Siltumpārnese un fāžu pārējas

Iztvaikošana un kondensācija

Iztvaikošana ir vielas pāreja no šķidra stāvokļa gāzveida stāvoklī. 

Gāzi, kas rodas virs šķidruma vai cietas vielas un var atrasties ar tiem līdzsvarā, sauc par tvaiku - virs ūdens virsmas  ir ūdens tvaiks, virs šķidra dzīvsudraba ir dzīvsudraba tvaiks.

Termodinamikā jēdzieni ''gāze'' un ''tvaiks'' ir līdzvērtīgi.

Ja gaisā ir ūdens tvaika un sīku ūdens pilienu maisījums, tad tehnikā saka, ka tas ir slapjš tvaiks.
Ikdienā ar vārdiem ūdens tvaiks parasti saprot tieši slapju tvaiku – piemēram, baltu miglu virs katliņa, kurā vārās ūdens. Sarunu valodā slapju tvaiku sauc ''garaiņi''.

Ja šķidrums robežojas ar gāzi vai šķidruma tvaiku, daļa no šķidruma/tvaika robežvirsmas tuvumā esošajām molekulām var pārvarēt molekulu savstarpējās pievilkšanās spēkus un pāriet no šķidrās stāvokļa gāzveida stāvoklī – notiek iztvaikošana. 

Šķidrumu vispirms pamet tās molekulas, kas atrodas virsmas tuvumā, jo šķidruma virsmas tuvumā esošās molekulas ir pakļautas to kaimiņu molekulas ieskauj tikai no vienas puses, tādēļ tām ir jāpārvar mazāks mijiedarbības spēks, lai izrautos no šķidruma. Tad molekula, kas kustas pietiekami ātri, atrodas tuvu pie šķidruma virsmas un kuras ātrums ir vērsts virsmas virzienā, var atrauties no šķidruma virsmas. 

Iztvaikošana notiek jebkurā temperatūrā, tādēļ virs šķidruma vienmēr ir šķidruma tvaiks. Vienlaikus notiek arī pretējais process — robežvirsmas tuvumā esošās tvaika molekulas atgriežas šķidrumā – notiek gāzes (tvaika) kondensācija. 

Kas ietekmē iztvaikošanu un kondensāciju?

1.att. Šķidrumu iztvaikošana (a) un kondensēšanās (b)  

Šķidruma iztvaikošana un kondensācija norit vienlaicīgi, bet šiem procesiem var būt atšķirīgi ātrumi (intensitāte). Ja šķidrumu, piemēram, ūdeni atstāj vaļējā traukā (1. att. a), tad pēc kāda laika ūdens no trauka pamazām ''pazūd'', jo iztvaikošana ņem virsroku pār kondensāciju un ūdens pārvēršas tvaikā. Ja trauku ar šķidrumu noslēdz (1. att. b), tad šķidruma tvaiks uzkrājas trauka tilpumā, tādā veidā palielinot kondensācijas ātrumu. Pēc kāda laika iestājas iztvaikošanas un kondensācijas dinamisks līdzsvars, jeb noteiktā laika intervālā šķidrumu atstāj tikpat daudz molekulu, cik tajā atgriežas. Ja šāds līdzsvars pastāv, tvaiks ir piesātināts. Virs vaļēja trauka (1. att. a) gadījumā, ja iztvaikošana norit ātrāk par kondensāciju, tvaiks ir nepiesātināts. 

2.att. Tvaika veidošanās nenoslēgtā (a) un noslēgtā (b) traukā 

Iztvaikošanas speciālgadījumu, kad, noteiktā temperatūrā un spiedienā, šķidrums pāriet gāzveida stāvoklī visa tā tilpumā – vārīšanos – aplūkojam nodaļā ''Šķidruma vārīšanās''.

Īpatnējais iztvaikošanas siltums

Siltuma daudzumu \(Q\), kas nepieciešams, lai noteiktā temperatūrā vienu šķidruma masas m vienību pārvērstu tvaikā, sauc par īpatnējo iztvaikošanas siltumu (\(L\)).

