Mehāniskais darbs, jauda un siltumprocesi fizikā
Enviado por Anónimo y clasificado en Otras materias
Escrito el en 
letón con un tamaño de 74,84 KB
Darbs
Uzzināsi, kas ir mehāniskais darbs un kā to var aprēķināt.
Ar vārdu “darbs” tiek saprastas dažādas nodarbošanās, tomēr fizikā ar mehānisko darbu saprot spēka izmantošanu ķermeņa pārvietošanai. Darbu var veikt, izmantojot muskuļu spēku vai dažādu mehānismu radītu vilcējspēku.
Lai pārvietotu ķermeni, ir nepieciešams spēks. Ķermenim pārvietojoties kāda spēka ietekmē, tiek pastrādāts mehāniskais darbs un patērēta enerģija. Cik liels darbs tiek padarīts, tik daudz enerģijas arī tiek patērēts.
Padarītais darbs ķermeņa pārvietošanai taisn līnijas kustībā ir atkarīgs no spēka lieluma, kas darbojas uz ķermeni, un no pārvietošanās attāluma jeb ķermeņa veiktā ceļa garuma.
Jo lielāks ir spēks, kas pārvieto ķermeni, jo lielāks darbs tiek pastrādāts.
Jo garāks ir ķermeņa veiktais ceļš taisnlīnijas kustībā, jo lielāks ir padarītais darbs.
Darbu un enerģiju mēra vienās un tajās pašās vienībās — džoulos (J). Ja 1 N liels spēks pārvieto ķermeni par 1 m, tad ir pastrādāts 1 J liels darbs.
Viens džouls ir maza darba un enerģijas vienība, tāpēc bieži lieto džoula decimāldaudzkārtņus, piemēram, kilodžoulus (kJ), megadžoulus (MJ) un gigadžoulus (GJ).
Jauda
Uzzināsi, kas ir jauda un kādās vienībās to mēra. Iemācīsies aprēķināt jaudu.
Vienu un to pašu darbu var darīt lēni vai ātri. Kad darbs padarīts, abos gadījumos rezultāts, protams, ir viens un tas pats. Tomēr pastāv atšķirība starp lēni un ātri padarītu darbu.
Pieņemsim, ka ugunsdzēsējam jāuzkāpj līdz ēkas trešajam stāvam, kas atrodas 12 m augstumā. Ja ugunsdzēsēja masa kopā ar aprīkojumu ir 100 kg, tad smaguma spēks, kas jāpārvar kāpjot, ir aptuveni 980 N. Pēc darba formulas iegūst, ka padarītais darbs A = Fl = 980 N · 12 m = 11760 J. Uzkāpt var lēnāk vai ātrāk. Lai to veiktu ātrāk, vajadzīga daudz lielāka piepūle nekā kāpjot lēnām. Tomēr padarītais darbs ir tāds pats, proti, 11760 J. Abos gadījumos atšķirīgs ir darba veikšanas ātrums — darbs, kas padarīts vienā sekundē.
Ja uzkāpj 30 sekundēs, tad katrā sekundē pastrādā 11760 : 30 jeb 392 J lielu darbu. Kāpjot ātrāk un 12 metru augstumu sasniedzot 15 sekundēs, katrā sekundē jāveic 11760 : 10 jeb 784 J liels darbs. Tātad, ātrāk kāpjot, 1 sekundē tiek paveikts divas reizes lielāks darbs. Jauda ir darba veikšanas ātrums.
Jauda raksturo darbu, kas tiek veikts vienā laika vienībā.
Jaudas vienība ir džouls sekundē (J/s), un šo vienību sauc par vatu (W). Vats ir jaudas vienība Starptautiskajā vienību sistēmā. Viens vats nav liela jauda, tāpēc bieži lieto vata decimāldaudzkārtņus, piemēram, kilovatu (kW), megavatu (MW) un gigavatu (GW).
Jaudas vienība ir džouls sekundē (J/s), un šo vienību sauc par vatu (W). Vats ir jaudas vienība starptautiskajā mērvienību sistēmā. Viens vats nav liela jauda, tāpēc bieži lieto vata decimāldaudzkārtņus, piemēram, kilovatu (kW), megavatu (MW) un gigavatu (GW).
