Ilość ciepła po podgrzaniu. Obliczanie ilości ciepła podczas wymiany ciepła, ciepło właściwe substancji. Równanie bilansu cieplnego

Proces przenoszenia energii z jednego ciała do drugiego bez wykonywania pracy nazywa się wymiana ciepła lub wymiana ciepła. Przenikanie ciepła następuje między ciałami, które mają inna temperatura. Kiedy dochodzi do kontaktu między ciałami o różnych temperaturach, część energii wewnętrznej jest przekazywana z ciała o większej ilości wysoka temperatura do ciała o niższej temperaturze. Energia przekazana organizmowi w wyniku wymiany ciepła nazywa się ilość ciepła.

Ciepło właściwe substancji:

Jeżeli procesowi wymiany ciepła nie towarzyszy praca, to zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki ilość ciepła jest równa zmianie energii wewnętrznej ciała: .

Średnia energia losowego ruchu translacyjnego cząsteczek jest proporcjonalna do temperatury bezwzględnej. Zmiana energii wewnętrznej ciała jest równa sumie algebraicznej zmian energii wszystkich atomów lub cząsteczek, których liczba jest proporcjonalna do masy ciała, a więc zmiana energii wewnętrznej, a co za tym idzie, ilość ciepła jest proporcjonalna do zmiany masy i temperatury:

Współczynnik proporcjonalności w tym równaniu nazywa się ciepło właściwe substancji. Ciepło właściwe pokazuje, ile ciepła potrzeba do podgrzania 1 kg substancji o 1 K.

Praca w termodynamice:

W mechanice pracę definiuje się jako iloczyn modułów siły i przemieszczenia oraz cosinusa kąta między nimi. Praca jest wykonywana, gdy siła działa na poruszające się ciało i jest równa zmianie jego energii kinetycznej.

W termodynamice nie bierze się pod uwagę ruchu ciała jako całości, mówimy o ruchu części ciała makroskopowego względem siebie. W rezultacie zmienia się objętość ciała, a jego prędkość pozostaje równa zeru. Praca w termodynamice definiowana jest tak samo jak w mechanice, ale jest to zmiana nie energii kinetycznej ciała, ale jego energii wewnętrznej.

Po zakończeniu pracy (sprężanie lub rozprężanie) zmienia się energia wewnętrzna gazu. Powód tego jest następujący: podczas zderzeń sprężystych cząsteczek gazu z poruszającym się tłokiem zmienia się ich energia kinetyczna.

Obliczmy pracę gazu podczas ekspansji. Gaz działa na tłok z siłą
, gdzie to ciśnienie gazu, i - powierzchnia tłok. W miarę rozszerzania się gazu tłok porusza się w kierunku siły na krótki dystans
. Jeśli odległość jest niewielka, ciśnienie gazu można uznać za stałe. Praca gazu to:

Gdzie
- zmiana objętości gazu.

W procesie rozprężania gazu wykonuje pozytywną pracę, ponieważ kierunek siły i przemieszczenia pokrywają się. W procesie ekspansji gaz oddaje energię do otaczających ciał.

Praca wykonywana przez ciała zewnętrzne na gazie różni się od pracy gazu tylko znakiem
, bo siła działanie na gaz jest przeciwne do siły , z którym gaz działa na tłok i jest mu równy w wartości bezwzględnej (trzecie prawo Newtona); a ruch pozostaje ten sam. Dlatego pracuj siły zewnętrzne jest równe:

.

Pierwsza zasada termodynamiki:

Pierwszą zasadą termodynamiki jest zasada zachowania energii, rozszerzona na zjawiska cieplne. Prawo zachowania energii: energia w naturze nie powstaje z niczego i nie znika: ilość energii pozostaje niezmienna, zmienia się tylko z jednej formy w drugą.

W termodynamice brane są pod uwagę ciała, których położenie środka ciężkości praktycznie się nie zmienia. Energia mechaniczna takich ciał pozostaje stała, a zmieniać się może tylko energia wewnętrzna.

Energię wewnętrzną można zmienić na dwa sposoby: przenoszenie ciepła i pracę. W ogólnym przypadku energia wewnętrzna zmienia się zarówno z powodu wymiany ciepła, jak i wykonywania pracy. Pierwsza zasada termodynamiki jest sformułowana właśnie dla takich ogólnych przypadków:

Zmiana energii wewnętrznej układu podczas jego przejścia z jednego stanu do drugiego jest równa sumie pracy sił zewnętrznych i ilości ciepła przekazanego do układu:

Jeśli system jest izolowany, to nie wykonuje się na nim żadnej pracy i nie wymienia ciepła z otaczającymi ciałami. Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki energia wewnętrzna systemu izolowanego pozostaje niezmieniona.