\(L=\frac{Q}{m}\)

Īpatnējā iztvaikošanas siltuma \(SI\) vienība ir džouls uz kilogramu (\(\frac{J}{kg}\)).

Dažādu šķidrumu īpatnējo iztvaikošanas siltumu nosaka eksperimentāli un tas atrodams tabulās. Jāņem vērā, ka tas ir atkarīgs no vairākiem faktoriem, tādēļ tabulās \(L\) vērtības parasti norāda vārīšanās temperatūrā vienas atmosfēras spiedienā.

Savukārt, tvaikam kondensējoties, līdzvērtīga enerģija (siltuma daudzums) izdalās. Siltuma daudzumu, ko izdala tvaika masas vienība kondensācijas procesā noteiktā temperatūrā, sauc par īpatnējo kondensācijas siltumu. Īpatnējos siltumus nereti sauc par ''latentajiem'' vai ''slēptajiem'' siltumiem, tā uzsverot, ka, piemēram, kondensācijas procesā siltumu no vielas iespējams iegūt – tas izdalās.

Dažādu vielu īpatnējie kušanas siltumi salīdzināti 3. attēlā:

3.att.

Kušana un sacietēšana

Agregātstāvokļu maiņa

Ikdienā  aplūkojam vielas trīs agregātstāvokļus: cietu, šķidru un gāzveida. 
Atkarībā no spiediena un temperatūras viela atrodas kādā no šiem agregātstāvokļiem, bet, mainoties apstākļiem, var notikt pāreja no viena agregātstāvokļa uz citu (1. attēls). Agregātstāvokļu maiņa pieder pie 1. veida fāžu pārejām (skatīt nodaļu ''Pirmā un otrā veida fāžu pārejas'').

Viela var pāriet no cieta stāvokļa šķidrā (izkust), kā arī sacietēt (vairumā gadījumu - kristalizēties). 
Viela var arī pāriet no šķidra stāvokļa gāzveida stāvoklī (iztvaikot), kā arī kondensēties – pāriet no gāzveida stāvokļa šķidrā.

1.att. Agregātstāvokļu maiņa

Pastāv arī iespēja, ka viela no cieta stāvokļa uzreiz pāriet gāzveida stāvoklī un otrādi, neizejot cauri šķidrajam agregātstāvoklim - sublimējas. Sublimācijai pretējo procesu sauc par desublimāciju, kad viela no gāzveida stāvokļa tieši pāriet cietā stāvoklī. 

Kristālisku un amorfu vielu kušana un sacietēšana

Kušanas procesā cietvielai enerģija ir jāpievada no ārienes, citādi šis process nenotiks. Tā, piemēram, cietai kristāliskai vielai pievadot noteiktu siltuma daudzumu, paaugstinās tās temperatūra. Pēc tam kad sasniegta noteikta temperatūra - kušanas temperatūra, tā, turpinot pievadīt enerģiju, paliek nemainīga visā kušanas laikā. Labi zinām, ka normālā atmosfēras spiedienā ledus kūst un sacietē 0 °C temperatūrā.

Ķermenim sasilstot, palielinās vielas daļiņu vidējais kustības ātrums un, līdz ar to, arī svārstību frekvence un amplitūda ap daļiņu līdzsvara stāvokļiem. Rezultātā palielinās daļiņu vidējā kinētiskā enerģija. Parasti palielinās attālums starp kristālrežģi veidojošajām daļiņām. Kad ķermenis sasilis līdz kušanas temperatūrai, izjūk molekulu regulārais izvietojums kristālos – tālā kārtība (skatīt nodaļu ''Kristāliskas vielas'') - daļiņu mijiedarbība kļūst vājāka, pieaug daļiņu mijiedarbības potenciālā enerģija (tā kā daļiņu mijiedarbības potenciālo enerģiju vielā uzskatām par negatīvu, tās skaitliskā vērtība kļūst mazāka). Protams, ir atsevišķi izņēmumi, piemēram, ūdens – ledus kristālā attālumi starp daļiņām ir lielāki, kā šķidrā ūdenī.

