Formula za količinu topline. Rješavanje zadataka za izračunavanje količine topline potrebne za zagrijavanje tijela ili oslobođene od njega pri hlađenju

Okvirni plan

otvorena lekcija fizike u 8 "E" razredu

MOU gimnazija br. 77, o. Tolyatti

nastavnici fizike

Ivanova Marija Konstantinovna

Tema lekcije:

Rješavanje zadataka za izračunavanje količine topline potrebne za zagrijavanje tijela ili oslobođene od njega pri hlađenju.

datum:

Svrha lekcije:

    razviti praktične vještine u izračunavanju količine topline potrebne za grijanje i oslobađanja pri hlađenju;

    razvijati vještine brojanja, poboljšati logičke vještine u analizi dijagrama zadataka, rješavanju kvalitativnih i računskih problema;

    Negovati sposobnost rada u paru, uvažavati mišljenje protivnika i braniti njihovo gledište, biti oprezan pri izvršavanju zadataka iz fizike.

Oprema za nastavu:

    kompjuter, projektor, prezentacija na temu (Prilog br. 1), materijali iz jedinstvene zbirke digitalnih obrazovnih izvora.

Vrsta lekcije:

    rješavanje problema.

„Stavite prst u plamen šibice i doživjet ćete osjećaj koji nije jednak ni na nebu ni na zemlji; međutim, sve što se dogodilo je jednostavno rezultat sudara molekula.

J. Wheeler

Tokom nastave:

    Organiziranje vremena

    Pozdrav studentima.

    Provjera odsutnih učenika.

    Prezentacija teme i ciljeva časa.

    Provjera domaćeg.

1.Frontalna anketa

    Koliki je specifični toplotni kapacitet neke supstance? (Slajd #1)

    Koja je jedinica specifičnog toplotnog kapaciteta neke supstance?

    Zašto se vodena tijela polako smrzavaju? Zašto led dugo ne napušta rijeke, a posebno jezera, iako je vrijeme dugo bilo toplo?

    Zašto na obala Crnog mora Da li je Kavkaz čak i zimi dovoljno topao?

    Zašto se mnogi metali značajno hlade? brži od vode? (Slajd #2)

2. Individualna anketa (kartice sa zadacima na više nivoa za nekoliko učenika)

    Istraživanje nove teme.

1. Ponavljanje pojma količine toplote.

Količina toplote- kvantitativna mera promene unutrašnje energije tokom prenosa toplote.

Količina topline koju tijelo apsorbira smatra se pozitivnom, a količina oslobođene topline je negativna. Izraz “tijelo ima određenu količinu topline” ili “tijelo sadrži (pohranjeno) određenu količinu topline” nema smisla. Količina toplote može se primiti ili predati u bilo kom procesu, ali se ne može posjedovati.

Prilikom razmjene topline na granici između tijela, sporo pokretni molekuli hladnog tijela stupaju u interakciju s molekulima koji se brzo kreću vrućeg tijela. Kao rezultat, kinetičke energije molekula se izjednačavaju i brzine molekula hladnog tijela se povećavaju, dok se kod vrućeg tijela smanjuju.

U toku razmene toplote ne dolazi do pretvaranja energije iz jednog oblika u drugi, deo unutrašnje energije toplog tela se prenosi na hladno telo.

2. Formula za količinu topline.

Izvodimo radnu formulu za rješavanje problema za izračunavanje količine topline: Q = cm ( t 2 - t 1 ) - pisanje na tabli i u sveske.

Saznajemo da količina toplote koju tijelo daje ili prima ovisi o tome početna temperatura tijelo, njegova masa i njegov specifični toplinski kapacitet.

U praksi se često koriste termički proračuni. Na primjer, prilikom izgradnje objekata potrebno je voditi računa o tome koliko topline cijeli sistem grijanja treba dati zgradi. Treba znati i koliko će toplote ući u okolni prostor kroz prozore, zidove, vrata.