Jeśli się uwzględni
, pierwszą zasadę termodynamiki można zapisać w następujący sposób:

Ilość ciepła przekazanego do systemu idzie na zmianę jego energii wewnętrznej i wykonanie przez system pracy na ciałach zewnętrznych.

Druga zasada termodynamiki: niemożliwe jest przeniesienie ciepła z chłodniejszego systemu do cieplejszego przy braku innych jednoczesnych zmian w obu systemach lub w otaczających ciałach.

« Fizyka - klasa 10 "

W jakich procesach zachodzi agregacyjna transformacja materii?
Jak można zmienić stan materii?

Możesz zmienić energię wewnętrzną dowolnego ciała, wykonując pracę, ogrzewając lub odwrotnie, chłodząc je.
Tak więc podczas kucia metalu praca jest wykonywana i jest podgrzewana, podczas gdy w tym samym czasie metal może być podgrzewany nad płonącym płomieniem.

Ponadto, jeśli tłok jest zamocowany (ryc. 13.5), objętość gazu nie zmienia się po podgrzaniu i nie wykonuje się żadnej pracy. Ale temperatura gazu, a tym samym jego energia wewnętrzna, wzrasta.

Energia wewnętrzna może wzrastać i maleć, więc ilość ciepła może być dodatnia lub ujemna.

Proces przenoszenia energii z jednego ciała do drugiego bez wykonywania pracy nazywa się wymiana ciepła.

Nazywa się ilościową miarą zmiany energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła ilość ciepła.

Molekularny obraz wymiany ciepła.

Podczas wymiany ciepła na granicy między ciałami wolno poruszające się molekuły zimnego ciała oddziałują z szybko poruszającymi się molekułami gorącego ciała. W rezultacie energie kinetyczne molekuł wyrównują się, a prędkości molekuł ciała zimnego wzrastają, a ciała gorącego maleją.

Podczas wymiany ciepła nie zachodzi przemiana energii z jednej postaci w drugą, część energii wewnętrznej cieplejszego ciała jest przekazywana do mniej nagrzanego ciała.

Ilość ciepła i pojemność cieplna.

Wiesz już, że aby ogrzać ciało o masie m od temperatury t 1 do temperatury t 2, konieczne jest przekazanie mu ilości ciepła:

Q \u003d cm (t 2 - t 1) \u003d cm Δt. (13.5)

Gdy ciało się ochładza, okazuje się, że jego temperatura końcowa t 2 jest niższa niż temperatura początkowa t 1, a ilość ciepła wydzielanego przez ciało jest ujemna.

Współczynnik c we wzorze (13.5) nazywa się specyficzna pojemność cieplna Substancje.

Ciepło właściwe- jest to wartość liczbowo równa ilości ciepła, jaką otrzymuje lub oddaje substancja o masie 1 kg, gdy jej temperatura zmienia się o 1 K.

Właściwa pojemność cieplna gazów zależy od procesu przenoszenia ciepła. Jeśli podgrzejesz gaz pod stałym ciśnieniem, rozszerzy się i zadziała. Aby ogrzać gaz o 1 °C przy stałym ciśnieniu, należy go przenieść duża ilość ciepła niż do podgrzewania go ze stałą objętością, gdy gaz będzie się tylko nagrzewał.

Ciecze i ciała stałe nieznacznie rozszerzają się po podgrzaniu. Ich ciepło właściwe przy stałej objętości i stałym ciśnieniu niewiele się różni.

Ciepło właściwe parowania.

Aby przekształcić ciecz w parę podczas procesu wrzenia, konieczne jest przeniesienie do niej pewnej ilości ciepła. Temperatura płynu nie zmienia się podczas wrzenia. Przekształcenie cieczy w parę w stałej temperaturze nie prowadzi do wzrostu energii kinetycznej cząsteczek, ale towarzyszy jej wzrost energia potencjalna ich interakcje. W końcu średnia odległość między cząsteczkami gazu jest znacznie większa niż między cząsteczkami cieczy.

Nazywa się wartość liczbowo równą ilości ciepła wymaganego do przekształcenia 1 kg cieczy w parę o stałej temperaturze ciepło właściwe odparowanie.

Proces parowania cieczy zachodzi w dowolnej temperaturze, podczas gdy najszybsze cząsteczki opuszczają ciecz, która podczas parowania ochładza się. Ciepło właściwe waporyzacji jest równe ciepłu właściwemu waporyzacji.

Wartość ta jest oznaczona literą r i wyrażona w dżulach na kilogram (J / kg).