Molekulas sāk kustēties haotiski. Ķermenis zaudē formu - kūst, pārvēršoties šķidrumā. Ja turpina pievadīt siltumu, ķermeņa temperatūra nepaaugstinās, kamēr visa viela nav izkususi. 

Tas nozīmē, ka visa pievadītā enerģija tiek patērēta daļiņu saišu ''saraušanai''. Tādēļ kušanas laikā nepalielinās daļiņu siltumkustības vidējā kinētiskā enerģija un, līdz ar to, nepieaug temperatūra. Tikai, kad viela pilnībā izkususi, temperatūra atkal sāk pieaugt (2. attēls 1). (Skatīt arī nodaļu ''Siltuma procesu grafiki'').

2.att. Kristālisku (1) un amorfu (2) vielu kušanas grafiki

Pieredze liecina, ka kristāliskas vielas kūst un sacietē vienā un tajā pašā temperatūrā. Dažādu vielu kušanas (sacietēšanas) temperatūras nosaka eksperimentāli un tās atrodamas tabulās. Kristālisku vielu kušanas un sacietēšanas procesu laikā līdzsvarā pastāv abi agregātstāvokļi (šķidrs un ciets) un vielu temperatūra nemainās.

Savukārt kristalizācijas procesā vielas daļiņas šķidrumā (parasti) tuvinās un to mijiedarbības potenciālā enerģija samazinās. Kristalizācija var notikt tikai tad, kad šķidrums šo «lieko» enerģiju atdod apkārtējiem ķermeņiem. Tas nozīme, ka, piemēram, 0 °C temperatūrā 1 kg ūdens iekšēja enerģija ir lielāka nekā 1 kg ledus iekšējā enerģija.

Īpatnējais kušanas siltums

Siltuma daudzumu \(Q\), kas nepieciešams, lai noteiktā temperatūrā vienu šķidruma masas m vienību izkausētu, sauc par īpatnējo kušanas siltumu (\(\lambda\)).

\(\lambda=\frac{Q}{m}\)

Īpatnējā kušanas siltuma \(SI\) vienība ir džouls uz kilogramu (\(\frac{J}{kg}\)).

Dažādu šķidrumu īpatnējo kušanas siltumu nosaka eksperimentāli un tas atrodams tabulās. Jāņem vērā, ka tas ir atkarīgs no vairākiem faktoriem, tādēļ tabulās \(\lambda\) vērtības parasti norāda vienas atmosfēras spiedienā.

Savukārt, šķidrumam sacietējot, līdzvērtīga enerģija (siltuma daudzums) izdalās. Siltuma daudzumu, ko izdala šķidruma masas vienība sacietēšanas procesā, sauc par īpatnējo kristalizācijas siltumu un tā skaitliskā vērtība ir vienāda ar īpatnējā kušanas siltuma skaitlisko vērtību, tādēļ tabulās to atsevišķi nenorāda. Īpatnējos siltumus nereti sauc par ''latentajiem'' vai ''slēptajiem'' siltumiem, tā uzsverot, ka, piemēram, sacietēšanas procesā siltumu no vielas iespējams iegūt – tas izdalās.

Ūdens pāreja šķidrumā un otrādi — šķidruma pārvēršanās par cietvielu — grandiozos apmēros norisinās dabā pavasarī un rudenī. Šā iemesla dēļ aukstā ziemā, kad aizsalst jūra vai Rīgas līcis, novērojama temperatūras paaugstināšanās – milzīgai ūdens masai sasalstot, izdalās ļoti liels siltuma daudzums. Savukārt pavasarī, kamēr ledus nav izkusis, ļoti silts laiks jūras tuvumā neiestājas.

Amorfām vielām nav noteiktas kušanas un sacietēšanas temperatūras – ir temperatūru apgabals, kurās tās pakāpeniski kļūst mīkstas, līdz kļūst šķidras (2. attēls 2) (skatīt nodaļu ''Amorfās vielas''). 

