlar kuzatilmaydi.
Sistemaga issiqlik oʻtishi yoki chiqishi natijasida haroratning oʻzgarishi sitemada qancha molekula borligiga bogʻliq.

Sistemaning harorati oʻzgarishini oʻlchash uchun termometrdan foydalanishimiz mumkin. Oʻtkazilgan issiqlikni topish uchun haroratdan qanday foydalanishimiz mumkin?

Sistemaga berilgan issiqlik sistemaning haroratini qanday oʻzgartirganini aniqlash uchun kamida

2

ta narsani bilishimiz kerak:

Sistemadagi molekulalar soni
Sistemaning issiqlik sigʻimi

Issiqlik sigʻimi berilgan moddada fazaviy oʻzgarishlar qilmasdan turib haroratini oʻzgartirish uchun qancha energiya berishimiz kerakligini bildiradi. Ikki xil issiqlik sigʻimi mavjud. Solishtirma issiqlik sigʻimi

c

yoki

C

harfi bilan belgilanib, bir gram moddaning haroratini

1^{\circ} C

yoki

1 K

ga oʻzgartirish uchun kerak boʻladigan energiya miqdorini ifodalaydi. Solishtirma issiqlik sigʻimining oʻlchov birligi sifatida odatda

\frac{J}{g \cdot K}

ishlatiladi. Molyar issiqlik sigʻimi

C_{m}

yoki

C_{mol}

bir mol moddaning haroratini

1^{\circ} C

yoki

1 K

ga oʻzgartirish uchun kerak boʻladigan energiya miqdorini tavsiflaydi va odatda

\frac{J}{mol \cdot K}

da oʻlchanadi. Masalan, qoʻrgʻoshinning issiqlik sigʻimini solishtirma issiqlik sigʻimi

0, 129 \frac{J}{g \cdot K}

yoki molyar issiqlik sigʻimi

26, 65 \frac{J}{mol \cdot K}

deb ifodalashimiz mumkin.

Keling, baʼzi molekulalarga issiqlik energiyasi berganimizda molekulyar darajada nimalar boʻlishini oʻylab koʻramiz. Issiqlik energiyasi sistemaning haroratini sezilarli darajada oshirmasdan molekuladagi atomlar orasida tebranma va aylanma harakat energiyasi koʻrinishida saqlanishi mumkin. Energiya molekulalararo taʼsirni uzishga va butun molekulaning harakat tezligini, yaʼni molekulaning ilgarilanma kinetik energiyasini oshirishga sarflanishi ham mumkin.

Harorat birinchi navbatta sistemaning ilgarilanma kinetik energiyasining oʻlchovi hisoblanadi. Harorat ortishidan oldin turli xil moddalar issiqlik energiyasini tebranma va aylanma energiya koʻrinishida saqlaydi, bu molekulaning tuzilishiga va molekulalararo oʻzaro taʼsirga bogʻliq.

$q$ ‍ ni issiqlik sigʻimidan foydalanib hisoblash

Issiqlik sigʻimidan foydalangan holda quyidagi formula yordamida yutilgan yoki ajralgan issiqlikni topishimiz mumkin:

$q = m \times C \times Δ T$ ‍

bu yerda

m

moddaning massasi (gramlarda),

C

solishtirma issiqlik sigʻimi,

Δ T

issiqlik oʻtishi vaqtida haroratning oʻzgarishi. Yodda tuting, massa hamda solishtirma issiqlik sigʻimi faqat musbat qiymatga ega boʻladi, shuning uchun

q

ning ishorasi

Δ T

ning ishorasiga bogʻliq boʻladi. Biz

Δ T

ni quyidagi formula orqali topishimiz mumkin:

$Δ T = T_{oxirgi} - T_{dastlabki}$ ‍

bu yerda

T_{oxirgi}

T_{dastlabki}

ikkalasi ham bir xil birlikda

^{\circ} C

yoki

K

boʻlishi kerak. Ushbu tenglamaga asosan, agar q ning qiymati musbat boʻlsa (sistemaning energiyasi ortgan), sistemamizning harorati ortgan va

T_{oxirgi} > T_{dastlabki}

boʻladi. Agar

q

manfiy boʻlsa (sistemaning energiyasi kamaygan), sistemaning energiyasi kamaygan va

T_{oxirgi} < T_{dastlabki}

boʻladi.

Masala: bir piyola choyni sovitish

Aytaylik, bizda

250 ml

issiq choy bor, uni ichishdan oldin sovitishni xohlaymiz. Choy hozir

370 K

haroratda, biz uni

350 K

gacha sovitmoqchimiz. Choyni sovitish uchun choydan atrof-muhitga qancha issiqlik energiyasini oʻtkazish kerak?