Ciepło właściwe parowania wody jest bardzo wysokie: r H20 = 2,256 106 J/kg w temperaturze 100°C. W innych cieczach, takich jak alkohol, eter, rtęć, nafta, ciepło właściwe parowania jest 3-10 razy mniejsze niż wody.

Aby przekształcić ciecz o masie m w parę, wymagana jest ilość ciepła równa:

Q p \u003d rm. (13.6)

Kiedy para się skrapla, uwalniana jest taka sama ilość ciepła:

Q k \u003d -rm. (13,7)

Ciepło właściwe topnienia.

Kiedy ciało krystaliczne topi się, całe dostarczone do niego ciepło idzie na zwiększenie energii potencjalnej interakcji cząsteczek. Energia kinetyczna cząsteczki się nie zmieniają, ponieważ topienie zachodzi w stałej temperaturze.

Nazywa się wartość liczbowo równą ilości ciepła potrzebnego do przekształcenia substancji krystalicznej o masie 1 kg w temperaturze topnienia w ciecz ciepło właściwe topnienia i są oznaczone literą λ.

Podczas krystalizacji substancji o masie 1 kg uwalniana jest dokładnie taka sama ilość ciepła, jaka jest pochłaniana podczas topienia.

Ciepło właściwe topnienia lodu jest dość wysokie: 3,34 · 10 5 J/kg.

„Gdyby lód nie miał wysokiej temperatury topnienia, to wiosną cała masa lodu musiałaby stopić się w ciągu kilku minut lub sekund, ponieważ ciepło jest stale przenoszone do lodu z powietrza. Konsekwencje tego byłyby tragiczne; bo nawet w obecnej sytuacji wielkie powodzie i wielkie potoki powstają z topnienia wielkich mas lodu lub śniegu”. R. Czarny, XVIII w.

Aby stopić ciało krystaliczne o masie m, potrzebna jest ilość ciepła równa:

Qpl \u003d λm. (13.8)

Ilość ciepła uwalnianego podczas krystalizacji ciała jest równa:

Q cr = -λm (13,9)

Równanie bilansu cieplnego.

Rozważ przenoszenie ciepła w systemie składającym się z kilku ciał o początkowo różne temperatury, na przykład wymiana ciepła między wodą w naczyniu a gorącą żelazną kulą zanurzoną w wodzie. Zgodnie z prawem zachowania energii ilość ciepła wydzielanego przez jedno ciało jest liczbowo równa ilości ciepła odbieranego przez inne ciało.

Podana ilość ciepła jest uważana za ujemną, odebraną ilość ciepła za dodatnią. Dlatego całkowita ilość ciepła Q1 + Q2 = 0.

Jeśli wymiana ciepła zachodzi między kilkoma ciałami w izolowanym systemie, to

Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)

Równanie (13.10) nazywa się równanie bilansu cieplnego.

Tutaj Q 1 Q 2 , Q 3 - ilość ciepła odebranego lub oddanego przez ciała. Te ilości ciepła wyraża się wzorem (13.5) lub wzorami (13.6) - (13.9), jeżeli w procesie wymiany ciepła zachodzą różne przemiany fazowe substancji (topienie, krystalizacja, parowanie, kondensacja).

1. Zmiana energii wewnętrznej poprzez wykonywanie pracy charakteryzuje się ilością pracy, tj. praca jest miarą zmiany energii wewnętrznej w danym procesie. Zmiana energii wewnętrznej ciała podczas wymiany ciepła charakteryzuje się wartością zwaną ilość ciepła.

Ilość ciepła to zmiana energii wewnętrznej ciała w procesie wymiany ciepła bez wykonywania pracy.

Ilość ciepła oznaczono literą ​ \ (Q \) . Ponieważ ilość ciepła jest miarą zmiany energii wewnętrznej, jego jednostką jest dżul (1 J).

Kiedy ciało przekazuje pewną ilość ciepła bez wykonywania pracy, jego energia wewnętrzna wzrasta, jeśli ciało oddaje określoną ilość ciepła, to jego energia wewnętrzna maleje.

2. Jeśli wlejesz 100 g wody do dwóch identycznych naczyń, a 400 g do drugiego w tej samej temperaturze i postawisz je na tych samych palnikach, to woda w pierwszym naczyniu zagotuje się wcześniej. Zatem im większa masa ciała, tym więcej ciepła potrzebuje do ogrzania. Podobnie jest z chłodzeniem: ciało o większej masie po schłodzeniu wydziela większą ilość ciepła. Ciała te są wykonane z tej samej substancji i nagrzewają się lub ochładzają o tę samą liczbę stopni.