3 . Ovisnost količine topline o različitim količinama . (Slajdovi #3, #4, #5, #6)

4 . Specifična toplota (Slajd broj 7)

5. Jedinice za mjerenje količine toplote (Slajd broj 8)

6. Primjer rješavanja zadatka za izračunavanje količine topline (Slajd broj 10)

7. Rješavanje zadataka za izračunavanje količine topline na ploči i u sveskama

Takođe saznajemo da ako dođe do razmene toplote između tela, onda se unutrašnja energija svih grejnih tela povećava za onoliko koliko se smanjuje unutrašnja energija rashladnih tela. Za to koristimo primjer riješenog zadatka iz § 9 udžbenika.

Dinamička pauza.

IV. Konsolidacija proučenog materijala.

1. Pitanja za samokontrolu (Slajd broj 9)

2. Rješavanje problema kvaliteta:

    Zašto je vruće u pustinjama danju, a noću temperatura pada ispod 0°C? (Pijesak ima mali specifični toplinski kapacitet, tako da se brzo zagrijava i hladi.)

    Čekićem su pogođeni komad olova i komad čelika iste mase isti broj jednom. Koji komad je postao topliji? Zašto? (Komad olova se više zagrijavao, jer je specifični toplinski kapacitet olova manji.)

    Zašto peći od željeza zagrijavaju prostoriju brže od peći od cigle, ali ne ostaju tople toliko dugo? (Specifični toplinski kapacitet bakra je manji od kapaciteta cigle.)

    Bakar i čelik iste mase dobivaju jednake količine topline. Koja težina će najviše promijeniti temperaturu? (Kod bakra, jer specifični toplotni kapacitet bakra je manji.)

    Što troši više energije: zagrijavanje vode ili grijanje aluminijske posude, ako su njihove mase iste? (Za grijanje vode, jer je specifični toplinski kapacitet vode veliki.)

    Kao što znate, željezo ima veći specifični toplinski kapacitet od bakra. Shodno tome, ubod napravljen od gvožđa imao bi veću zalihu unutrašnje energije od istog uboda od bakra, ako su njihove mase i temperature jednake. Zašto su, uprkos tome, vrhovi lemilice napravljeni od bakra? (Bakar ima visoku toplotnu provodljivost.)

    Poznato je da je toplotna provodljivost metala mnogo veća od toplotne provodljivosti stakla. Zašto su onda kalorimetri napravljeni od metala, a ne od stakla? (Metal ima visoku toplinsku provodljivost i nisku specifičnu toplinu, zbog čega se temperatura unutar kalorimetra brzo izjednačava, a malo topline se troši na zagrijavanje. Osim toga, zračenje metala je mnogo manje od zračenja stakla, što smanjuje gubitak topline.)

    Poznato je da rastresiti snijeg dobro štiti tlo od smrzavanja, jer sadrži puno zraka, koji je loš provodnik topline. Ali na kraju krajeva, čak i slojevi zraka graniče sa tlu koje nije prekriveno snijegom. Zašto se onda u ovom slučaju ne smrzava mnogo? (Vazduh, u dodiru sa zemljom koja nije pokrivena snegom, stalno se kreće, meša se. Ovaj pokretni zrak uklanja toplinu iz zemlje i povećava isparavanje vlage iz nje. Vazduh koji se nalazi između čestica snijega je neaktivan i, kao loš provodnik topline, štiti zemlju od smrzavanja.)

3. Rješenje računskih zadataka

Prva dva zadatka rješavaju visoko motivirani učenici na tabli uz kolektivnu diskusiju. Pronalazimo prave pristupe u zaključivanju i rješavanju problema.

Zadatak #1.

Prilikom zagrijavanja komada bakra od 20°C do 170°C, utrošeno je 140.000 J topline. Odrediti masu bakra.

Zadatak #2

Koliki je specifični toplotni kapacitet tečnosti ako je bilo potrebno 150.000 J da zagreje 2 litre tečnosti za 20°C. Gustoća tečnosti je 1,5 g/cm³

Učenici u parovima odgovaraju na sljedeća pitanja:

Zadatak broj 3.

Dvije bakrene kugle mase m o i 4m o zagrejan tako da obe kuglice dobiju istu količinu toplote. Istovremeno se velika lopta zagrijala za 5°C. Koliko se zagrijala lopta manje mase?

Zadatak broj 4.

Koliko toplote se oslobađa kada se 4 m³ leda ohladi sa 10°C na -40°C?

Zadatak broj 5.

U kom slučaju je potrebno zagrijati dvije tvari velika količina toplote, ako je zagrijavanje dvije tvari isto ∆ t 1 = ∆t 2 Prva tvar je cigla s masom od 2 kg i s = 880 J / kg ∙ ° C, a mesing - masa od 2 kg i s = 400 J / kg ∙ ° C

Zadatak broj 6.

Zagreva se čelična šipka mase 4 kg. U ovom slučaju potrošeno je 200.000 J toplote. Odredite konačnu tjelesnu temperaturu ako je početna temperatura t 0 = 10°C

Kada učenici sami rješavaju probleme, prirodno je da se postavljaju pitanja. O najčešće postavljanim pitanjima raspravlja se kolektivno. Na pitanja koja su privatne prirode daju se individualni odgovori.

    Refleksija. Postavljanje oznaka.

Učitelj: Dakle, momci, šta ste danas naučili na lekciji i šta ste novo naučili?

Uzorci odgovora učenika :

    Razradio vještine rješavanja kvalitativnih i računskih zadataka na temu "Proračun količine topline potrebne za zagrijavanje tijela i oslobađanja pri hlađenju."

    U praksi smo se uvjerili kako se predmeti kao što su fizika i matematika preklapaju i povezuju.

    Zadaća:

    Reši zadatke br. 1024, 1025 iz zbirke zadataka V.I. Lukashik, E.V. Ivanova.

    Samostalno osmislite problem za izračunavanje količine topline potrebne za zagrijavanje tijela ili koju ono oslobađa tijekom hlađenja.

Šta se brže zagreva na šporetu - čajnik ili kanta vode? Odgovor je očigledan - čajnik. Onda je drugo pitanje zašto?

Odgovor nije ništa manje očigledan - jer je masa vode u čajniku manja. Odlično. A sada možete učiniti najstvarnije fizičko iskustvo i sami kod kuće. Da biste to učinili, trebat će vam dvije identične male lonce, jednaka količina vode i biljno ulje, na primjer, pola litre i šporet. Stavite lonce sa uljem i vodom na istu vatru. A sada samo gledajte šta će se brže zagrejati. Ako postoji termometar za tečnosti, možete ga koristiti, ako ne, možete samo s vremena na vrijeme prstom probati temperaturu, samo pazite da se ne opečete. U svakom slučaju, uskoro ćete vidjeti da se ulje zagrijava znatno brže od vode. I još jedno pitanje, koje se također može implementirati u obliku iskustva. Šta brže ključa - topla voda ili hladna? Opet je sve očigledno - prvi će završiti onaj topli. Čemu sva ova čudna pitanja i eksperimenti? Da bi se odredila fizička veličina koja se zove "količina topline".

Količina toplote

Količina toplote je energija koju telo gubi ili dobija tokom prenosa toplote. To je jasno iz imena. Prilikom hlađenja tijelo će izgubiti određenu količinu topline, a kada se zagrije, apsorbiraće. I odgovori na naša pitanja su nam pokazali od čega zavisi količina toplote? Prvo, što je veća masa tijela, to je veća količina topline koja se mora potrošiti da se njegova temperatura promijeni za jedan stepen. Drugo, količina topline potrebna za zagrijavanje tijela ovisi o tvari od koje se sastoji, odnosno o vrsti tvari. I treće, razlika u tjelesnoj temperaturi prije i poslije prijenosa topline također je važna za naše proračune. Na osnovu prethodnog, možemo odrediti količinu topline po formuli:

gdje je Q količina toplote,
m - tjelesna težina,
(t_2-t_1) - razlika između početne i konačne tjelesne temperature,
c - specifični toplotni kapacitet supstance, nalazi se iz relevantnih tabela.

Koristeći ovu formulu, možete izračunati količinu topline koja je potrebna za zagrijavanje bilo kojeg tijela ili koju će ovo tijelo osloboditi kada se ohladi.

Količina topline se mjeri u džulima (1 J), kao i svaki drugi oblik energije. Međutim, ova vrijednost je uvedena ne tako davno, a ljudi su počeli mjeriti količinu topline mnogo ranije. I koristili su jedinicu koja se široko koristi u naše vrijeme - kaloriju (1 cal). 1 kalorija je količina toplote potrebna da se temperatura 1 grama vode podigne za 1 stepen Celzijusa. Rukovodeći se ovim podacima, ljubitelji brojanja kalorija u hrani koju jedu mogu, interesa radi, izračunati koliko litara vode može prokuhati sa energijom koju unose hranom u toku dana.

Unutrašnju energiju gasa u cilindru možete promeniti ne samo radom, već i zagrevanjem gasa (Sl. 43). Ako je klip fiksiran, tada se volumen plina neće promijeniti, ali će se temperatura, a time i unutrašnja energija, povećati.
Proces prijenosa energije s jednog tijela na drugo bez vršenja rada naziva se prijenos topline ili prijenos topline.

Energija koja se prenosi na tijelo kao rezultat prijenosa topline naziva se količina topline. Količina toplote se naziva i energija koju telo daje u procesu prenosa toplote.

Molekularna slika prijenosa topline. Prilikom razmjene topline na granici između tijela, sporo pokretni molekuli hladnog tijela stupaju u interakciju s molekulima koji se brže kreću vrućeg tijela. Kao rezultat, kinetičke energije molekula se izjednačavaju i brzine molekula hladnog tijela se povećavaju, dok se kod vrućeg tijela smanjuju.

U toku razmene toplote ne dolazi do pretvaranja energije iz jednog oblika u drugi: deo unutrašnje energije toplog tela se prenosi na hladno telo.

Količina topline i toplinski kapacitet. Iz predmeta fizike VII razreda poznato je da je za zagrijavanje tijela mase m sa temperature t 1 na temperaturu t 2 potrebno obavijestiti o količini toplote

Q \u003d cm (t 2 - t 1) \u003d cmΔt. (4.5)

Kada se tijelo ohladi, njegova vječna temperatura t 2 je manja od početne t 1 i količina topline koju tijelo daje negativna.
Koeficijent c u formuli (4.5) se zove specifična toplota. Specifični toplotni kapacitet je količina toplote koju 1 kg supstance prima ili odaje kada se njena temperatura promeni za 1 K.

Specifični toplotni kapacitet izražava se u džulima po kilogramu puta kelvina. Razna tijela za povećanje temperature za 1 K potrebna je nejednaka količina energije. Tako je specifični toplotni kapacitet vode 4190 J/(kg K), a bakra 380 J/(kg K).

Specifični toplinski kapacitet ovisi ne samo o svojstvima tvari, već io procesu kojim se odvija prijenos topline. Ako zagrijete plin pri konstantnom pritisku, on će se proširiti i obaviti rad. Da bi se gas zagrejao za 1°C pri konstantnom pritisku, moraće da prenese više toplote nego da ga zagreje pri konstantnoj zapremini.

Tečnosti i čvrste materije se blago šire kada se zagrevaju, a njihovi specifični toplotni kapaciteti pri konstantnoj zapremini i konstantnom pritisku se malo razlikuju.

Specifična toplota isparavanja. Da bi se tekućina pretvorila u paru, mora joj se prenijeti određena količina topline. Temperatura tečnosti se ne menja tokom ove transformacije. Transformacija tekućine u paru pri konstantnoj temperaturi ne dovodi do povećanja kinetičke energije molekula, već je praćena povećanjem njihove potencijalne energije. Na kraju krajeva, prosječna udaljenost između molekula plina je mnogo puta veća nego između molekula tekućine. