Розрахунок кількості теплоти при теплопередачі, питома теплоємність речовини.

Відкрити меню

ТЕПЛООБМІН.

1.Теплообмін.Теплообмін або теплопередача

– це процес передачі внутрішньої енергії одного тіла іншому без виконання роботи.

1) Існують три види теплообміну.Теплопровідність

2) - Це теплообмін між тілами при їх безпосередньому контакті.Конвекція

3) – це теплообмін, у якому перенесення тепла здійснюється потоками газу чи рідини.Випромінювання

- Це теплообмін за допомогою електромагнітного випромінювання.

2.Кількість теплоти. Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою.

Q

Одиниця виміру кількості теплоти = 1 Дж.

Кількість теплоти, отримане тілом від іншого тіла в результаті теплообміну, може витрачатися на збільшення температури (збільшення кінетичної енергії молекул) або зміна агрегатного стану (збільшення потенційної енергії).

3.Питома теплоємність речовини.

Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою = Досвід показує, що кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла масою m від температури Т 1 до температури Т 2 пропорційно масі тіла m і різниці температур (Т 2 – Т 1), тобто.cm 2 (Т 1 - Т) = сΔ m

Т,з

називається питомою теплоємністю речовини тіла, що нагрівається.

Питома теплоємність речовини дорівнює кількості теплоту, яку необхідно повідомити 1 кг речовини, щоб нагріти її на 1 К.

Одиниця виміру питомої теплоємності =.

Значення теплоємності різних речовин можна знайти у фізичних таблицях.

4.Така сама кількість теплоти Q виділятиметься при охолодженні тіла на ΔТ.Питома теплота

пароутворення.

Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою = Досвід показує, що кількість теплоти, необхідне перетворення рідини на пару, пропорційно масі рідини, тобто.,

Lm де коефіцієнт пропорційності L

називається питомою теплотою пароутворення.

Питома теплота пароутворення дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для перетворення на пару 1 кг рідини, що знаходиться при температурі кипіння.

Одиниця виміру питомої теплоти пароутворення.

При зворотному процесі конденсації пари теплота виділяється в тій же кількості, яка витрачена на пароутворення.

Досвід показує, що кількість теплоти, необхідне перетворення твердого тіла на рідину, пропорційно масі тіла, тобто.

Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою = λ ) = с,

де коефіцієнт пропорційності називається питомою теплотою плавлення.

Питома теплота плавлення дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для перетворення на рідину твердого тіла масою 1 кг при температурі плавлення.

Одиниця виміру питомої теплоти плавлення.

При зворотному процесі кристалізації рідини теплота виділяється в тій же кількості, яка витрачена на плавлення.

6.Питома теплота згоряння.

Досвід показує, що кількість теплоти, що виділяється за повного згоряння палива, пропорційно масі палива, тобто.

Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою = q) = с,

Де коефіцієнт пропорційності q називається питомою теплотою згоряння.

Питома теплота згоряння дорівнює кількості теплоти, що виділяється за повного згоряння 1 кг палива.

Одиниця виміру питомої теплоти згоряння.

7.Рівняння теплового балансу.

У теплообміні беруть участь два або більше тіла. Одні тіла віддають теплоту, інші приймають. Теплообмін відбувається до тих пір, поки температури тіл не стануть рівними. За законом збереження енергії, кількість теплоти, що віддається, дорівнює кількості, що приймається. На цій підставі записується рівняння теплового балансу.

Розглянемо приклад.

Тіло масою m 1 , теплоємність якого з 1 має температуру Т 1 , а тіло масою m 2 , теплоємність якого з 2 , має температуру Т 2 . Причому Т 1 більше за Т 2 . Ці тіла наведені у зіткнення. Досвід показує, що холодне тіло (m2) починає нагріватися, а гаряче тіло (m1) – охолоджуватися. Це говорить про те, що частина внутрішньої енергії гарячого тіла передається холодному і температури вирівнюються. Позначимо кінцеву загальну температуру θ.

Кількість теплоти, переданої гарячим тілом холодному

Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою переданий. = c 1 ) = с 1 cm 1 – θ )

Кількість теплоти, одержаної холодним тілом від гарячого

Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою отримано. = c 2 ) = с 2 (θ – Т 2 )

За законом збереження енергії Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою переданий. = Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою отримано., тобто.

c 1 ) = с 1 cm 1 – θ )= c 2 ) = с 2 (θ – Т 2 )

Розкриємо дужки і виразимо значення загальної температури θ, що встановилася.

Значення температури θ даному випадкуотримаємо у кельвінах.

Однак, оскільки у виразах для Q передано.

і Q отримано. коштує різницю двох температур, а вона і в кельвінах, і в градусах Цельсія однакова, то розрахунок можна вести і градусах Цельсія. Тоді

Вирівнювання температур у результаті теплопровідності можна пояснити на підставі молекулярно-кінетичної теорії як обмін кінетичною енергією між молекулами під час зіштовхування в процесі теплового хаотичного руху.

Цей приклад можна проілюструвати графіком.

План-конспект

відкритого урокуфізики у 8 «Е» класі

МОУ гімназії №77 р. о. Тольятті

вчителі фізики

Іванової Марії Костянтинівни

Тема урока:

Розв'язання задач на розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла або виділеного ним при охолодженні.

Дата проведення:

Мета уроку:

відпрацювати практичні навички розрахунку кількості теплоти, необхідної для нагрівання та виділеного при охолодженні;

розвивати навички рахунку, удосконалювати логічні вміння під час аналізу сюжету завдань, розв'язання якісних та розрахункових завдань;

виховувати вміння працювати в парах, поважати думку опонента та відстоювати свою точку зору, дотримуватися акуратності при оформленні завдань з фізики.

Обладнання уроку:

комп'ютер, проектор, презентація на тему (Додаток №1), матеріали єдиної колекції цифрових освітніх ресурсів.

Тип уроку:

вирішення задач.

«Посуньте палець у полум'я від сірника, і ви відчуєте відчуття, рівного якому немає ні на небі, ні на землі; проте все, що сталося, є просто наслідок зіткнень молекул».

Дж. Вілер

Хід уроку:

Організаційний момент

Привітання учнів.

Перевірка учнів, що відсутні.

Повідомлення теми та цілей уроку.

Перевірка домашнього завдання.

1.Фронтальне опитування

Що називається питомою теплоємністю речовини? (Слайд №1)

Що є одиницею питомої теплоємності речовини?

Чому водоймища замерзають повільно? Чому з річок і особливо озер довго не сходить лід, хоча давно тепла погода?

Чому на Чорноморське узбережжяКавказу навіть узимку досить тепло?

Чому багато металів остигають значно швидше води? (Слайд №2)

2. Індивідуальне опитування (картки з різнорівневими завданнями для кількох учнів)

Вивчення нової теми

1. Повторення поняття кількості теплоти.

Кількість теплоти- кількісний захід зміни внутрішньої енергії при теплообміні.

Кількість теплоти, що поглинається тілом, прийнято вважати позитивним, а виділяється негативним. Вираз «тіло має деяку кількість теплоти» або «в тілі міститься (запасено) якусь кількість теплоти» не має сенсу. Кількість теплоти можна отримати або віддати в якомусь процесі, але володіти ним не можна.

При теплообміні на кордоні між тілами відбувається взаємодія повільно рухомих молекул холодного тіла з молекулами гарячого тіла, що швидко рухаються. В результаті кінетичні енергії молекул вирівнюються та швидкості молекул холодного тіла збільшуються, а гарячого зменшуються.

При теплообміні немає перетворення енергії з однієї форми на іншу, частина внутрішньої енергії гарячого тіла передається холодному тілу.

2. Формула кількості теплоти.

Виведемо робочу формулу, щоб вирішувати завдання щодо розрахунку кількості теплоти: Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою = Досвід показує, що кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла масою m від температури Т 1 до температури Т 2 пропорційно масі тіла m і різниці температур (Т 2 – Т 1), тобто. ( t 2 - t 1 ) - запис на дошці та у зошитах.

З'ясовуємо, що кількість теплоти, віддана або отримана тілом, залежить від початкової температури тіла, його маси та від його питомої теплоємності.

Насправді часто користуються тепловими розрахунками. Наприклад, при будівництві будівель необхідно враховувати, скільки теплоти повинна віддавати будівлі вся система опалення. Слід також знати, скільки теплоти йтиме у навколишній простір через вікна, стіни, двері.

3 . Залежність кількості теплоти від різних величин . (Слайди №3, №4, №5, №6)

4 . Питома теплоємність (Слайд №7)

5. Одиниці вимірювання кількості теплоти (Слайд №8)

6. Приклад розв'язання задачі на розрахунок кількості теплоти (Слайд №10)

7. Розв'язання задач на розрахунок кількості теплоти на дошці та у зошитах

З'ясовуємо також, що якщо між тілами відбувається теплообмін, то внутрішня енергія всіх тіл, що нагріваються, збільшується на стільки, на скільки зменшується внутрішня енергія остигаючих тіл. Для цього використовуємо приклад вирішеної задачі § 9 підручника.

Динамічна пауза.

IV. Закріплення дослідженого матеріалу.

1. Запитання для самоконтролю (Слайд №9)

2. Вирішення якісних завдань:

Чому в пустелях удень спекотно, а вночі температура падає нижче за 0°С? (Пісок має малу питому теплоємність, тому швидко нагрівається і охолоджується.)

По шматку свинцю і шматку стали, тієї ж маси вдарили молотком однакову кількість разів. Який шматок нагрівся більше? Чому? (Шматок свинцю нагрівся більше, т.к. питома теплоємністьсвинцю менше.)

Чому залізні печіШвидше нагрівають кімнату, ніж цегляні, але не так довго залишаються теплими? (Питома теплоємність міді менша, ніж у цегли.)

Мідній та сталевій гиркам однакової маси передали рівні кількості теплоти. У якої гирки температура сильніше зміниться? (У мідної, т.к. питома теплоємність міді менше.)

На що витрачається більше енергії: на нагрівання води чи нагрівання алюмінієвої каструліякщо їх маси однакові? (На нагрівання води, тому що питома теплоємність води велика.)

Як відомо, залізо має більшу питому теплоємність, ніж мідь. Отже, жало пальника, виготовлене із заліза, мало б більший запас внутрішньої енергії, ніж таке ж жало з міді, при рівності їх мас і температур. Чому, незважаючи на це, жало паяльника роблять із міді? (Мідь має велику теплопровідність.)

Відомо, що теплопровідність металу значно більша за теплопровідність скла. Чому ж тоді калориметри роблять із металу, а не зі скла? (Метал має велику теплопровідність і малу питому теплоємність, завдяки цьому температура всередині калориметра швидко вирівнюється, а на нагрівання його витрачається мало тепла. Крім того, випромінювання металу значно менше випромінювання скла, що зменшує втрати тепла.

Відомо, що пухкий сніг добре оберігає ґрунт від промерзання, тому що в ньому міститься багато повітря, яке є поганим провідником тепла. Але ж і до ґрунту, не вкритого снігом, прилягають шари повітря. Чому ж у такому разі вона сильно не промерзає? (Повітря, стикаючись з непокритим снігом ґрунтом, весь час перебуває в русі, перемішується. Це повітря, що рухається, віднімає від землі тепло і посилює випаровування з неї вологи. Повітря ж, що знаходиться між частинками снігу, малорухливе і, як поганий провідник тепла, оберігає землю від промерзання.)

3. Розв'язання розрахункових завдань

Перші два завдання вирішуються високомотивованими учнями біля дошки колективним обговоренням. Знаходимо правильні підходи у міркуваннях та оформленні вирішення завдань.

Завдання №1.

При нагріванні шматка міді від 20 ° С до 170 ° С було витрачено 140000 Дж тепла. Визначити масу міді.

Завдання №2

Чому дорівнює питома теплоємність рідини, якщо для нагрівання 2 л її на 20°С знадобилося 150000 Дж. Щільність рідини 1,5 г/см³

Відповіді такі завдання учні знаходять у парах:

Завдання №3.

Дві мідні кулі масами m oта 4m oнагрівають так, що обидві кулі отримують однакову кількість теплоти. При цьому велика куля нагрілася на 5°C. Наскільки нагрілася куля меншої маси?

Завдання №4.

Яка кількість теплоти виділяється при охолодженні 4 м³ льоду від 10°C до – 40°C?

Завдання №5.

В якому випадку потрібно для нагрівання двох речовин більшу кількість теплоти, якщо нагрівання двох речовин дорівнює ∆ t 1 = ∆t 2 Перша речовина - цегла маси 2 кг і с =880Дж/кг ∙ °C, і латунь - маса 2 кг і с = 400 Дж/кг ∙ °C

Завдання №6.

Сталевий брусок маси 4 кг нагріли. При цьому було витрачено 200 000 Дж тепла. Визначте кінцеву температуру тіла, якщо початкова температура дорівнює t 0 = 10°C

При самостійне рішенняЗавдання в учнів, це природно, виникають питання. Часті питання розбираємо колективно. На ті питання, які мають приватний характер, даються індивідуальні відповіді.

Рефлексія. Виставлення відміток.

Вчитель: Отже, хлопці, чого ви сьогодні навчилися на уроці і що впізнали нового?

Зразкові відповіді учнів :

Відпрацювали навички розв'язання якісних і розрахункових завдань на тему «Розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла та виділення при охолодженні».

Переконалися практично у тому, як перегукуються і пов'язані такі предмети як фізика і математика.

Завдання додому:

Розв'язати задачі № 1024, 1025 зі збірки завдань В.І. Лукашика, Є. В. Іванової.

Самостійно придумати завдання на розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла або виділеного ним при охолодженні.

У фокусі уваги нашої статті – кількість теплоти. Ми розглянемо поняття внутрішньої енергії, яка трансформується за зміни цієї величини. А також покажемо деякі приклади застосування розрахунків у людській діяльності.

Теплота

З будь-яким словом рідної мовикожна людина має свої асоціації. Вони визначаються особистим досвідомта ірраціональними почуттями. Що зазвичай здається при слові «теплота»? М'яка ковдра, працююча батарея центрального опаленнявзимку, перший сонячне світлонавесні, кіт. Або погляд матері, втішне слово друга, вчасно виявлену увагу.

Фізики мають на увазі під цим конкретний термін. І дуже важливий, особливо в деяких розділах цієї складної, але цікавої науки.

Термодинаміка

Розглядати кількість теплоти у відриві від найпростіших процесів, на які спирається закон збереження енергії, не варто нічого не буде зрозуміло. Тому спершу нагадаємо їх читачам.

Термодинаміка розглядає будь-яку річ чи об'єкт як поєднання дуже великої кількості елементарних елементів - атомів, іонів, молекул. Її рівняння описують будь-яку зміну колективного стану системи як цілого і частини цілого при зміні макропараметрів. Під останніми розуміються температура (позначається як Т), тиск (Р), концентрація компонентів (зазвичай, З).

Внутрішня енергія

Внутрішня енергія - досить складний термін, у сенсі якого варто розібратися, перш ніж говорити про кількість теплоти. Він позначає ту енергію, яка змінюється зі збільшенням чи зменшенні значення макропараметрів об'єкта і залежить від системи отсчета. Є частиною загальної енергії. Збігається з нею в умовах, коли центр мас досліджуваної речі спочиває (тобто відсутня кінетична складова).

Коли людина відчуває, що деякий об'єкт (скажімо, велосипед) нагрівся або охолонуло, це показує, що всі молекули та атоми, що становлять цю систему, зазнали зміни внутрішньої енергії. Проте незмінність температури значить збереження цього показника.

Робота та теплота

Внутрішня енергія будь-якої термодинамічної системи може перетворитися двома способами:

• за допомогою здійснення над нею роботи;
• при теплообміні з довкіллям.

Формула цього процесу виглядає так:

dU=Q-А, де U – внутрішня енергія, Q – теплота, А – робота.

Нехай читач не спокушається простотою висловлювання. Перестановка показує, що Q=dU+А, проте введення ентропії (S) наводить формулу виду dQ=dSxT.

Так як в даному випадку рівняння набуває вигляду диференціального, то і перше вираз вимагає того ж. Далі, залежно від сил, що діють в об'єкті, що досліджується, і параметра, який обчислюється, виводиться необхідне співвідношення.

Візьмемо як приклад термодинамічної системи металеву кульку. Якщо на нього натиснути, підкинути вгору, впустити в глибокий колодязь, це означає здійснити над ним роботу. Суто зовні всі ці нешкідливі дії кульки ніякої шкоди не завдадуть, але внутрішня енергія її зміниться, хоч і дуже ненабагато.

Другий спосіб – це теплообмін. Тепер підходимо до головної мети цієї статті: опис того, що така кількість теплоти. Це така зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи, яка відбувається при теплообміні (див. формулу вище). Воно вимірюється у джоулях чи калоріях. Очевидно, що якщо кульку потримати над запальничкою, на сонці, або просто в теплій руці, то він нагріється. А далі можна змінити температуру знайти кількість теплоти, яку йому було при цьому повідомлено.

Чому газ – найкращий приклад зміни внутрішньої енергії, і чому через це школярі не люблять фізику

Вище ми описували зміни термодинамічних параметрів металевої кульки. Вони без спеціальних приладівне дуже помітні, і читачеві залишається повірити на слово про процеси, що відбуваються з об'єктом. Інша річ, якщо система – газ. Натисніть на нього – це буде видно, нагрійте – підніметься тиск, опустіть під землю – і це можна легко зафіксувати. Тому в підручниках найчастіше як наочна термодинамічна система беруть саме газ.

Але, на жаль, в сучасній освіті реальним дослідамприділяється не так багато уваги. Вчений, який пише методичний посібник, чудово розуміє, про що йдеться. Йому здається, що на прикладі молекул газу всі термодинамічні параметри будуть належним чином продемонстровані. Але учневі, який тільки відкриває собі цей світ, нудно слухати про ідеальну колбу з теоретичним поршнем. Якби в школі існували справжні дослідні лабораторії і на роботу в них виділялися годинники, все було б інакше. Поки що, на жаль, досліди лише на папері. І, швидше за все, саме це стає причиною того, що люди вважають цей розділ фізики чимось теоретичним, далеким від життя і непотрібним.

Тому ми вирішили як приклад навести вже згадуваний вище велосипед. Людина тисне на педалі – здійснює над ними роботу. Крім повідомлення всьому механізму моменту, що крутить (завдяки якому велосипед і переміщається в просторі), змінюється внутрішня енергія матеріалів, з яких зроблені важелі. Велосипедист натискає на ручки, щоб повернути - і знову здійснює роботу.

Внутрішня енергія зовнішнього покриття(пластику або металу) збільшується. Людина виїжджає на галявину під яскраве сонце – велосипед нагрівається, змінюється його кількість теплоти. Зупиняється відпочити в тіні старого дуба і система охолоджується, втрачаючи калорії або джоулі. Збільшує швидкість – зростає обмін енергією. Однак розрахунок кількості теплоти у всіх цих випадках покаже дуже маленьку непомітну величину. Тому і здається, що проявів термодинамічної фізики в реального життяні.

Застосування розрахунків щодо зміни кількості теплоти

Ймовірно, читач скаже, що все це дуже пізнавально, але навіщо нас так мучать у школі цими формулами. А зараз ми наведемо приклади, в яких сферах людської діяльності вони потрібні безпосередньо і як це стосується будь-кого в його повсякденності.