​3. Jeśli teraz podgrzejemy 100 g wody z 30 do 60 °C, czyli o 30 °С, a następnie do 100 °С, tj. o 70°C, to w pierwszym przypadku nagrzewanie zajmie mniej czasu niż w drugim, a zatem mniej ciepła zostanie zużyta na podgrzanie wody o 30°C niż na podgrzanie wody o 70°C. Zatem ilość ciepła jest wprost proporcjonalna do różnicy między temperaturą końcową ​\(((t_2\,^\circ C) \) a początkową \((t_1\,^\circ C) \): ​\(Q \sim(t_2-t_1) \) .

4. Jeśli teraz do jednego naczynia wlewa się 100 g wody, a do innego podobnego naczynia wlewa się trochę wody i umieszcza się w nim metalowy korpus tak, aby jego masa i masa wody wyniosły 100 g, a naczynia są podgrzewane na identycznych płytek, to można zauważyć, że w naczyniu zawierającym tylko wodę będzie miała niższą temperaturę niż w naczyniu zawierającym wodę i metalowym korpusie. Dlatego, aby temperatura zawartości w obu naczyniach była taka sama, do wody musi zostać oddana większa ilość ciepła niż do wody i metalowego korpusu. Zatem ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy od rodzaju substancji, z której to ciało jest zrobione.

5. Zależność ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała od rodzaju substancji charakteryzuje się wielkością fizyczną zwaną ciepło właściwe substancji.

Fizyczna wielkość równa ilości ciepła, którą należy podać dla 1 kg substancji, aby ogrzać ją o 1 ° C (lub 1 K), nazywana jest właściwą pojemnością cieplną substancji.

Tę samą ilość ciepła oddaje 1 kg substancji po schłodzeniu o 1 °C.

Ciepło właściwe jest oznaczone literą ​ \ (c \) . Jednostką ciepła właściwego jest 1 J/kg °C lub 1 J/kg K.

Wartości właściwej pojemności cieplnej substancji określa się eksperymentalnie. Ciecze mają wyższą pojemność cieplną niż metale; Woda ma najwyższą pojemność cieplną, złoto ma bardzo małą pojemność cieplną.

Ciepło właściwe ołowiu wynosi 140 J/kg °C. Oznacza to, że aby ogrzać 1 kg ołowiu o 1°C, trzeba wydać ilość ciepła 140 J. Taka sama ilość ciepła zostanie uwolniona, gdy 1 kg wody ochłodzi się o 1°C.

Ponieważ ilość ciepła jest równa zmianie energii wewnętrznej ciała, możemy powiedzieć, że właściwa pojemność cieplna pokazuje, jak bardzo zmienia się energia wewnętrzna 1 kg substancji, gdy jej temperatura zmienia się o 1 ° C. W szczególności energia wewnętrzna 1 kg ołowiu po podgrzaniu o 1°C wzrasta o 140 J, a po schłodzeniu zmniejsza się o 140 J.

Ilość ciepła ​\(Q \) ​wymagana do ogrzania ciała o masie ​\(m \) ​ z temperatury \((t_1\,^\circ C) \) do temperatury \((t_2\, ^\circ C) \) , jest równe iloczynowi ciepła właściwego substancji, masy ciała i różnicy między temperaturą końcową a początkową, tj.

\[ Q=cm(t_2()^\circ-t_1()^\circ) \]

Ten sam wzór jest używany do obliczania ilości ciepła wydzielanego przez ciało po schłodzeniu. Tylko w tym przypadku należy odjąć temperaturę końcową od temperatury początkowej, tj. z większa wartość odejmij mniej temperatury.

6. Przykład rozwiązania problemu. Do zlewki zawierającej 200 g wody o temperaturze 80°C wlewa się 100 g wody o temperaturze 20°C. Następnie w naczyniu ustalono temperaturę 60°C. Ile ciepła odbiera zimna woda, a oddaje ciepła woda?

Rozwiązując problem, musisz wykonać następującą sekwencję działań:

1. zapisz krótko stan problemu;
2. przelicz wartości wielkości na SI;
3. przeanalizuj problem, ustal, które ciała uczestniczą w wymianie ciepła, które ciała oddają energię, a które ją otrzymują;
4. rozwiąż problem w ogólna perspektywa;
5. wykonywać obliczenia;
6. przeanalizuj otrzymaną odpowiedź.

