If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

თუ ვებფილტრს იყენებთ, დარწმუნდით, რომ *.kastatic.org და *.kasandbox.org დომენები არ არის დაბლოკილი.

ძირითადი მასალა

კურსი: ქიმია > თემა 11

გაკვეთილი 1: შინაგანი ენერგია

სითბო და ტემპერატურა

რას ნიშნავს სითბო თერმოდინამიკაში და როგორ გამოვთვალოთ სითბოს რაოდენობა სითბოტევადობის მეშვეობით.

საკვანძო საკითხები

  • სითბო, q, არის თერმული ენერგია, რომელიც კონტაქტში მყოფი უფრო ცხელი სისტემიდან უფრო ცივ სისტემას გადაეცემა.
  • სისტემაში არსებული ატომების საშუალო კინეტიკური ენერგიის საზომია ტემპერატურა.
  • თერმოდინამიკის ნულოვანი კანონის მიხედვით, თერმულ წონასწორობაში, ორ ობიექტს შორის სითბოს მიმოცვლა არ ხდება; აქედან გამომდინარე, ისინი ერთსა და იმავე ტემპერატურაზე არიან.
  • გამოყოფილი ან შთანთქმული სითბოს გამოთვლა შეგვიძლია სითბოტევადობის C-ს, სუბსტანციის მასის m-ის, და ტემპერატურის ცვლილების ΔT-ს გამოყენებით:
q=m×C×ΔT

სითბო თერმოდინამიკაში

რას უფრო მეტი სითბო აქვს, ერთ ფინჯან ყავას თუ ერთ ჭიქა ყინულიან ჩაის? ქიმიაში ამ კითხვის დასმა ცოტა არ იყოს ეშმაკური იქნებოდა. თერმოდინამიკაში სითბოს ძალიან სპეციფიკური მნიშვნელობა აქვს და იგი განსხვავდება ამ სიტყვის იმ მნიშვნელობისგან, რომელსაც ჩვენ ყოველდღიურ ცხოვრებაში ვხმარობთ. მეცნიერების განმარტებით, სითბო არის თერმული ენერგიის გადაცემა ორ, კონტაქტში მყოფ სისტემას შორის, რომელთა ტემპერატურებიც განსხვავებულია. სითბოს აღნიშავენ q ან Q სიმბოლოთი. სითბოს საზომი ერთეულია ჯოული ().
წყალში არსებული სამი ყინულის კუბის დნობა სარკისებრ ზედაპირზე.
გარემოში არსებული სითბო გადაეცემა ყინულს და იწვევს ფაზათა ცვლილებას ყინულიდან წყლამდე. ყინულის კუბიკების ფოტო. წყარო: flickr, CC BY 2,0.
სითბოს ხანდახან ეწოდება პროცესის რაოდენობა, რადგანაც მას განვმარტავთ რაიმე პროცესისთვის, რომლის დროსაც ენერგიის გადაცემა ხდება. ჩვენ არ ვსაუბრობთ სითბოს შემცველ ყავის ჭიქაზე, მაგრამ შეგვიძლია, ვისაუბროთ, თუ როგორ გადაეცემა სითბო ჭიქიდან თქვენს ხელს. სითბო, ასევე, ექსტენსიური თვისებაა, ანუ ტემპერატურის ცვლილება გამოიწვევს თუ არა სითბოს გადაცემას სისტემაზე, დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენი მოლეკულაა სისტემაში.