Для початку подивіться навколо себе та порахуйте: скільки предметів із металу вас оточують? Напевно, більше десяти. Але перш ніж стати скріпкою, вагоном, кільцем чи флешкою, будь-який метал проходить виплавку. Кожен комбінат, на якому переробляють, скажімо, залізну руду, повинен розуміти, скільки потрібно палива, щоб оптимізувати витрати. А розраховуючи це, необхідно знати теплоємність металовмісної сировини та кількість теплоти, яку йому необхідно повідомити, щоб відбулися всі технологічні процеси. Оскільки енергія, що виділяється одиницею палива, розраховується в джоулях або калоріях, то формули потрібні безпосередньо.

Або інший приклад: у більшості супермаркетів є відділ із замороженими товарами – рибою, м'ясом, фруктами. Там, де сировина з м'яса тварин чи морепродуктів перетворюється на напівфабрикат, повинні знати, скільки електрики вживуть холодильні та морозильні установки на тонну чи одиницю готового продукту. Для цього слід розрахувати, скільки теплоти втрачає кілограм полуниці або кальмарів при охолодженні на один градус Цельсія. А в результаті це покаже, скільки електрики витратить морозильник певної потужності.

Літаки, пароплави, поїзди

Вище ми показали приклади щодо нерухомих, статичних предметів, яким повідомляють або які, навпаки, забирають певну кількість теплоти. Для об'єктів, що в процесі роботи рухаються в умовах постійної температури, розрахунки кількості теплоти важливі з іншої причини.

Є таке поняття, як "втома металу". Включає воно в себе також і гранично допустимі навантаженняза певної швидкості зміни температури. Уявіть, літак злітає з вологих тропіків до заморожених верхніх шарів атмосфери. Інженерам доводиться багато працювати, щоб він не розвалився через тріщини в металі, які з'являються при перепаді температури. Вони шукають такий склад сплаву, який може витримати реальні навантаження і матиме великий запас міцності. А щоб не шукати наосліп, сподіваючись випадково натрапити на потрібну композицію, доводиться робити багато розрахунків, у тому числі й тих, що включають зміни кількості теплоти.

Насправді часто користуються тепловими розрахунками. Наприклад, при будівництві будівель необхідно враховувати, скільки теплоти повинна віддавати будівлі вся система опалення. Слід також знати, скільки теплоти йтиме у навколишній простір через вікна, стіни, двері.

Покажемо на прикладах, як слід вести найпростіші розрахунки.

Отже, необхідно дізнатися, скільки теплоти отримала при нагріванні мідна деталь. Її маса 2 кг, а температура збільшувалася від 20 до 280 °С. Спочатку таблиці 1 визначимо питому теплоємність міді з м = 400 Дж / кг °С). Це означає, що на нагрівання деталі з міді масою 1 кг на 1 ° С потрібно 400 Дж. Для нагрівання мідної деталі масою 2 кг на 1 ° С необхідно в 2 рази більше теплоти - 800 Дж. °С, але в 260 °З, отже, знадобиться у 260 разів більше теплоти, т. е. 800 Дж 260 = 208 000 Дж.

Якщо позначити масу m, різницю між кінцевою (t 2) та початковою (t 1) температурами - t 2 - t 1 отримаємо формулу для розрахунку кількості теплоти:

Q = cm(t 2 - t 1).

Приклад 1. У залізний казан масою 5 кг налита вода масою 10 кг. Яку кількість теплоти потрібно передати котлу з водою для зміни температури від 10 до 100 °С?

При розв'язанні задачі потрібно врахувати, що обидва тіла - і казан, і вода - нагріватимуться разом. Між ними відбувається теплообмін. Їхні температури можна вважати однаковими, тобто температура котла та води змінюється на 100 °С - 10 °С = 90 °С. Але кількості теплоти, отримані котлом та водою, не будуть однаковими. Адже їх маси та питомі теплоємності різні.

Нагрівання води в казанку

Приклад 2. Змішали воду масою 0,8 кг, що має температуру 25 °З, і воду при температурі 100 °З масою 0,2 кг. Температуру отриманої суміші виміряли, і вона дорівнювала 40 °С. Обчисліть, скільки теплоти віддала гаряча вода під час остигання і отримала холодна водапід час нагрівання. Порівняйте ці кількості теплоти.

Запишемо умову завдання і розв'яжемо її.

Ми бачимо, що кількість теплоти віддана гарячою водою, та кількість теплоти, отримана холодною водою,Рівні між собою. Це не випадковий результат. Досвід показує, що якщо між тілами відбувається теплообмін, то внутрішня енергія всіх тіл, що нагріваються, збільшується на стільки, на скільки зменшується внутрішня енергія остигаючих тіл.

При проведенні дослідів зазвичай виходить, що віддана гарячою водою енергія більша за енергію, отриману холодною водою. Це пояснюється тим, що частина енергії передається навколишньому повітрю, а частина енергії - судини, в якій змішували воду. Рівність відданої та отриманої енергій буде тим точнішою, ніж менше втратенергії допускається у досвіді. Якщо підрахувати та врахувати ці втрати, то рівність буде точною.

Запитання

1. Що потрібно знати, щоб обчислити кількість теплоти, одержану тілом при нагріванні?
2. Поясніть на прикладі, як розраховують кількість теплоти, повідомлену тілу при його нагріванні або що виділяється при його охолодженні.
3. Напишіть формулу для розрахунку кількості теплоти.
4. Який висновок можна зробити з досвіду змішування холодною і гарячої води? Чому на практиці ці енергії не дорівнюють?

Вправа 8

1. Яка кількість теплоти потрібна для нагрівання води масою 0,1 кг на 1 °С?
2. Розрахуйте кількість теплоти, необхідну для нагрівання: а) чавунної праски масою 1,5 кг для зміни її температури на 200 °С; б) алюмінієвої ложки масою 50 г від 20 до 90 ° С; в) цегляного камінамасою 2 т від 10 до 40 °С.
3. Яка кількість теплоти виділилася при охолодженні води, об'єм якої 20 л, якщо температура змінилася від 100 до 50 °С?

Теплоємність- Це кількість теплоти, що поглинається тілом при нагріванні на 1 градус.

Теплоємність тіла позначається великою латинською літерою З.

Від чого залежить теплоємність тіла? Насамперед, від його маси. Зрозуміло, що для нагрівання, наприклад, 1 кілограм води потрібно більше тепла, ніж для нагрівання 200 грамів.

А з роду речовини? Зробимо досвід. Візьмемо дві однакові судини і, наливши в одну з них воду масою 400 г, а в іншій - рослинна оліямасою 400 г, почнемо їх нагрівати за допомогою однакових пальників. Спостерігаючи за показаннями термометрів, ми побачимо, що олія нагрівається швидке. Щоб нагріти воду та олію до однієї і тієї ж температури, воду слід нагрівати довше. Але чим довше ми нагріваємо воду, тим більше теплоти вона отримує від пальника.

Таким чином, для нагрівання однієї і тієї ж маси різних речовиндо однакової температури потрібна різна кількість теплоти. Кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла і, отже, його теплоємність залежить від роду речовини, з якого складається це тіло.

Так, наприклад, щоб збільшити на 1°С температуру води масою 1 кг, потрібна кількість теплоти, що дорівнює 4200 Дж, а для нагрівання на 1°С такої ж маси соняшникової оліїнеобхідно кількість теплоти, що дорівнює 1700 Дж.

Фізична величина, що показує, скільки теплоти потрібно для нагрівання 1 кг речовини на 1 ºС, називається питомою теплоємністюцієї речовини.

У кожної речовини своя питома теплоємність, яка позначається латинською літерою с і вимірюється в джоулях на кілограм-градус (Дж/(кг · ° С)).

Питома теплоємність однієї й тієї ж речовини в різних агрегатних станах (твердому, рідкому та газоподібному) різна. Наприклад, питома теплоємність води дорівнює 4200 Дж/(кг · ºС), а питома теплоємність льоду 2100 Дж/(кг · °С); алюміній у твердому стані має питому теплоємність, що дорівнює 920 Дж/(кг - °С), а в рідкому - 1080 Дж/(кг - °С).

Зауважимо, що вода має дуже велику питому теплоємність. Тому вода в морях та океанах, нагріваючись влітку, поглинає з повітря велика кількістьтепла. Завдяки цьому в тих місцях, які розташовані поблизу великих водойм, літо не буває таким спекотним, як у місцях віддалених від води.

Розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла або виділеного ним при охолодженні.

З вищевикладеного ясно, що кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла, залежить від роду речовини, з якого складається тіло (тобто його питомої теплоємності), і зажадав від маси тіла. Зрозуміло також, що кількість теплоти залежить від того, скільки градусів ми збираємося збільшити температуру тіла.

Отже, щоб визначити кількість теплоти, необхідну для нагрівання тіла або виділене ним при охолодженні, потрібно питому теплоємність тіла помножити на його масу і на різницю між кінцевою і початковою температурами:

Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою= Досвід показує, що кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла масою m від температури Т 1 до температури Т 2 пропорційно масі тіла m і різниці температур (Т 2 – Т 1), тобто. (t 2 -t 1),

де Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою- кількість теплоти, c- питома теплоємність, ) = с- маса тіла, t 1- Початкова температура, t 2- Кінцева температура.

При нагріванні тіла t 2> t 1і, отже, Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквою >0 . При охолодженні тіла t 2і< t 1і, отже, Q< 0 .

Якщо відома теплоємність всього тіла З, Кількість теплоти – це міра зміни внутрішньої енергії тіла під час теплообміну. Позначається буквоювизначається за формулою: Q = C (t 2 - t 1).

22) Плавання: визначення, розрахунок кількості теплоти на плавлення чи затвердіння, питома теплота плавлення, графік залежності t 0 (Q).