Jaudu norāda ierīču lietošanas instrukcijās. Piemēram, putekļsūcēja elektromotora jauda var būt no 1 kW līdz 1,5 kW.
Automašīnas motora jauda ir ievērojami lielāka, piemēram, 100 kW, jo, lai ātri brauktu, katrā sekundē jāveic daudz lielāks darbs. Pirmās formulas automašīnas dzinēja jauda ir jau vairāki tūkstoši kilovatu. Vēl daudzkārt lielāka jauda ir nepieciešama, lai no Zemes paceltos kosmosa kuģis.
Ja ir zināma ierīces jauda, tad, noskaidrojot, cik ilgi ierīce darbojas, var aprēķināt pastrādāto darbu jeb patērēto enerģiju.
Potenciālā enerģija
Uzzināsi, no kādiem lielumiem ir atkarīga potenciālā enerģija. Iemācīsies aprēķināt potenciālo enerģiju.
Enerģija raksturo ķermeņa spēju veikt darbu. Arī enerģiju mēra džoulos (J).
Ja svarcēlājs paceļ augšup svaru stieni, viņa muskuļi strādā, lai pārvarētu Zemes pievilkšanas spēku. Paceļot ķermeni virs Zemes noteiktā augstumā, ir jāveic darbs. Šis darbs nepazūd bez pēdām. Paceltais priekšmets ir ieguvis enerģiju, kas ir tikpat liela, cik liels ir paveiktais darbs. Enerģiju, kas piemīt paceltam ķermenim, sauc par potenciālo enerģiju. Šāds apzīmējums enerģijai dots tādēļ, ka to atkal iespējams pārvērst darbā.
Pacelta ķermeņa enerģiju vienmēr vērtē no vietas, kur tās potenciālo enerģiju uzskata par nulli. Paceltam stienim šī vieta ir grīda.
Virs atbalsta noteiktā augstumā paceltam ķermenim piemīt potenciālā enerģija.
Zinot svaru stieņa masu, var aprēķināt, cik liels Zemes pievilkšanas spēks ir jāpārvar, stieni paceļot. Lai vienmērīgi paceltu svaru stieni, ir jāpieliek F = mg liels spēks. Lai stieni paceltu augstumā h, ir jāpastrādā A = Fl = Fh = mgh liels darbs. Šis darbs ir vienāds ar stieņa potenciālo enerģiju.
Pacelta ķermeņa potenciālā enerģija ir proporcionāla ķermeņa masai un pacelšanas augstumam. Lai potenciālo enerģiju aprēķinātu džoulos (J), masa ir jāizsaka kilogramos (kg) un pacelšanas augstums — metros (m).
Uzskatāms potenciālās enerģijas lietderīgas izmantošanas piemērs ir pāļdzinis, ar ko jaunbūves pamatos dzen garus dzelzsbetona pāļus. Pāļdziņa motors ar trosi paceļ augšup smagu āmuru, kas iegūst potenciālo enerģiju. Tad āmuram ļauj brīvi krist lejā. Triecienā āmura enerģija tiek patērēta, āmurs padara darbu, un pālis ar katru sitienu iegrimst dziļāk zemē.
Potenciālā enerģija uzkrājas upju ūdenī. Zemes pievilkšanas spēks veic darbu, liekot upju ūdeņiem tecēt uz zemāku vietu — jūru. Uz ūdens potenciālās enerģijas rēķina kalnu upe velc akmeņus, izskalo krastus un iztērē uzkrāto enerģiju nelietderīgi, pat postoši. Taču cilvēks ir iemācījies upju ūdens potenciālo enerģiju izmantot lietderīgi. Izsenis tiek būvētas un darbinātas ūdensdzirnavas, bet kopš 20. gadsimta — hidroelektrostacijas.
Elastīgas deformācijas laikā ķermenim tiek piešķirta potenciālā enerģija. Šādi deformēti ķermeņi, atgūstot sākotnējo formu, rada spēku, kas veic cilvēkiem noderīgu darbu. Piemēram, atvelkot loku, tas uzkrāj potenciālo enerģiju, lai varētu izšaut bultu. Automašīnas ir aprīkotas ar elastīgām atsperēm un amortizatoriem, kas absorbē triecienus, braucot pa nelīdzenu ceļu.