Sublimācija un desublimācija

Cietas vielas, piemēram, kampars, var izteikti smaržot. Tas nozīmē, ka gaisā atrodas šo vielu tvaiki. Tātad fāžu pāreja notikusi, apejot šķidro fāzi. Cietu vielu iztvaikošanu sauc par sublimāciju.

Spilgts piemērs ir sausais ledus — cieta ogļskābā gāze CO₂, ko izmanto zemas temperatūras uzturēšanai. Sausais ledus no cieta stāvokļa tieši pāriet gāzveida stāvoklī. Sublimējas arī ''parastais'' ledus — ziemas salā izžūst ārā izžauta veļa, pavasarī pazūd kupenas, neradot peļķes.

Notiek arī sublimācijai pretējā parādība — desublimācija, kad kristalizācija notiek tieši no tvaika (gāzveida fāzes), apejot šķidro fāzi. Ziemā uz logu stikliem veidojas leduspuķes — ledus kristāliņi, kas rodas no telpā esošā ūdens tvaika (3. attēls).

                     3.att. Leduspuķes uz loga rūts                       Avots: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Window-Frost.jpg

Desublimāciju plaši izmanto plānu kristāla kārtiņu iegūšanai, iztvaicējot vielas vakuuma. Šādas plānas kārtiņas izmanto mikroelektronikā. 

Siltumprocesu lietderības koeficients

Siltuma daudzumu (skatīt nodaļu ''Siltuma daudzums'') ķermeņi var saņemt gan notiekot siltuma apmaiņai noslēgtā sistēmā, kad vieni ķermeņi siltumu atdod, citi saņem, gan arī no sildītāja - parasti siltumam izdaloties eksotermiskās ķīmiskās reakcijās (kurināmajam sadegot) vai no elektriskajiem sildītājiem.

Ļoti bieži siltumenerģiju, ko pievadīt vielai, iegūst dažāda veida kurināmā – naftas, ogļu, malkas, dabasgāzes, arī citu kurināmā veidu sadegšanas rezultātā (skatīt nodaļu ''Kurināmā siltumspēja'').
Sadegot dažāda veida kurināmajam, izdalās atšķirīgs siltuma daudzums \(Q=qm\) , kur \(q\) – kurināmā siltumspēja

Enerģiju, kas radusies kurināmā sadegšanas procesā, pilnībā izmantot tikai viena ķermeņa sildīšanai nevar. Piemēram, sildot uz gāzes plīts katlu ar ūdeni, tikai daļa no siltuma daudzuma, kas izdalās, sadegot gāzei, tiek patērēta ūdens sasildīšanai, jo silst arī katls, plīts un apkārtējais gaiss. Lietderīgi tiek izmantota tikai daļa no siltuma daudzuma, kas izdalās, kurināmajam pilnīgi sadegot.

Arī izmantojot elektriskos sildītājus, visu tā izdalīto siltumenerģiju izmantot noteiktajam mērķim nav iespējams. Tāpat arī situācijās, kad notiek siltumapmaiņa starp atšķirīgas temperatūras ķermeņiem, daļa ''karstāko'' ķermeņu atdotā siltuma daudzuma var izkliedēties ārpus aplūkotās sistēmas ķermeņiem.

Skaitli, kas rāda, kāda daļa no sildītāja izdalītā siltuma daudzuma izmantota lietderīgi, sauc par sildītāja lietderības koeficientu \(\eta\) (lasa: eta).

\(\eta=\frac{Q_l}{Q_\mathrm{atd}}\)

Lietderības koeficientu nereti izsaka procentos: \(\eta=\frac{Q_l}{Q_\mathrm{atd}}\cdot100\)%

kur \(Q_l\) – lietderīgi izmantotais siltuma daudzums; \(Q_\mathrm{atd}\) – viss siltuma daudzums, kas izdalās, kurināmajam sadegot. 
Turklāt \(Q_l, tādēļ vienmēr \(\eta<1\) \((\eta<100\)%). 