Термодинаміка

Розділ молекулярної фізики, що вивчає передачу енергії, закономірності перетворення одних видів енергії на інші. На відміну від молекулярно-кінетичної теорії, у термодинаміці не враховується внутрішня будоваречовин та мікропараметри.

Термодинамічна система

Це сукупність тіл, які обмінюються енергією (у формі роботи або теплоти) один з одним або навколишнім середовищем. Наприклад, вода в чайнику остигає, відбувається обмін теплотою води з чайником та чайника з навколишнім середовищем. Циліндр з газом під поршнем: поршень виконує роботу, внаслідок чого газ отримує енергію, і змінюються його макропараметри.

Кількість теплоти

Це енергія, що отримує або віддає система в процесі теплообміну. Позначається символом Q, вимірюється, як і будь-яка енергія, в Джоулях.

В результаті різних процесівтеплообміну енергія, що передається, визначається по-своєму.

Нагрівання та охолодження

Цей процес характеризується зміною температури системи. Кількість теплоти визначається за формулою

Питома теплоємність речовини звимірюється кількістю теплоти, яка необхідна для нагрівання одиниці масицієї речовини на 1К. Для нагрівання 1 кг скла або 1 кг води потрібна різна кількість енергії. Питома теплоємність - відома, вже обчислена всім речовин величина, значення дивитися у фізичних таблицях.

Теплоємність речовини С- це кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла без урахування його маси на 1К.

Плавлення та кристалізація

Плавлення - перехід речовини з твердого стану рідке. Зворотний перехід називається кристалізацією.

Енергія, що витрачається на руйнування кристалічних ґратречовини, що визначається за формулою

Питома теплота плавлення відома кожної речовини величина, значення дивитися у фізичних таблицях.

Пароутворення (випар або кипіння) та конденсація

Пароутворення - це перехід речовини з рідкого (твердого) стану до газоподібного. Зворотний процесназивається конденсацією.

Питома теплота пароутворення відома кожної речовини величина, значення дивитися у фізичних таблицях.

Горіння

Кількість теплоти, що виділяється при згорянні речовини

Питома теплота згоряння відома кожної речовини величина, значення дивитися у фізичних таблицях.

Для замкнутої та адіабатично ізольованої системи тіл виконується рівняння теплового балансу. Алгебраїчна сума кількостей теплоти, відданих та отриманих усіма тілами, що беруть участь у теплообміні, дорівнює нулю:

Q 1 +Q 2 +...+Q n =0

23) Будова рідин. Поверхневий шар. Сила поверхневого натягу: приклади прояву, розрахунок, коефіцієнт поверхневого натягу.

Іноді кожна молекула може переміститися в сусіднє вакантне місце. Такі перескоки у рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрів, як у кристалах, і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Через сильну взаємодію між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) упорядковані групи, що містять декілька молекул. Це явище називається ближнім порядком(Рис. 3.5.1).

Коефіцієнт β називають температурним коефіцієнтомоб'ємного розширення . Цей коефіцієнт у рідин у десятки разів більший, ніж у твердих тіл. У води, наприклад, при температурі 20 °С ? - 1 .

Теплове розширення води має цікаву та важливу для життя на Землі аномалію. За температури нижче 4 °С вода розширюється при зниженні температури (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

При замерзанні вода розширюється, тому лід залишається плавати на поверхні замерзаючої водойми. Температура води, що замерзає, під льодом дорівнює 0 °С. У більш щільних шарах води біля дна водоймища температура виявляється близько 4 °С. Завдяки цьому життя може існувати у воді водойм, що замерзають.

Найбільш цікавою особливістюрідин є наявність вільної поверхні . Рідина, на відміну від газів, не заповнює весь обсяг посудини, в яку вона налита. Між рідиною і газом (або парою) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовах у порівнянні з рештою маси рідини. . Якщо молекула переміститься із поверхні всередину рідини, сили міжмолекулярної взаємодії зроблять позитивну роботу. Навпаки, щоб витягнути деяку кількість молекул із глибини рідини на поверхню (тобто збільшити площу поверхні рідини), зовнішні сили повинні здійснити позитивну роботу Δ Aзовніш, пропорційну зміні Δ Sплощі поверхні:

З механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення потенційної енергії. Звідси випливає, що вільна поверхня рідини прагне скоротити свою площу. З цієї причини вільна крапля рідини набуває кулястої форми. Рідина поводиться так, ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу .

Наявність сил поверхневого натягу робить поверхню рідини схожою на пружну розтягнуту плівку, з тією різницею, що пружні сили в плівці залежать від площі її поверхні (тобто від того, як плівка деформована), а сили поверхневого натягу не залежатьвід площі поверхні рідини.

Деякі рідини, як, наприклад, мильна вода, мають здатність утворювати тонкі плівки. Всім добре відомі мильні бульбашки мають правильну сферичну форму - у цьому також проявляється дія сил поверхневого натягу. Якщо в мильний розчинопустити дротяну рамку, одна із сторін якої рухома, то вся вона затягнеться плівкою рідини (рис. 3.5.3).