Choyning asosiy qismi suv boʻlgani uchun faqat suvdan iborat deb qabul qilib olamiz, shuning uchun hisob-kitobimizda suvning zichligi va issiqlik sigʻimidan foydalanamiz. Suvning solishtirma issiqlik sigʻimi

4, 18 \frac{J}{g \cdot K}

ni, zichligi esa

1, 00 \frac{g}{ml}

ni tashkil qiladi. Choyni sovitish jarayonida tashqi muhitga oʻtkazilgan energiyani quyidagi amallar ketma-ketligi yordamida hisoblashimiz mumkin:

1. Moddaning massasini aniqlaymiz

Choy/suvning massasini topish uchun suvning zichligiga uning hajmini koʻpaytiramiz:

$m = 250 ml \times 1, 00 \frac{g}{ml} = 250 g$ ‍

2. Harorat oʻzgarishi ( $Δ T$ ‍) ni hisoblaymiz

Harorat oʻzgarishi (

Δ T

) ni topish uchun oxirgi haroratdan dastlabki haroratni ayiramiz:

$\begin{aligned} Δ T & = T_{oxirgi} - T_{dastlabki} \\ = 350 K - 370 K \\ = - 20 K \end{aligned}$ ‍

Choyning harorati tushishidan va

Δ T

ning manfiy ekanidan, shuningdek, sistemamiz issiqlik energiyasini yoʻqotayotganidan

q

ning manfiy ekanini bilishimiz mumkin.

3. $q$ ‍ ni topamiz

Endi biz issiqlikni topish tenglamasidan issiq choydan ajralgan issiqlikni hisoblashimiz mumkin:

$\begin{aligned} q & = m \times C \times Δ T \\ = 250 g \times 4, 18 \frac{J}{g \cdot K} \times - 20 K \\ = - 21000 J \end{aligned}$ ‍

Shunday qilib, choyni

370 K

dan

350 K

ga sovitish uchun atrof-muhitga

21000 J

energiyani chiqarib yuborish kerak ekan.

Xulosalar

Termodinamikada issiqlik va harorat chambarchas bogʻliq, aniq taʼrifga ega boʻlgan tushunchalardir.

Issiqlik ( $q$ ‍) $-$ ‍ issiqroq sistemadan oʻzaro aloqada boʻlgan, tutashgan sovuqroq sistemaga oʻtgan issiqlik energiyasi.
Harorat sistemadagi atomlar va molekulalarning oʻrtacha kinetik energiyasining oʻlchov birligi hisoblanadi.
Termodinamikaning nolinchi qonuniga koʻra termik muvozanatda turgan ikkita jism oʻrtasida hech qanaqa issiqlik oʻtishi kuzatilmaydi, shu sababdan ular bir xil haroratda boʻladi.
Biz yutilgan yoki ajralgan issiqlik miqdorini solishtirma issiqlik sigʻimi ( $C$ ‍), moddaning massasi ( $m$ ‍) va harorat oʻzgarishi ( $Δ T$ ‍) dan foydalangan holda hisoblashimiz mumkin:

$q = m \times C \times Δ T$ ‍

Mavzuga oid manbalar

Ushbu mavzu quyidagi mavzular bilan uzviy bogʻlangan:

“Termodinamikaga kirish” Boundless Chemistry dan, CC BY-SA 4.0.
"Termodinamikaning nolinchi qonuni" Boundless Physics dan, CC BY-SA 4.0.
UC Davis ChemWIki dan "Issiqlik sigʻimi", CC BY-NC-SA 3.0 US.

Maqola CC BY-NC-SA 4.0 litsenziyasi asosida litsenziyalangan.

Qoʻshimcha maʼlumotlar

Kotz, J. C., Treichel, P. M., Townsend, J. R., and Treichel, D. A. (2015). Specific Heat Capacity: Heating and Cooling. In Chemistry and Chemical Reactivity, Instructorʼs Edition (9th ed., pp. 184-189). Stamford, CT: Cengage Learning.

Muhokamaga qoʻshilmoqchimisiz?

Kirish

Saralash:

Hozircha izohlar yoʻq.

Ingliz tilini tushunasizmi? Khan Academyʼning inglizcha saytida boʻlayotgan muhokamalarni koʻrish uchun shu yerga bosing.

Kimyo

Course: Kimyo > Unit 15

Asosiy tushunchalar

Termodinamikada issiqlik

Issiqlik va harorat oʻrtasidagi bogʻliqlik

Termodinamikaning nolinchi qonuni: termik muvozanatning taʼrifi

Issiqlik sigʻimi: harorat oʻzgarishi va issiqlikni bir-biriga oʻtkazish

q‍ ni issiqlik sigʻimidan foydalanib hisoblash

Masala: bir piyola choyni sovitish

1. Moddaning massasini aniqlaymiz

2. Harorat oʻzgarishi (ΔT‍ ) ni hisoblaymiz

3. q‍ ni topamiz

Xulosalar

Muhokamaga qoʻshilmoqchimisiz?

$q$ ‍ ni issiqlik sigʻimidan foydalanib hisoblash

2. Harorat oʻzgarishi ( $Δ T$ ‍) ni hisoblaymiz

3. $q$ ‍ ni topamiz