1. Zadanie.

Dany:
\\ (m_1 \) \u003d 200 g
\(m_2 \) \u003d 100 g
​ \ (t_1 \) \u003d 80 ° С
​ \ (t_2 \) \u003d 20 ° С
​ \ (t \) \u003d 60 ° С
______________

​\(P_1 \) ​ — ? ​\(P_2 \) ​ — ?
​ \ (c_1 \) ​ \u003d 4200 J / kg ° С

2. SI:\\ (m_1 \) \u003d 0,2 kg; ​ \ (m_2 \) \u003d 0,1 kg.

3. Analiza zadań. Problem opisuje proces wymiany ciepła między gorącym a zimna woda. Gorąca woda oddaje ilość ciepła ​\(Q_1 \) ​ i chłodzi od temperatury ​\(t_1 \) ​ do temperatury ​\(t \) . Zimna woda odbiera ilość ciepła ​\(Q_2 \) ​ i nagrzewa się z temperatury ​\(t_2 \) ​ do temperatury ​\(t \) ​.

4. Rozwiązanie problemu w formie ogólnej. Ilość uwolnionego ciepła gorąca woda, oblicza się według wzoru: ​\(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) .

Ilość ciepła odbieranego przez zimną wodę oblicza się według wzoru: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) .

5. Przetwarzanie danych.
​ \ (Q_1 \) \u003d 4200 J / kg ° C 0,2 kg 20 ° C \u003d 16800 J
\ (Q_2 \) \u003d 4200 J / kg ° C 0,1 kg 40 ° C \u003d 16800 J

6. W odpowiedzi uzyskano, że ilość ciepła oddanego przez gorącą wodę jest równa ilości ciepła odbieranego przez zimną wodę. W tym przypadku rozważano sytuację wyidealizowaną i nie brano pod uwagę, że pewna ilość ciepła została wykorzystana do ogrzania szkła, w którym znajdowała się woda oraz otaczającego powietrza. W rzeczywistości ilość ciepła oddanego przez gorącą wodę jest większa niż ilość ciepła odbierana przez zimną wodę.

Część 1

1. Ciepło właściwe srebra wynosi 250 J/(kg °C). Co to znaczy?

1) podczas chłodzenia 1 kg srebra w temperaturze 250 ° C uwalniana jest ilość ciepła 1 J
2) podczas schładzania 250 kg srebra na 1 °C uwalniana jest ilość ciepła wynosząca 1 J
3) gdy 250 kg srebra schładza się o 1°C, ilość ciepła 1 J zostaje pochłonięta
4) gdy 1 kg srebra schładza się o 1 °C, uwalniana jest ilość ciepła 250 J

2. Ciepło właściwe cynku wynosi 400 J/(kg °C). To znaczy, że

1) gdy 1 kg cynku zostanie podgrzany do 400 °C, jego energia wewnętrzna wzrasta o 1 J
2) po podgrzaniu 400 kg cynku o 1 °C jego energia wewnętrzna wzrasta o 1 J
3) aby ogrzać 400 kg cynku o 1 ° C, należy wydać 1 J energii
4) po podgrzaniu 1 kg cynku o 1 °C jego energia wewnętrzna wzrasta o 400 J

3. Podczas przenoszenia ciało stałe masa ​\(m \) ​\(Q \) ​temperatura ciała wzrosła o ​\(\Delta t^\circ \) . Które z poniższych wyrażeń określa pojemność cieplną właściwą substancji tego ciała?

1) ​\(\frac(m\Delta t^\circ)(Q) \)​
2) \(\frac(Q)(m\Delta t^\circ) \)​
3) \(\frac(Q)(\Delta t^\circ) \) ​
4) \(Qm\Delta t^\circ \) ​

4. Rysunek przedstawia wykres ilości ciepła potrzebnego do ogrzania dwóch ciał (1 i 2) o tej samej masie na temperaturę. Porównaj wartości ciepła właściwego (​\(c_1 \) ​ i ​\(c_2 \) ) substancji, z których wykonane są te ciała.

1) ​\(c_1=c_2 \) ​
2) ​\(c_1>c_2 \) ​
3) \(c_1 4) odpowiedź zależy od wartości masy ciał

5. Wykres pokazuje wartości ilości ciepła przekazanego do dwóch ciał o jednakowej masie, gdy ich temperatura zmienia się o tę samą liczbę stopni. Jaki stosunek pojemności cieplnej właściwej substancji, z których zbudowane są korpusy, jest prawidłowy?

1) \(c_1=c_2 \)
2) \(c_1=3c_2 \)
3) \(c_2=3c_1 \)
4) \(c_2=2c_1 \)

6. Rysunek przedstawia wykres zależności temperatury ciała stałego od ilości wydzielanego przez nie ciepła. Masa ciała 4 kg. Jaka jest właściwa pojemność cieplna substancji tego ciała?