Сили поверхневого натягу прагнуть скоротити поверхню плівки. Для рівноваги рухомої сторони рамки до неї слід докласти зовнішню силуЯкщо під дією сили поперечина переміститься на Δ x, то буде зроблено роботу Δ Aвн = Fвн Δ x = Δ E p = σΔ S, де Δ S = 2де коефіцієнт пропорційностіΔ x- Збільшення площі поверхні обох сторін мильної плівки. Оскільки модулі сил і однакові, можна записати:

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу σ може бути визначений як модуль сили поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини лінії, що обмежує поверхню.

Через дії сил поверхневого натягу в краплях рідини та всередині мильних бульбашоквиникає надлишковий тиск Δ p. Якщо подумки розрізати сферичну краплю радіусу Rна дві половинки, кожна з них повинна перебувати в рівновазі під дією сил поверхневого натягу, прикладених до межі розрізу довжиною 2π Rі сил надлишкового тиску, що діють на площу R 2 перерізи (рис. 3.5.4). Умова рівноваги записується як

Якщо ці сили більші за сили взаємодії між молекулами самої рідини, то рідина змочуєповерхня твердого тіла. В цьому випадку рідина підходить до поверхні твердого тіла під деяким гострим кутом θ, характерним для цієї пари рідина – тверде тіло. Кут θ називається крайовим кутом . Якщо сили взаємодії між молекулами рідини перевершують сили їхньої взаємодії з молекулами твердого тіла, то крайовий кут θ виявляється тупим (рис. 3.5.5). У цьому випадку кажуть, що рідина не змочуєПоверхня твердого тіла. При повному змочуванніθ = 0, при повному незмочуванніθ = 180 °.

Капілярними явищаминазивають підйом чи опускання рідини в трубках малого діаметра – капілярах. Змочують рідини піднімаються по капілярах, незмочують - опускаються.

На рис. 3.5.6 зображено капілярну трубку деякого радіусу r, опущена нижнім кінцем у змочуючу рідину щільності ρ. Верхній кінець капіляра відкрито. Підйом рідини в капілярі триває до тих пір, поки сила тяжіння, що діє на стовп рідини в капілярі, не стане рівною по модулю результуючої. Fн сил поверхневого натягу, що діють уздовж межі зіткнення рідини з поверхнею капіляра: Fт = Fн, де Fт = mg = ρ hπ r 2 g, Fн = σ2π r cos θ.

Звідси випливає:

При повному незмочуванні θ = 180 °, cos θ = -1 і, отже, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Вода майже повністю змочує чисту поверхню скла. Навпаки, ртуть не змочує скляну поверхню. Тому рівень ртуті у скляному капілярі опускається нижче рівня судини.

24) Пароутворення: визначення, види (випаровування, кипіння), розрахунок кількості теплоти на пароутворення та конденсацію, питома теплота пароутворення.

Випаровування та конденсація. Пояснення явища випаровування на основі уявлень про молекулярну будовуречовини. Питома теплота пароутворення. Її одиниці.

Явище перетворення рідини на пару називається пароутворенням.

Випаровування -процес пароутворення, що відбувається з відкритої поверхні.

Молекули рідини рухаються з різними швидкостями. Якщо якась молекула опиниться біля поверхні рідини, вона може подолати тяжіння сусідніх молекул і вилетіти з рідини. молекули, Що Вилетіли, утворюють пару. У молекул рідини, що залишилися, при зіткненні змінюються швидкості. Деякі молекули при цьому набувають швидкості, достатньої для того, щоб вилетіти з рідини. Цей процес продовжується, тому рідини випаровуються повільно.

*Швидкість випаровування залежить від роду рідини. Швидше випаровуються ті рідини, у яких молекул притягуються з меншою силою.

*Випар може відбуватися за будь-якої температури. Але при високих температурахвипаровування відбувається швидше .

*Швидкість випаровування залежить від площі її поверхні.

*При вітрі (потоку повітря) випаровування відбувається швидше.

При випаровуванні внутрішня енергія зменшується, т.к. при випаровуванні рідина залишають швидкі молекули, отже, середня швидкість інших молекул зменшується. Значить, якщо немає припливу енергії ззовні, то температура рідини зменшується.

Явище перетворення пари на рідину називається конденсацією. Вона супроводжується виділенням енергії.

Конденсацією пари пояснюється утворення хмар. Пари води, що піднімаються над землею, утворюють у верхніх холодних шарах повітря хмари, які складаються з найдрібніших крапель води.

Питома теплота пароутворення - Фіз. величина, що показує яку кількість теплоти необхідно, щоб звернути рідину масою 1 кг у пару без зміни температури.

Уд. теплоту пароутворення позначають буквою L і вимірюється Дж/кг

Уд. теплоту пароутворення води: L=2,3×10 6 Дж/кг, спирт L=0,9×10 6

Кількість теплоти, необхідне перетворення рідини на пару: Q = Lm