Kinētiskā enerģija
Darbu spēj veikt ne tikai ķermeņi, kam piemīt potenciālā enerģija, bet arī kustībā esoši ķermeņi. Piemēram, kustībā esoša gaisa masa jeb vējš ar savu enerģiju spēj griezt dzirnavu spārnus vai pārvietot burulaivas. Kustībā esoša biljarda bumba spēj veikt darbu, jo, saskaroties ar citu bumbu, ierosina tās kustību. Enerģiju, kas piemīt kustībā esošiem ķermeņiem, sauc par kinētisko enerģiju.
Kustībā esošam ķermenim piemīt kinētiskā enerģija.
Kinētiskā enerģija ir atkarīga no ķermeņa ātruma — jo lielāks ir ātrums, jo lielāka ir kinētiskā enerģija. Tomēr, vienmērīgi palielinoties ātrumam, kinētiskā enerģija palielinās nevienmērīgi. Ja ātrums palielinās divas reizes, tad ķermeņa kinētiskā enerģija palielinās četras reizes. Ja ātrums palielinās trīs reizes, tad kinētiskā enerģija palielinās deviņas reizes. Ķermeņa kinētiskā enerģija ir tieši proporcionāla ātruma kvadrātam.
Ķermeņa kinētiskā enerģija ir atkarīga arī no ķermeņa masas. Jo lielāka ir ķermeņa masa, jo lielāka ir tam piemītošā kinētiskā enerģija.
Kinētisko enerģiju, tāpat kā potenciālo enerģiju, mēra džoulos (J). Lai kinētisko enerģiju aprēķinātu džoulos, masa ir jāizsaka kilogramos (kg) un ātrums — metros sekundē (m/s).
Ķermeņiem, kuriem ir liela masa, piemīt arī liela kinētiskā enerģija. Ja, piemēram, vieglās automašīnas masa ir 1 tonna, bet kravas automašīna sver 10 tonnas, tad, braucot ar vienādiem ātrumiem, kravas automašīnas kinētiskā enerģija ir 10 reizes lielāka. Tas jāņem vērā bremzējot. Kravas automašīnas ir grūtāk strauji apturēt nekā vieglo automašīnu, jo lielā kinētiskā enerģija ir jāpārvērš darbā vai citā enerģijas veidā. Bremzēšanas laikā berzes spēka darbs kinētisko enerģiju pārvērš siltumā.
Kinētisko enerģiju var pārvērst darbā, piemēram, ar āmuru koka detaļā var iedzīt naglu. Ar strauju āmura vientu tiek panākts, ka āmurs iegūst pēc iespējas lielāku ātrumu, tātad arī lielāku kinētisko enerģiju. Trāpot pa naglu, āmurs spēji apstājas — tā ātrums kļūst vienāds ar nulli. Tomēr āmura kinētiskā enerģija nekur nav pazudusi, jo tā tiek patērēta, iedzenot naglu — veicot darbu. Lielu naglu iedzīt sienā ar mazu āmuru ir grūti. Tāpēc, lai kinētiskā enerģija būtu lielāka, ir jāizmanto smagāks āmurs.
Dzenot naglu dēlī, āmura kinētiskā enerģija tiek pārvērsta darbā.
Siltumprocesi un temperatūra
Noskaidrosi, kādas parādības un norises sauc par siltumprocesiem. Atkārtosi temperatūras jēdzienu. Iepazīsies ar termometru darbības principiem.
Ar siltumu saistās daudzas dabas parādības uz Zemes, kā arī daudzas norises sadzīvē un tehnikā. Piemēram, gaiss sasilstot izplešas, un gaisa balons piepūšas. Fizikā šādas parādības un norises dēvē par siltumprocesiem.
Balstoties uz vielas uzbūves modeļiem var izskaidrot dažādus siltumprocesus, piemēram, vielu sasilšanu un atdzišanu. Siltumprocesā var mainīties arī vielas agregātstāvoklis. Šādi siltumprocesi ir kušana, sacietēšana, iztvaikošana un kondensācija. Degšana ir siltumprocess, kurā notiek vielas ķīmiskā pārvērtība un izdalās siltums.