1) 500 J/(kg °C)
2) 250 J/(kg °C)
3) 125 J/(kg °C)
4) 100 J/(kg °C)

7. Po podgrzaniu substancji krystalicznej o masie 100 g mierzono temperaturę substancji i ilość ciepła przekazanego do substancji. Dane pomiarowe zostały przedstawione w formie tabeli. Zakładając, że można pominąć straty energii, określ pojemność cieplną właściwą substancji w stanie stałym.

1) 192 J/(kg °C)
2) 240 J/(kg °C)
3) 576 J/(kg °C)
4) 480 J/(kg °C)

8. Aby ogrzać 192 g molibdenu o 1 K, konieczne jest przeniesienie do niego ciepła 48 J. Jaka jest właściwa pojemność cieplna tej substancji?

1) 250 J/(kg·K)
2) 24 J/(kg·K)
3) 4 10 -3 J/(kg·K)
4) 0,92 J/(kg·K)

9. Ile ciepła potrzeba do podgrzania 100 g ołowiu z 27 do 47 °C?

1) 390 J
2) 26 kJ
3) 260 J
4) 390 kJ

10. Na podgrzanie cegły od 20 do 85°C zużyto taką samą ilość ciepła, jak na podgrzanie wody o tej samej masie do 13°C. Ciepło właściwe cegły wynosi

1) 840 J/(kg·K)
2) 21000 J/(kg·K)
3) 2100 J/(kg·K)
4) 1680 J/(kg·K)

11. Z poniższej listy stwierdzeń wybierz dwa poprawne i zapisz ich numery w tabeli.

1) Ilość ciepła, które ciało otrzymuje, gdy jego temperatura wzrośnie o określoną liczbę stopni, jest równa ilości ciepła, które to ciało oddaje, gdy jego temperatura spadnie o tę samą liczbę stopni.
2) Gdy substancja jest schładzana, jej energia wewnętrzna wzrasta.
3) Ilość ciepła, jaką otrzymuje substancja po podgrzaniu, służy głównie do zwiększenia energii kinetycznej jej cząsteczek.
4) Ilość ciepła, którą otrzymuje substancja po podgrzaniu, służy głównie do zwiększenia potencjalnej energii oddziaływania jej cząsteczek
5) Energię wewnętrzną ciała można zmienić tylko przez dostarczenie mu określonej ilości ciepła

12. W tabeli przedstawiono wyniki pomiarów masy ​\(m \) ​, zmian temperatury ​\(\Delta t \) ​ oraz ilości ciepła ​\(Q \)​ wydzielanego podczas chłodzenia cylindrów wykonanych z miedzi lub aluminium.

Jakie stwierdzenia są zgodne z wynikami eksperymentu? Wybierz właściwe dwa z podanej listy. Wymień ich numery. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów można argumentować, że ilość ciepła uwalnianego podczas chłodzenia,

1) zależy od materiału, z którego wykonany jest cylinder.
2) nie zależy od substancji, z której wykonany jest cylinder.
3) rośnie wraz ze wzrostem masy cylindra.
4) wzrasta wraz ze wzrostem różnicy temperatur.
5) ciepło właściwe aluminium jest 4 razy większe niż ciepło właściwe cyny.

Część 2

C1. Ciało stałe o wadze 2 kg umieszcza się w piekarniku o mocy 2 kW i ogrzewa. Rysunek przedstawia zależność temperatury ​\(t \) ​ tego ciała od czasu ogrzewania ​\(\tau \) . Jaka jest właściwa pojemność cieplna substancji?

1) 400 J/(kg °C)
2) 200 J/(kg °C)
3) 40 J/(kg °C)
4) 20 J/(kg °C)

Odpowiedzi

WYMIANA CIEPŁA.

1. Przenoszenie ciepła.

Wymiana ciepła lub transfer ciepła to proces przenoszenia wewnętrznej energii jednego ciała na drugie bez wykonywania pracy.

Istnieją trzy rodzaje wymiany ciepła.

1) Przewodność cieplna to wymiana ciepła między ciałami w bezpośrednim kontakcie.

2) Konwekcja to wymiana ciepła, w której ciepło jest przekazywane przez przepływy gazu lub cieczy.

3) Promieniowanie to wymiana ciepła za pomocą promieniowania elektromagnetycznego.

2. Ilość ciepła.

Ilość ciepła jest miarą zmiany energii wewnętrznej ciała podczas wymiany ciepła. Oznaczone literą Q.

Jednostka miary ilości ciepła = 1 J.

Ilość ciepła odebranego przez ciało od innego ciała w wyniku wymiany ciepła może być wydatkowana na podwyższenie temperatury (zwiększenie energii kinetycznej cząsteczek) lub zmianę stanu skupienia (zwiększenie energii potencjalnej).