Aplūkosim piemēru: 

Ledus pārvēršana tvaikā

Ledum, kura sākuma temperatūra – 20 °C ar pastāvīgu ātrumu tiek pievadīts kurināmajam (siltumspēja \(q\)) sadegot iegūtais siltums. Sildītāja lietderības koeficients ir \(\eta\) .

Ledus silst līdz tas sāk kust, izkūst, tad, kā šķidrs ūdens, sasilst līdz vārīšanās temperatūrai, vārās līdz pilnībā pārvēršas tvaikā un pēc tam tvaiks sasilst līdz 130 °C. Kopējais šajā procesā ūdens saņemtais siltuma daudzums ir \(Q_\mathrm{saņ}\)ir lietderīgi izmantotais siltuma daudzums (\(Q_l=Q_\mathrm{saņ}\)): 

Kā aprēķināt šo procesu norisei nepieciešamos siltuma daudzumus, skatīt nodaļas ''Īpatnējā siltumietilpība'', ''Kušana un sacietēšana'', ''Iztvaikošana un kondensācija''.

1.att. Ūdens silšanas un fāžu pāreju grafiks

Siltuma procesu grafiki

Ja ķermenis uzņem vai atdod siltumenerģiju, tad tā iekšējā enerģija palielinās vai samazinās.

Tā rezultātā ķermeņa temperatūra paaugstinās vai pazeminās, var notikt arī agregātstāvokļa maiņa.

Iekšējās enerģijas daudzumu, ko ķermenis iegūst vai zaudē siltumapmaiņas procesā, sauc par siltuma daudzumu (\(Q\)) (skatīt nodaļu ''Siltuma daudzums'', ''Īpatnējā siltumietilpība'', ''Kušana un sacietēšana'', ''Iztvaikošana un kondensācija'').

Ķermeņa temperatūrai mainoties - sasilstot saņemtais vai atdziestot atdotais - siltuma daudzums atkarīgs no ķermeņa masas, temperatūras izmaiņas un vielas (tās īpatnējās siltumietilpības). Siltuma daudzumu aprēķina pēc formulas:

\(Q=cm\Delta{t}\)

(\(c\) – vielas īpatnējā siltumietilpība)

Redzams, ka, ja ķermeņa masa nemainās, ķermeņa temperatūras izmaiņa ir tieši proporcionāla siltuma daudzumam. Ja ķermeņi veidoti no vienas vielas, ātrāk sasils tas, kura masa ir mazāka. Savukārt, no diviem vienādas masas ķermeņiem ātrāk sasils tas, kura īpatnējā siltumietilpība ir mazāka (1. attēls).

Šīs sakarības var ļoti uzskatāmi attēlot grafiski. 

Uz horizontālās ass, pieņemot, ka siltums ķermenim tiek pievadīts vienmērīgi,  nereti atliek nevis pievadīto siltuma daudzumu, bet gan laiku.

1.att.

Agregātstāvokļu maiņa siltumprocesu grafikos

Savukārt siltuma daudzumu, kas saņemts iztvaikojot (vāroties) vai atdots kondensējoties, aprēķina:

\(Q=L_\mathrm{m}\)

(\(L\) — īpatnējais iztvaikošanas siltums)

un siltuma daudzumu, kas saņemts kūstot vai atdots kristalizējoties aprēķina:

\(Q=\lambda{m}\)

(\(\lambda\) — īpatnējais kušanas siltums)

Šie procesi notiek nemainīgās vielai raksturīgās temperatūrās – kušanas un vārīšanās temperatūrā – un to laikā temperatūra nemainās. Tas nozīmē, grafikā, kurā parādīta ķermeņa temperatūras atkarība no pievadītā vai aizvadītā siltuma daudzuma, būs horizontāls posms. Lai pateiktu, tieši kāda agregātstāvokļa maiņa notiek, jāzina, kā mainījās temperatūra pirms un pēc tam (2. attēls a un b).

2.att.

2. attēlā b redzams, ka posmā AB grafiks ir stāvāks kā posmā CD – tas tādēļ, ka šķidram ūdenim īpatnējā siltumietilpība ir gandrīz divas reizes lielāka kā ledum (\(c_\mathrm{L}\) = 2200 \(J/(kg\cdot{K})\); \(c_\mathrm{Ū}\) = 4200 \(J/(kg\cdot{K})\)).