Daudzas cietvielu, šķidrumu un gāzu īpašības ir atkarīgas no ķermeņa sasiluma pakāpes, ko raksturo temperatūra. Piemēram, podnieka krāsnī no mīkstā māla veidotais trauks kļūst ciets un skanīgs, jo, mālu apdedzinot, tas ir pilnīgi mainījis savas sākotnējās īpašības.
Vielai sasilstot, tā izplešas, bet atdziestot — saraujas. Ja trauks ir slēgts, tad gāzes tilpums palielināties nevar. Toties pieaug gāzes spiediens uz trauka sienām. Arī šoferi un velosipēdisti zina, ka nav ieteicams pārlieku piepumpēt riepu kameras, ja sagaidāms, ka temperatūra var jūtami paaugstināties.
Jo augstāka ir vielas temperatūra, jo daļiņu haotiskā kustība kļūst intensīvāka. Pazeminoties temperatūrai, siltumkustība un līdz ar to arī vielas daļiņu kinētiskā enerģija kļūst aizvien mazāka.
Temperatūra raksturo ķermeņa sasiluma pakāpi un vielas daļiņu siltumkustības intensitāti.
Temperatūras mērīšanai ir nepieciešama ierīce — termometrs. Lielākajā daļā pasaules valstu temperatūras mērīšanai izmanto Celsija temperatūras skalu, bet dažās pasaules valstīs, piemēram, ASV, lieto Fārenheita temperatūras skalu.
Celsija temperatūras skalas atskaites punkti ir ledus kušanas temperatūra 0 °C un ūdens vārīšanās temperatūra 100 °C normālā atmosfēras spiedienā. Temperatūru intervāls starp 0 °C un 100 °C ir sadalīts 100 vienādās daļās. Katras iedaļas vērtība ir 1 °C.
Fārenheita skalā par 0 grādiem pieņem ledus, vārāmās sāls un ožamā spirta maisījuma kušanas temperatūru, bet par 100 grādiem — cilvēka ķermeņa temperatūru (37,78 °C).
Augstākām temperatūrām dabā nav robežu, bet kāda ir temperatūras zemākā robeža? Izrādās, ka Celsija temperatūras skalā šī temperatūra ir –273,15 °C. Tāpēc fizikā lietderīgi bija ieviest citu — absolūtās temperatūras skalu, kas sākas no nulles un kurā negatīvu temperatūru vispār nav. Absolūtās temperatūras mērvienība ir kelvins. Abas temperatūras skalas — Celsija skala un absolūtās temperatūras skala — ir nobīdītas viena pret otru par 273 iedaļām jeb grādiem.
Termometru konstrukcijas ir dažādas. Ar šķidruma termometru temperatūru nosaka pēc tā, par cik izmainās šķidruma tilpums, mainoties tā sasiluma pakāpei. Mūsdienās biežāk sastopami termometri, kuros izmanto vielu elektriskās īpašības, piemēram, pretestības termometri. Tajos izmanto materiālu elektriskās pretestības mainīšanos, tiem sasilstot vai atdziestot. Tās ir digitālās mērierīces, kurās temperatūru nolasa šķidro kristālu vai cita veida displejā. Temperatūras noteikšanai no attāluma lieto īpašas ierīces – pirometrus jeb infrasarkanā starojuma termometrus, mērot ķermeņa izstaroto siltuma starojumu.
Šķidruma termometrs.
Pretestības termometrs.
Infrasarkanā starojuma termometrs
Vielas uzbūve un daļiņu siltumkustība
Pasaulē ir dažādas vielas, un tām ir atšķirīgas īpašības. Vielas var būt cietā, šķidrā vai gāzveida stāvoklī. Šos stāvokļus sauc arī par vielas agregātstāvokļiem. Vielām ir kopīga īpašība — tās var mainīt savu agregātstāvokli, mainoties ārējās vides apstākļiem, piemēram, temperatūrai.
Ir novērojamas vairākas parādības, kas pierāda atomu un molekulu haotisko kustību, piemēram, dažādu vielu sajaukšanās un parādība, ko sauc par Brauna kustību.