3. Ciepło właściwe substancji.

Doświadczenie pokazuje, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała o masie m od temperatury T 1 do temperatury T 2 jest proporcjonalna do masy ciała m i różnicy temperatur (T 2 - T 1), tj.

Q = cm(T 2 - T 1 ) = zmΔ T,

Z nazywana jest specyficzną pojemnością cieplną substancji ogrzanego ciała.

Właściwa pojemność cieplna substancji jest równa ilości ciepła, którą należy przekazać 1 kg substancji, aby ogrzać ją o 1 K.

Jednostka pojemności cieplnej właściwej =.

Wartości pojemności cieplnej różnych substancji można znaleźć w tabelach fizycznych.

Dokładnie taka sama ilość ciepła Q zostanie uwolniona, gdy ciało zostanie schłodzone o ΔT.

4. Ciepło właściwe parowania.

Doświadczenie pokazuje, że ilość ciepła potrzebna do przekształcenia cieczy w parę jest proporcjonalna do masy cieczy, tj.

Q = lm,

gdzie jest współczynnik proporcjonalności L nazywa się ciepłem waporyzacji.

Ciepło właściwe parowania jest równe ilości ciepła potrzebnej do przekształcenia 1 kg cieczy w temperaturze wrzenia w parę.

Jednostka miary ciepła właściwego parowania.

W procesie odwrotnym, kondensacji pary, ciepło jest uwalniane w takiej samej ilości, jaka została zużyta na waporyzację.

5. Ciepło właściwe topnienia.

Doświadczenie pokazuje, że ilość ciepła potrzebna do przekształcenia ciała stałego w ciecz jest proporcjonalna do masy ciała, tj.

Q = λ m,

gdzie współczynnik proporcjonalności λ nazywany jest ciepłem właściwym topnienia.

Ciepło właściwe topnienia jest równe ilości ciepła potrzebnej do przekształcenia ciała stałego ważącego 1 kg w ciecz w temperaturze topnienia.

Jednostka miary ciepła właściwego topnienia.

W procesie odwrotnym, krystalizacji cieczy, ciepło jest uwalniane w takiej samej ilości, jaka została zużyta na stopienie.

6. Ciepło właściwe spalania.

Doświadczenie pokazuje, że ilość ciepła uwalnianego podczas całkowitego spalania paliwa jest proporcjonalna do masy paliwa, tj.

Q = qm,

Gdzie współczynnik proporcjonalności q nazywany jest ciepłem właściwym spalania.

Ciepło właściwe spalania jest równe ilości ciepła wydzielanego podczas całkowitego spalania 1 kg paliwa.

Jednostka miary ciepła właściwego spalania.

7. Równanie bilansu ciepła.

W wymianę ciepła biorą udział dwa lub więcej ciał. Niektóre ciała wydzielają ciepło, inne je odbierają. Przenikanie ciepła następuje do momentu wyrównania się temperatur ciał. Zgodnie z prawem zachowania energii ilość oddanego ciepła jest równa ilości odbieranej. Na tej podstawie zapisywane jest równanie bilansu cieplnego.

Rozważ przykład.

Bryła o masie m 1 , której pojemność cieplna wynosi c 1 , ma temperaturę T 1 , a bryła o masie m 2 , której pojemność cieplna wynosi c 2 , ma temperaturę T 2 . Ponadto T 1 jest większe niż T 2. Ciała te wchodzą w kontakt. Doświadczenie pokazuje, że ciało zimne (m2) zaczyna się nagrzewać, a ciało gorące (m1) zaczyna stygnąć. Sugeruje to, że część energii wewnętrznej gorącego ciała jest przekazywana do zimnego, a temperatury wyrównują się. Oznaczmy ostateczną temperaturę całkowitą przez θ.

Ilość ciepła przeniesionego z gorącego ciała do zimnego

Q przeniesione. = c 1 m 1 (T 1 – θ )

Ilość ciepła odbieranego przez zimne ciało od gorącego

Q Odebrane. = c 2 m 2 (θ – T 2 )

Zgodnie z prawem zachowania energii Q przeniesione. = Q Odebrane., tj.

c 1 m 1 (T 1 – θ )= c 2 m 2 (θ – T 2 )

Otwórzmy nawiasy i wyrażmy wartość całkowitej temperatury w stanie ustalonym θ.

Wartość temperatury θ w tym przypadku zostanie uzyskana w kelwinach.

Jednak ponieważ w wyrażeniach dla Q minął. i Q jest odbierane. jeśli istnieje różnica między dwiema temperaturami i jest taka sama zarówno w stopniach kelwinów, jak i stopniach Celsjusza, obliczenia można przeprowadzić w stopniach Celsjusza. Następnie

W takim przypadku wartość temperatury θ zostanie uzyskana w stopniach Celsjusza.