2. attēlā a posms BC attēlots ar pārtrauktu līniju – tas tādēļ, ka var nebūt ievērota posmu ‘’garumu’’ – atbilstošo laika intervālu attiecība – laika intervāliem, cik ilgi vielai mainās temperatūra vai agregātstāvoklis, būtu jābūt tieši proporcionāliem atbilstošiem siltuma daudzumiem. Tomēr nereti šos grafikus zīmē shematiski, tikai lai saprastu, kādi procesi notiek, un proporcijas neievēro.

Nodaļā ''Siltumprocesu lietderības koeficients'' parādītajā grafikā posmu slīpumam un garumam faktiski būtu jāizskatās tā, kā redzams 3. attēlā arī tad, ja uz horizontālās ass atlikts laiks, nevis pievadītais siltuma daudzums.

3.att. Ūdens temperatūras un agregātstāvokļu maiņa

Ievērojot grafika posmu garumus iespējams noteikt, piemēram, kāda daļa ūdens vāroties būs iztvaikojusi (4. attēls) 

Šajā gadījumā, ja ūdens vārās tikpat ilgi, cik ilgi ir silis, saņemtie siltuma daudzumi šajos procesos ir vienādi:

\(c_\mathrm{Ū}m_\mathrm{Ū}\)\(\Delta{t}=Lm_\mathrm{TV}\) un \(\frac{m_\mathrm{TV}}{m_\mathrm{Ū}}=\frac{c_\mathrm{Ū}\Delta{t}}{L}\)

4.att.

''Reālie'' siltumprocesu grafiki

Reālos apstākļos, ja ķermenim siltuma daudzumu pievada vienmērīgi, tā daļu siltuma daudzuma atdod apkārtējai videi. Turklāt, jo lielāka ir ķermeņa un apkārtējās vides temperatūru starpība, jo intensīvāk tas siltumu atdod.

To uzskatāmi parāda tipisks ķermeņa dzišanas grafiks (5. attēls a). Sakarību, kas temperatūras maiņu apraksta – Ņūtona atdzišanas likumu – vidusskolas fizikas kursā neaplūko.

Tādēļ reālā situācijā ķermenim dziestot, kristalizējoties un dziestot jau cietā stāvoklī temperatūras grafiks līdzinātos 5. attēlā b redzamajam. 

5.att. Dzišanas līknes

Pārdzesēti un pārkarsēti šķidrumi

Ja tiek sildīts vai dzesēts ļoti tīrs šķidrums, tad temperatūras atkarības grafiks var izskatīties citādāk, nekā redzams 2., 3. un 4. attēlā. Ja šķidrums ir atdzesēts līdz kristalizācijas temperatūrai, tad, lai sāktos sacietēšana, šķidrumā ir nepieciešami kristalizācijas centri, par kuriem parasti kalpo ''piejaukumi'', kas atrodami šķidrumā. Ja šķidrums ir ļoti tīrs, tad var novērot situāciju, ka temperatūra noslīd zem kristalizācijas temperatūras \(T_\mathrm{s}\), bet šķidrums vēl nesāk sacietēt (6. att. a). Pēc kāda brīža sacietēšana tomēr sākas un temperatūra paaugstinās līdz \(T_\mathrm{s}\). Līdzīgs efekts var notikt, ja tīru šķidrumu uzkarsē līdz vārīšanās temperatūrai \(T_\mathrm{V}\). Lai šķidrums sāktu vārīties, tajā ir nepieciešami vārīšanas centri, līdz ar to ļoti tīru ūdeni ir iespējams uzsildīt virs \(T_\mathrm{V}\) tā, kas tas vēl nesāk vārīties (6. att. b). Šādu šķidrumu sauc par pārkarsētu. Pārkarsētu šķidrumus izmanto tā saucamajās burbuļkamerās, ar kuru palīdzību novēro elektriski lādētu daļiņu trajektorijas.