1827. gadā angļu botāniķis Roberts Brauns, skatoties mikroskopā, ievēroja, ka ziedputekšņi, iebērti ūdenī, nemitīgi un neregulāri kustas, ik mirkli mainot virzienu. Lielākie ziedputekšņi kustējās lēnāk, mazākie — ātrāk, un kustība nekādi nerimās. Arī sasmalcināta māla daļiņas ūdenī darīja tāpat. Kas gan lika šīm daļiņām nepārtraukti kustēties? Izskaidrojums radās daudz vēlāk, 20. gadsimta sākumā. Izrādījās, ka “smagos” ziedputekšņus un māla daļiņas, kas izkaisītas ūdenī, nepārtraukti grūsta “vieglās” ūdens molekulas, kuras haotiski kustas visos virzienos. Šāda atomu un molekulu kustība vienmēr pastāv visās vielās, ne tikai gāzēs un šķidrumos, bet arī cietvielās. Brauna kustība nav vienīgais atomu un molekulu pastāvēšanas pierādījums. Pētot un skaidrojot vielu īpašības un pārvērtības, tiek izmantoti trīs pieņēmumi.
Pieņēmumi par vielas uzbūvi
- Vielas sastāv no daļiņām — atomiem un molekulām.
- Vielas daļiņas atrodas nepārtrauktā haotiskā kustībā.
- Starp vielas daļiņām pastāv mijiedarbības spēki.
Tā kā vielas daļiņas ir ļoti sīkas un vielu uzbūve dažādām vielām ir atšķirīga, tad to uzbūves attēlošanai izmanto modeļus. Bieži tiek izmantoti aprakstošie un shematiskie modeļi, ar kuru palīdzību aplūkojamo sistēmu, piemēram, vielu noteiktā agregātstāvoklī, apraksta ar vārdiem vai attēlo ar zīmējumu.
Modelis ir vienkāršots un uzskatāms sarežģītas sistēmas vai procesa attēlojums.
Cietu vielu, šķidrumu un gāzu modeļi
Cietu vielu, šķidrumu un gāzu modeļi palīdz izprast, kāpēc vielas īpašības dažādos agregātstāvokļos ir atšķirīgas. Agregātstāvokļu modeļi attēlo vielas daļiņu dažādo izvietojumu un daļiņu kustību.
Cietā vielā starp daļiņām darbojas stipri mijiedarbības spēki, un tie notur vielas daļiņas tuvu citu citai. Daļiņu kustība cietā vielā galvenokārt izpaužas kā svārstīšanās ap savām līdzsvara vietām. Cietās kristāliskās vielās atomi ir sakārtojušies noteiktā secībā, kas regulāri atkārtojas. Tā atomi veido ciešu un noturīgu kristāla režģi. Lai shematiski attēlotu daļiņu svārstības ap līdzsvara vietu, attēlā tiek izmantotas liektas līnijas.
Šķidrumā daļiņu mijiedarbības spēki joprojām ir pietiekami stipri, taču vājāki nekā cietā vielā. Šķidrumā daļiņas ne tikai svārstās ap līdzsvara vietu, tās var arī pārvietoties. Lai shematiski attēlotu daļiņu pārvietošanos šķidrumā, attēlā tiek izmantotas liektas bultas.
Gāzes daļiņas tikpat kā nav savstarpēji saistītas, jo mijiedarbības spēki starp tām ir vāji. Starp atomiem vai molekulām ir daudz brīvas vietas, tāpēc gāzi var viegli saspiest. Gāzes molekulas kustas haotiski, un to sadursmes savā starpā vai ar trauka sienām notiek retāk nekā šķidrumos. Lai shematiski attēlotu daļiņu pārvietošanos gāzveida stāvoklī, attēlā tiek izmantota taisna bulta.
Novērojumi liecina, ka vielas daļiņu svārstību vai pārvietošanās ātrums ir atkarīgs no vielas temperatūras. Tāpēc šo vielas daļiņu kustību sauc par siltumkustību. Jo augstāka ir vielas temperatūra, jo daļiņu haotiskā kustība jeb siltumkustība kļūst intensīvāka.
Siltumkustība ir vielas daļiņu nepārtraukta haotiska kustība, kas atkarīga no vielas temperatūras.