დამოკიდებულება სითბოსა და ტემპერატურას შორის

სითბო და ტემპერატურა ორი განსხვავებული, მაგრამ მჭიდროდ დაკავშირებული რამაა. მიაქციეთ ყურადღება, რომ მათ განსხვავებული ერთეულებით გამოვსახავთ: ტემპერატურის ერთეულია გრადუსი, ჩვეულებრივ, ცელსიუსი (Celsius; C) ან კელვინი (Kelvin; K), ხოლო სითბოს ერთეულია ენერგია, ჯოული (J). ტემპერატურა არის სისტემაში არსებული მოლეკულების ან ატომების საშუალო კინეტიკური ენერგიის საზომი. ყავის ჭიქაში არსებულ წყლის მოლეკულებს აქვთ უფრო მაღალი საშუალო კინეტიკური ენერგია, ვიდრე ყინულიან ჩაიში არსებულ წყლის მოლეკულებს, რაც ნიშნავს, რომ ისინი უფრო მეტი სიჩქარით მოძრაობენ. ტემპერატურა არის ინტენსიური მახასიათებელი, რაც ნიშნავს, რომ ტემპერატურის ცვლილება არაა რაიმე სუბსტანციის რაოდენობაზე დამოკიდებული (თუ მთლიანი რაოდენობა ერთსა და იმავე ტემპერატურაზეა). სწორედ ამიტომ, ქიმიკოსები ხშირად იყენებენ დნობის წერტილს, რათა გაიგონ, სუფთაა თუ არა სუბსტანციადნობის წერტილის ტემპერატურა არის მახასიათებელი, რომელიც ნიმუშის მასაზე დამოკიდებული არაა.
ატომურ დონეზე, თითოეულ ობიექტში არსებული მოლეკულები ყოველთვის მოძრაობენ და ეჯახებიან ერთმანეთს. მოლეკულების ყოველი შეჯახებისას შეიძლება მოხდეს კინეტიკური ენერგიის მიმოცვლა. როდესაც ორი სისტემაა კონტაქტში, სითბოს გადაცემა მოხდება მოლეკულური შეჯახებების საშუალებით უფრო ცხელი სისტემიდან უფრო ცივ სისტემაზე. თერმული ენერგია მანამდე გააგრძელებს ამ მიმართულებით დინებას, სანამ ორივე ობიექტი ერთსა და იმავე ტემპერატურაზე არ იქნება. როდესაც ორი სისტემა კონტაქტშია ერთსა და იმავე ტემპერატურაზე, ვამბობთ, რომ ისინი თერმულ წონასწორობაში იმყოფებიან.

თერმოდინამიკის ნულოვანი კანონი: თერმული წონასწორობის განმარტება

თერმოდინამიკის ნულოვანი კანონი თერმულ წონასწორობას იზოლირებულ სისტემაში განსაზღვრავს. ნულოვანი კანონის მიხედვით, როდესაც თერმულ წონასწორობაში არსებული ორი ობიექტია კონტაქტში, ობიექტებს შორის სითბოს მიმოცვლა არ ხდება; აქედან გამომდინარე, ისინი ერთსა და იმავე ტემპერატურაზე არიან. შეგვიძლია, ნულოვანი კანონი სხვანაირად ჩამოვაყალიბოთ, თუ ვიტყვით, რომ თუ ორი ობიექტი ცალ-ცალკეა თერმულ წონასწორობაში მესამე ობიექტთან, მაშინ ისინი ერთმანეთთან არიან თერმულ წონასწორობაში.
ნულოვანი კანონი საშუალებას გვაძლევს, გავზომოთ ობიექტების ტემპერატურა. ყოველ ჯერზე, როცა ვიყენებთ თერმომეტრს, ვიყენებთ თერმოდინამიკის ნულოვან კანონის. მოდით, ვთქვათ, რომ ვზომავთ წყლის აბაზანის ტემპერატურას. იმისთვის, რომ დავრწმუნდეთ, რომ მონაცემები ზუსტია, ველოდებით, რომ ტემპერატურა მუდმივი იყოს ერთ ნიშნულზე. ჩვენ ველოდებით, როდის მიაღწევენ თერმომეტრი და წყალი თერმულ წონასწორობას! თერმული წონასწორობის დროს, თერმომეტრის ტემპერატურა და წყლის ტემპერატურა ერთნაირი იქნება და ერთი ობიექტიდან მეორე ობიექტზე სითბოს გადაცემა არ უნდა ხდებოდეს (თუ დავუშვებთ, რომ სითბო გარემოში არ იკარგება).