6.att. Šķidruma pārdzesēšana (a) un pārkarsēšana (b)

Siltuma procesu grafikā mēdz iekļaut arī vielas uzbūves modeļus un stāvokļa aprakstu (7. attēls).

7.att. Vielas pārvērtības

Mehāniskās enerģijas pāreja siltumenerģijā

Saskaņā ar pirmo termodinamikas likumu \(Q=\Delta{U}+A\) (skatīt nodaļu ''Pirmais termodinamikas likums'', ja sistēma ir noslēgta un netiek veikts mehāniskais darbs, siltumapmaiņas procesā vienu (piemēram, sasilušo) ķermeņu iekšējā enerģija palielinās tieši par tik, par cik samazinās otru (piemēram, atdzisušo) ķermeņu iekšējā enerģija.

Tad: \(Q=\Delta{U}\)

Procesu, kurā notiek iekšējās enerģijas izmaiņa, nepastrādājot mehānisko darbu, sauc par siltumapmaiņu jeb siltuma pārnesi. Ir trīs siltuma pārneses veidi: siltumvadīšana, konvekcija un siltumstarojums (skatīt nodaļas ''Siltumvadīšana'' ''Konvekcija'' un ''Siltumstarojums''). 

Enerģiju, ko nosaka sistēmas daļiņu kustība un mijiedarbība, sauc par šīs sistēmas iekšējo enerģiju (\(U\)) (skatīt nodaļu ''Iekšējā enerģija''). Aplūkojot siltumparādības un procesus pieņem, ka iekšējā enerģija ir atkarīga tikai no vielas daļiņu - molekulu (atomu) termiskās kustības un to savstarpējās mijiedarbības, neaplūkojot, piemēram, atoma kodolus veidojošo daļiņu mijiedarbību.

Iekšējās enerģijas daudzumu, ko ķermenis iegūst vai zaudē siltumapmaiņas procesā, sauc par siltuma daudzumu (\(Q\)) (skatīt nodaļu ''Siltuma daudzums'').

Tomēr, kā liecina pirmais termodinamikas likums \(Q=\Delta{U}+A\) , savu ieguldījumu var dot arī dažādi mehāniskie procesi – var tikt veikts mehāniskais darbs. Darbu var veikt sistēma pati (piemēram – gāze izplešoties, tādā gadījumā darbu uzskata par pozitīvu), vai darbs var tikt padarīts, iedarbojoties uz sistēmu (piemēram, gāzi saspiežot – tādā gadījumā to uzskata par negatīvu).

Šajos procesos mehāniskā enerģija pārvēršas sistēmas iekšējā enerģijā vai otrādi un, ja sistēma nav termiski izolēta, iespējama arī siltumapmaiņa, saņemot vai atdodot kādu siltuma daudzumu.

Tad Pirmo termodinamikas likumu var uzrakstīt formā \(-A=\Delta{U}-Q\) : uz sistēmu iedarbojoties padarītais mehāniskais darbs vienāds ar tās iekšējās enerģijas izmaiņu kopā ar siltuma daudzumu, kas aizvadīts no sistēmas – mehāniskā enerģija ir pārvērtusies siltumenerģijā.

Procesi, kuros tas notiek, var būt visdažādākie. 

Piemēram, procesus, kas notiek ar gāzēm, aplūko termodinamikas nodaļās (''Gāzes darbs'' un ''Siltuma mašīnas'').

Kādus piemērus vēl var izmantot, lai novērotu mehāniskās enerģijas pārvēršanos siltumenerģijā?

Zināms, ka pat ar vislabāko eļļošanu un visrūpīgāko slīpēšanu, berzes dēļ virsmas sasilst. Jebkuru berzi pavada siltuma izdalīšanās. Senie cilvēki izmantoja berzi, lai radītu uguni. Arī mēs izmantojam berzi, kad aizdedzām sērkociņus. Virpu un citu mašīnu darbības laikā frēzes, urbji un griezēji uzkarst tā, ka tie ir jāatdzesē ar šķidruma strūklu. Tāpat zinām, ka, automašīnai bremzējot, sakarst riepas, ceļa segums utt. – siltumenerģijā pāriet berzes spēku darbs, kas, savukārt, vienāds ar automašīnas kinētiskās enerģijas izmaiņu horizontālā ceļa posmā. Pārvietojoties atmosfērā sakarst un sadeg nelieli meteorīti un ''kosmosa atkritumi''.