Wyrównanie temperatur w wyniku przewodzenia ciepła można wyjaśnić na podstawie teorii kinetyki molekularnej jako wymianę energii kinetycznej między cząsteczkami podczas zderzeń w procesie termicznego ruchu chaotycznego.

Przykład ten można zilustrować wykresem.

W tej lekcji dowiemy się, jak obliczyć ilość ciepła potrzebną do ogrzania ciała lub uwolnienia go, gdy ostygnie. Aby to zrobić, podsumujemy wiedzę zdobytą na poprzednich lekcjach.

Ponadto nauczymy się, jak korzystać ze wzoru na ilość ciepła, aby wyrazić pozostałe wielkości z tego wzoru i obliczyć je, znając inne wielkości. Rozpatrzony zostanie również przykład problemu z rozwiązaniem obliczania ilości ciepła.

Ta lekcja poświęcona jest obliczaniu ilości ciepła, kiedy ciało jest ogrzewane lub uwalniane przez nie po schłodzeniu.

Bardzo ważna jest umiejętność obliczenia wymaganej ilości ciepła. Może to być konieczne na przykład przy obliczaniu ilości ciepła, które musi zostać dostarczone wodzie, aby ogrzać pomieszczenie.

Ryż. 1. Ilość ciepła, którą należy zgłosić do wody, aby ogrzać pomieszczenie

Lub obliczyć ilość ciepła uwalnianego podczas spalania paliwa w różnych silnikach:

Ryż. 2. Ilość ciepła uwalnianego podczas spalania paliwa w silniku

Wiedza ta jest również potrzebna np. do określenia ilości ciepła, które jest uwalniane przez Słońce i uderza w Ziemię:

Ryż. 3. Ilość ciepła wydzielanego przez Słońce i padającego na Ziemię

Aby obliczyć ilość ciepła, musisz wiedzieć trzy rzeczy (ryc. 4):

• masa ciała (którą zwykle można zmierzyć za pomocą wagi);
• różnica temperatur, o jaką konieczne jest ogrzanie ciała lub jego schłodzenie (zwykle mierzona termometrem);
• właściwa pojemność cieplna ciała (którą można określić z tabeli).

Ryż. 4. Co musisz wiedzieć, aby ustalić

Wzór na obliczenie ilości ciepła jest następujący:

Ta formuła zawiera następujące ilości:

Ilość ciepła mierzona w dżulach (J);

Ciepło właściwe substancji, mierzone w;

- różnica temperatur, mierzona w stopniach Celsjusza ().

Rozważ problem obliczenia ilości ciepła.

Zadanie

Miedziane szkło o masie gramów zawiera wodę o objętości jednego litra o temperaturze . Ile ciepła trzeba przenieść do szklanki wody, aby jej temperatura stała się równa ?

Ryż. 5. Ilustracja stanu problemu

Najpierw piszemy krótki warunek ( Dany) i przeliczyć wszystkie ilości na system międzynarodowy (SI).

Rozwiązanie:

Najpierw określ, jakie inne wielkości potrzebujemy, aby rozwiązać ten problem. Zgodnie z tabelą ciepła właściwego (Tabela 1) znajdujemy (ciepło właściwe miedzi, ponieważ według stanu szkło jest miedzią), (ciepło właściwe wody, ponieważ według stanu w szkle znajduje się woda). Dodatkowo wiemy, że aby obliczyć ilość ciepła, potrzebujemy masy wody. Warunkowo otrzymujemy tylko objętość. Dlatego bierzemy gęstość wody z tabeli: (Tabela 2).

Patka. 1. Ciepło właściwe niektórych substancji,

Patka. 2. Gęstości niektórych cieczy

Teraz mamy wszystko, czego potrzebujemy, aby rozwiązać ten problem.

Zauważ, że całkowita ilość ciepła będzie składać się z sumy ilości ciepła potrzebnego do podgrzania miedzianego szkła i ilości ciepła potrzebnego do podgrzania w nim wody:

Najpierw obliczamy ilość ciepła potrzebną do podgrzania szkła miedzianego:

Przed obliczeniem ilości ciepła potrzebnego do podgrzania wody obliczamy masę wody za pomocą wzoru znanego nam z klasy 7:

Teraz możemy obliczyć:

Wtedy możemy obliczyć:

Przypomnij sobie, co to znaczy: kilodżule. Przedrostek „kilo” oznacza .

Odpowiadać:.

Dla wygody rozwiązywania problemów ze znalezieniem ilości ciepła (tzw. problemów bezpośrednich) i ilości związanych z tą koncepcją możesz skorzystać z poniższej tabeli.