სითბოტევადობა: სითბოსა და ტემპერატურის ცვლილების ურთიერთგადაყვანა

როგორ შეგვიძლია სითბოს გაზომვა? აქაა რამდენიმე რამ, რაც ჯერჯერობით სითბოს შესახებ ვიცით:
  • როცა სისტემა შთანთქავს ან კარგავს სითბოს, მოლეკულების საშუალო კინეტიკური ენერგია შეიცვლება. აქედან გამომდინარე, სითბოს გადაცემა იწვევს სისტემის ტემპერატურის ცვლილებას, თუ სისტემა არ განიცდის ფაზათა ცვლილებას.
  • სისტემაში ან სისტემიდან სითბოს გადაცემით გამოწვეული ტემპერატურული ცვლილება დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენი მოლეკულაა სისტემაში.
სისტემაში ტემპერატურული ცვლილების გასაზომად თერმომეტრის გამოყენება შეგვიძლია. როგორ გამოვიყენოთ ტემპერატურის ცვლილება გადაცემული სითბოს რაოდენობის დასათვლელად?
იმისათვის, რომ გავიგოთ, როგორ შეცვლის სისტემისთვის გადაცემული სითბო სისტემის ტემპერატურას, უნდა ვიცოდეთ მინიმუმ 2 რამ:
  • სისტემაში არსებული მოლეკულების რაოდენობა
  • სისტემის სითბოტევადობა
სისტემის სითბოტევადობა გვიჩვენებს, თუ რამდენი ენერგიაა საჭირო მოცემული სუბსტანციის ტემპერატურის შესაცვლელად, თუ დავუშვებთ, რომ ფაზათა ცვლილება არ მიმდინარეობს. სითბოტევადობის აღწერისთვის ორი ძირითადი გზა არსებობს. კუთრი სითბოტევადობა (ან კუთრი სითბო) წარმოდგენილია სიმბოლო c-თი ან C-თი და აღნიშნავს, თუ რა რაოდენობის ენერგიაა საჭირო ერთი გრამი სუბსტანციის ტემპერატურის 1 C-ით ან 1K-ით გასაზრდელად. კუთრი სითბოტევადობოს ერთეულია, ჩვეულებრივ, გრამიK. მოლური სითბოტევადობა, Cm ან Cმოლ, ზომავს, თუ რა რაოდენის თერმული ენერგიაა საჭირო ერთი მოლი სუბსტანციის ტემპერატურის 1 C-ით ან 1K-ით გასაზრდელად, მისი ერთეულია მოლK. მაგალითად, ტყვიის სითბოტევადობა შეიძლება მოცემული იყოს როგორც კუთრი სითბოტევადობა, 0,129K, ან მოლური სითბოტევადობა, 26,65მოლK.

q-ს გამოთვლა სითბოტევადობის მეშვეობით

ჩვენ შეგვიძლია, გამოვიყენოთ სითბოტევადობა, რათა განვსაზღვროთ მატერიის მიერ შთანთქმული ან გამოყოფილი სითბო, შემდეგი ფორმულის დახმარებით:
q=m×C×ΔT
სადაც m ნივთიერების მასაა (გრამებში), C კუთრი სითბოტევადობა, ხოლო ΔT -ტემპერატურის ცვლილება სითბური პროცესის დროს. მასას და კუთრ წინაღობას მხოლოდ დადებითი მნიშვნელობა შეიძლება ჰქონდეს, ამიტომაც q -ს ნიშანი დამოკიდებული იქნება ΔT -ს ნიშანზე. ΔT -ს გამოსათვლელად ვიყენებთ შემდეგ ფორმულას:
ΔT=TსაბოლოოTსაწყისი
სადაც Tსაბოლოო და Tსაწყისი შეიძლება იყოს მოცემული, როგორც  C-ში, ასევე K-ში. ამ ფორმულაზე დაყრდნობით, შეგვიძლია, ჩამოვაყალიბოთ, რომ თუ q დადებითია (სისტემის ენერგია იზრდება), მაშინ ჩვენი სისტემის ტემპერატურა იზრდება და Tსაბოლოო>Tსაწყისი. ხოლო თუ q უარყოფითია (სისტემის ენერგია მცირდება), მაშინ ჩვენი სისტემის ტემპერატურა მცირდება და Tსაბოლოო<Tსაწყისი.