Klasisks pētījums par mehāniskās enerģijas pāreju siltumenerģijā ir

Džoula eksperiments

Džeimss Preskots Džouls (1818–1889) parādīja saikni starp mehānisko darbu un temperatūras izmaiņām. Faktiski šī atziņa palīdzēja saprast faktu, ka siltums ir enerģijas veids. 

Džouls veica virkni eksperimentu, lai noteiktu siltuma mehānisko ekvivalentu - darbu, kas nepieciešams, lai radītu tādu pašu ietekmi kā siltuma pārnese. 

Viņš parādīja, ka, veicot mehānisku darbu, temperatūra, eksperimenta kļūdu robežās, paaugstinās proporcionāli paveiktā darba apjomam. Daudzos viņa eksperimentos darbu veica krītošs atsvars. To izmantoja, lai piespiestu ūdeni plūst pa tievām caurulītēm vai maisītu ūdeni cilindrā, kā rezultātā katrā no šiem gadījumiem pieauga ūdens temperatūra. 

Rūpīgi mērot temperatūras paaugstināšanos, Džoulam izdevās formulēt ''siltuma mehānisko ekvivalentu'' jeb atrast to darba ''daudzumu'', ko jāveic, lai paaugstinātu ūdens temperatūru par noteiktu ''daudzumu''. 
1. attēlā parādīts viens no eksperimenta variantiem. 

1.att. Džoula eksperiments

Griežot rokturi, uztin auklu uz skriemeļa un atsvaru paceļ. Krītot, atsvars griež lāpstiņas un kuļ ūdeni, paaugstinot tā temperatūru. Daudzkārt atkārtojot šo procesu Džouls parādīja, ka noteiktam temperatūras pieaugumam ir nepieciešams noteikts darba apjoms, kas jāveic krītošajai masai. 

Šo un citu eksperimentu rezultātā zinātnieki sāka interpretēt siltumu ne vairs kā vielu, kas tiek pārnesta no viena ķermeņa uz otru (''flogistonu''). Siltumu saistīja ar enerģijas pārnesi: kad siltums plūst no karsta objekta uz vēsāku, tā ir enerģija, kas tiek pārnesta no karsta uz aukstu objektu. Tādējādi siltums ir enerģija, kas tiek pārnesta no viena objekta uz otru temperatūras starpības dēļ. 

Džouls bija ļoti uzmanīgs pret visu, kas varētu novērtējumu ietekmēt, viņš pat mēģināja ņemt vērā enerģiju, kas tika zaudēta skaņas dēļ, kas radās, atsvaram atsitoties pret zemi. Tas bija vajadzīgs, jo temperatūras paaugstināšanās bija ārkārtīgi maza pat lielas masa atsvaram. Viņš izmantoja aptuveni 300 kg masas atsvaru, taču ar to pietika tikai, lai, krītot viena metra augstuma, temperatūras pieaugums puskilogramam ūdens būtu ap pusotru grādu Celsija. 

Definējot kaloriju (\(cal\)) kā siltuma daudzumu, kas vajadzīgs, lai vienu gramu ūdens sasildītu par vienu Celsija grādu, tika parādīts, ja kalorijas ''mehāniskais ekvivalents'' – darbs, kas nepieciešams, lai paveiktu to pašu – ir 4,180 \(J\). Domu, ka šī vērtība gluži vienkārši ir ūdens īpatnējā siltumietilpība, līdz galam noformulēja tikai 20. gs divdesmitajos gados.

Vari pamēģināt, vai izdodas uzsildīt ūdeni, kuļot to ar mikseri vai blenderi.

Iepazīsti Džoula eksperimentu darbībā, izmantojot simulāciju.