Lai atšķirtu, kā mainās daļiņu siltumkustība dažādās temperatūrās, vielu uzbūves modeļos izmanto īsākas un garākas bultas. Piemēram, jo augstāka ir vielas temperatūra, jo ātrāk kustēsies daļiņa, jo garāka bulta attēlo daļiņas kustības virzienu.
Siltuma pārnese. Siltumvadīšana
Noskaidrosi, kas ir siltuma līdzsvars un siltuma pārnese. Izpētīsi, kā notiek siltuma pārnese siltumvadīšanas procesā. Uzzināsi, kuri materiāli ir siltuma vadītāji un kuri — siltuma izolatori.
Karsti ķermeņi atdziest tik ilgi, kamēr to temperatūra kļūst vienāda ar apkārtnes temperatūru. Auksti ķermeņi sasilst līdz apkārtnes temperatūrai. Visiem vienā telpā esošiem ķermeņiem, piemēram, galdam, krēslam, ir vienāda temperatūra, kas sakrīt ar gaisa temperatūru istabā, ja vien priekšmeti nav nesen ienesti no vides ar citu temperatūru. Saskarē esošu ķermeņu sasiluma pakāpes izlīdzinās, un to temperatūras pēc laika kļūst vienādas — iestājas siltuma līdzsvars. Siltums plūst no siltāka ķermeņa uz aukstāku ķermeni, kamēr to temperatūras izlīdzinās. Šo parādību sauc par siltuma pārnesi.
Siltuma līdzsvars ir stāvoklis, kas rodas, ja divu saskarē esošu ķermeņu atšķirīgās temperatūras siltuma pārneses rezultātā izlīdzinās.
Siltuma pārnese var notikt siltumvadīšanas, konvekcijas un siltumstarojuma veidā.
Ja karstā tējā ir ielikta auksta metāla tējkarote, tad drīz vien tējkarotes kātiņš arī kļūst karsts. Siltums ir izplatījies pa metālu siltumvadīšanas veidā. Metāla tējkarotes daļā, kas ir ielikta karstā tējā, temperatūra ievērojami pieaug. Tāpēc daļiņu siltumkustība tur kļūst daudz intensīvāka nekā karotes kātiņā. Ātrākie atomi iekustina blakus esošos lēnākos atomus, un arī tie sākas svārstīties ātrāk. Siltuma enerģija pakāpeniski izplatās no vietas, kur temperatūra ir augstāka, uz vietu, kur tā ir zemāka, un karotītes vēsākais gals pamazām sasilst. Kad siltumkustība visur kļūst vienādi intensīva, tad arī temperatūra ir izlīdzinājusies.
Siltumvadīšanā siltumu nepārnes viela, bet temperatūru starpību izlīdzina vielas daļiņu siltumkustība.
Dažādas vielas siltumu vada atšķirīgi. Labi siltumvadītāji ir visi metāli. Temperatūras starpība tajos ātri izlīdzinās. Metālu labo siltumvadītspēju bieži izmanto siltuma novadīšanai līdz ķermenim, kas jāsakarsē. Piemēram, pannas tiek izgatavotas no metāla, lai tās ātri uzkarstu un varētu uz tām gatavot ēdienu. Metālus izmanto arī siltuma aizvadīšanai, lai viela nevēlami nesakarstu. Piemēram, datora mikroprocesoriem pielīmē alumīnija plāksnīti, kas aizvada siltumu.
Tādas vielas kā koks, korķis, stikls un daudzi citi nemetāli ir slikti siltuma vadītāji. Piemēram, degošu sērkociņu var turēt tik ilgi pirkstos, līdz tos sāc karsēt liesma. Šādas vielas izmanto kā siltuma izolatorus. Instrumentiem, kuri darba gaitā sakarst, rokturus izgatavo no koka vai kāda cita materiāla, kas slikti vada siltumu. Ūdens un citi šķidrumi, slikti vada siltumu. Šīs īpašības dēļ ūdenstilpēs nenotiek straujas temperatūras maiņas, kas varētu nelabvēlīgi ietekmēt visu dzīvo.
Slikti siltumvadītāji ir retinātas gāzes, jo telpa, ko aizņem gāze, ir gandrīz tukša. Retie gāzes atomi vai molekulas nevar ātri nodot savu enerģiju citam atomam vai molekulai. Tāpēc gaiss ir siltumu labi izolējoša viela. Gaiss ir visos porainos materiālos un vatēs, kuras izmanto ēku siltumizolācijā. Lai pasargātu ēkas no nevēlamas siltuma apmaiņas ar apkārtējo vidi, jumtu nosedz ar gaisu necaurlaidīgu pārklājumu, sienas izolē, liekot porainus materiālus vairākos slāņos, spraugās iepūš putas, kas sacietējot veido porainu struktūru.
Iztvaikošana un kondensācija
Iztvaikošana ir vielas agregātstāvokļa maiņa, kurā viela no šķidra stāvokļa pāriet gāzveida stāvoklī. Visi šķidrumi iztvaiko, un virs tiem rodas tvaiks — tā pati viela gāzveida stāvoklī.
Iztvaikošana ir šķidruma pārvēršana tvaikos — gāzveida stāvoklī.
Šķidrumos molekulas ir izvietotas gandrīz tikpat blīvi kā cietās vielās — to savstarpējā mijiedarbība ir ļoti intensīva. Starp šķidruma molekulām darbojas pievilkšanās spēki, kas neļauj tām brīvi attālināties citai no citas. Tāpēc šķidrums, atšķirībā no gāzes, paliek traukā, kad to atver. Taču molekulu ātrumi šķidrumā ir dažādi. Ātrākajām molekulām ir lielāka siltumkustības enerģija, tāpēc tās var atrauties no šķidruma virsmas. Tā veidojas šķidruma tvaiki.
Iztvaikojot šķidrums zaudē siltumu, jo to no šķidruma virskārtas aiznes līdzi ātrākās molekulas, kas atrāvušās no šķidruma virsmas. Šķidruma temperatūra kļūst zemāka. Tas ir sajūtams, piemēram, pēc peldēšanas. Iznākot no ūdens, uz ādas esošie ūdens pilieni iztvaiko un cilvēks sajūt vēsumu.
Dažādu šķidrumu iztvaikošanas ātrumi ir atšķirīgi. Ja uz papīra uzpilina benzīna, ūdens un eļļas pilienus, tad var novērot, ka visātrāk iztvaiko benzīns, tad ūdens, savukārt eļļas piliena iztvaikošana ilgst vairākas dienas. Lai gan visi šķidrumi iztvaiko jebkurā temperatūrā, tomēr, temperatūrai palielinoties, iztvaikošanas ātrums strauji pieaug.
Vārīšanās ir šķidruma intensīva iztvaikošana visā tā tilpumā.
Ja šķidrumu silda, tā iztvaikošana sākas no šķidruma virsmas. Sasniedzot noteiktu temperatūru, iztvaikošana sākas arī šķidruma iekšienē. Šķidrumā rodas tvaika pūslīši. To tilpums aizvien palielinās. Pūslīši paceļas līdz šķidruma virsmai. Šķidrums burbuļo, un, tvaika pūslīšiem plīstot, var dzirdēt raksturīgu šņākoņu—šķidrums vārās.
Vārīšanās laikā šķidruma temperatūra nemainās, līdz viss šķidrums ir pārvērties tvaikā. Ja šķidrumu pārtrauc karsēt, tad vārīšanās beidzas.
Šķidrumam vāroties, tā temperatūra nemainās.
Vārīšanās temperatūra ir atkarīga no apstākļiem, kādos šķidrums vārās, taču galvenokārt tā ir atkarīga no spiediena. Normālā atmosfēras spiedienā ūdens vārīs 100 °C temperatūrā. Katram šķidrumam ir sava vārīšanās temperatūra. Piemēram, normālā atmosfēras spiedienā spirts vārās 78 °C temperatūrā, bet dzīvsudrabs vārās 357 °C temperatūrā.
| Viela | Vārīšanās temperatūra, °C | Īpatnējais iztvaikošanas siltums, J/kg |
|---|---|---|
| Ūdens | 100 | 2 260 000 |
| Spirts | 78 | 855 000 |
| Dzīvsudrabs | 357 | 285 000 |
| Benzīns | 70 ... 120 | 230 000 ... 310 000 |
| Freons | –30 | 1 680 000 |
Īpatnējais iztvaikošanas siltums ir siltuma daudzums, kas nepieciešams, lai vārīšanās temperatūrā iztvaicētu 1 kg šķidras vielas. To mēra džoulos uz kilogramu (J/kg).
Lai iztvaicētu 1 kg ūdens vārīšanās temperatūrā ir jāpievada 2260 kJ liels siltuma daudzums, bet, lai iztvaicētu 1 kg spirta vārīšanās temperatūrā, ir nepieciešams 855 kJ liels siltuma daudzums. Jo mazāks ir šķidruma īpatnējais iztvaikošanas siltums, jo ātrāk šis šķidrums iztvaiko.
Zinot vielas īpatnējo iztvaikošanas siltumu L un to, cik liela šķidruma masa m iztvaiko, var aprēķināt iztvaikošanai nepieciešamo siltuma daudzumu Q.
Vārīšanās temperatūra ir atkarīga no apkārtējās vides spiediena virs šķidruma. Lai iegūtu augstāku vārīšanās temperatūru, apkārtējās vides spiediens ir jāpalielina. Savukārt, ja apkārtējās vides spiediens virs šķidruma ir mazāks par normālu atmosfēras spiedienu, vārīšanās temperatūra pazeminās.
Piemēram, augstāku vārīšanās temperatūru var panākt īpaši noslēgtos spiediena katlos — autoklāvos. Arī mājsaimniecībā izmanto katlus ar cieši noslēgtu vāku, lai saīsinātu pārtikas produktu pagatavošanas laiku. Kad ūdens sāk vārīties, tvaikam nav kur aizplūst un spiediens katlā paaugstinās.
Ja gaisa spiediens kļūst zemāks par normālo atmosfēras spiedienu, šķidrumu vārīšanās temperatūra pazeminās. Piemēram, kalnos jau dažu kilometru augstumā gaisa spiediens ir pazeminājies tā, ka ūdens vārīs jau 90 °C un zemākā temperatūrā.
Freonam, arī skābeklim un slāpeklim vārīšanās temperatūras ir zemas, tāpēc ikdienā ir pierasts, ka tās ir vielas gāzveida stāvoklī. Ar speciālām ierīcēm paaugstinātā spiedienā šīs gāzes var pārvērst šķidrā agregātstāvoklī. Rūpnieciskai gāzu sašķidrināšanai tiek izmantoti dažādi paņēmieni. Lai gaisa sastāvā esošās gāzes uzglabātu šķidrā veidā, tās augstā spiedienā pilda izturīgos balonos. Skābeklis nepieciešams elpošanai, to izmanto ārstniecības iestādēs, zemūdens darbos, kosmiskajos aparātos un citur. Slāpekli izmanto bioloģisko materiālu uzglabāšanai un kā vidi tehnoloģiskajos procesos.
Kondensācija ir vielas pāreja no gāzveida agregātstāvokļa šķidrā stāvoklī. Tvaiku kondensācija ir iztvaikošanai pretējs process.
Iztvaikošanai pretējs process ir kondensācija, kad šķidruma tvaiks pārvēršas šķidrumā. Tā sākas, ja temperatūra pazeminās līdz kondensācijas temperatūrai, kurā viela kā gāze nevar pastāvēt. Kondensācijas temperatūra galvenokārt ir atkarīga no spiediena.
Tvaikam, kondensējoties par šķidrumu nemainīgā temperatūrā, izdalās siltuma daudzums. Atdotais siltuma daudzums ir tikpat liels, cik bija vajadzīgs šķidruma iztvaikošanai, tikai šajā gadījumā to sauc par kondensēšanās siltumu.
Freonu, kura vārīšanās temperatūra ir −30°C, izmanto saldēšanas iekārtās Šajās iekārtās slēgtās cauruļvadu sistēmās šķidrs freons vārās un iztvaiko, paņemot siltumu no aukstuma kamerās ievietotajiem produktiem. Ar elektromotora — kompresora — palīdzību freona gāze nonāk saldēšanas iekārtas kondensatorā, sašķidrinās un atdod siltumu apkārtējai videi.
Iztvaikošanas procesā šķidrumam siltuma daudzums ir jāpievada, bet gāzveida vielas kondensēšanās procesā siltuma daudzums tiek atdots apkārtējai videi.