ამოცანის მაგალითი: ჩაის ჭიქის გაგრილება

დავუშვათ, რომ გვაქვს 250მლ ცხელი ჩაი, რომელიც უნდა გავაგრილოთ, სანამ დავლევთ. ახლა ჩაის ტემპერატურა არის 370K და უნდა გავაგრილოთ 350K-მდე. რა რაოდენობის თერმული ენერგია უნდა გადაეცეს ჩაიდან გარემოს, რათა ჩაი გაგრილდეს?
ლამბაქზე მდგარ თეთრ ჭიქაში ასხია შავი ჩაი ლიმონით.
გაგრილებისას ცხელი ჩაი სითბოს გარემოს გადასცემს. ფოტოს წყარო: Photozou, CC BY-NC-ND 2,5
ჩვენ უნდა დავუშვათ, რომ ჩაი ძირითადად წყლისგან შედგება, რათა ჩვენს გამოთვლებში წყლის სიმკვრივე და სითბოტევადობა გამოვიყენოთ. წყლის კუთრი სითბოტევადობაა 4,18K, ხოლო წყლის სიმკვრივე - 1,00მლ. ჩაის გაგრილებისას გარემოსთვის გადაცემული ენერგიის გამოთვლა შემდეგი ნაბიჯების გამოყენებითაა შესაძლებელი:

1. გამოითვალეთ სუბსტანციის მასა

ჩაის/წყლის მასის გამოთვლა წყლის სიმკვრივისა და მოცულობის გამოყენებით შეგვიძლია:
m=250მლ×1,00მლ=250

2. გამოითვალეთ ტემპერატურის ცვლილება, ΔT

ტემპერატურის ცვლილების, ΔT-ს, გამოთვლა საწყისი და საბოლოო ტემპერატურებით შეგვიძლია:
ΔT=TსაბოლოოTსაწყისი=350K370K=20K
რადგანაც ჩაის ტემპერატურა მცირდება და ΔT უარყოფითი იქნება, მოსალოდნელი იქნებოდა, რომ q შეიძლებოდა ყოფილიყო უარყოფითი, რადგანაც ჩვენი სისტემა თერმულ ენერგიას კარგავს.

3. იპოვეთ q

ახლა შეგვიძლია, გავიგოთ, თუ რა რაოდენობის სითბო გამოიყო ჩაის ჭიქიდან, სითბოს განტოლების გამოყენებით:
q=m×C×ΔT=250×4,18K×20K=21000
აქედან გამომდინარე, გამოვთვალეთ, რომ 370K-დან 350K-მდე გაგრილებისას ჩაი გარემოს გადასცემს 21000J ენერგიას.

დასკვნები

თერმოდინამიკაში, სითბო და ტემპერატურა ერთმანეთთან ახლოს მდგარი კონცეფციებია ზუსტი განსაზღვრებებით.
  • სითბო, q, არის თერმული ენერგია, რომელიც კონტაქტში მყოფი უფრო ცხელი სისტემიდან უფრო ცივ სისტემას გადაეცემა.
  • სისტემაში არსებული ატომების საშუალო კინეტიკური ენერგიის საზომია ტემპერატურა.
  • თერმოდინამიკის ნულოვანი კანონის მიხედვით, როდესაც ორი ობიექტი თერმულ წონასწორობაში იმყოფება, მათ შორის სითბოს მიმოცვლა არ ხდება; აქედან გამომდინარე, მათ აქვთ ერთი და იგივე ტემპერატურა.
  • გამოყოფილი ან შთანთქმული სითბოს გამოთვლა სითბოტევადობის, C-ს, სუბსტანციის მასის m-ის და ტემპერატურის ცვლილების ΔT-ს გამოყენებით შეგვიძლია:
q=m×C×ΔT

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

პოსტები ჯერ არ არის.
გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.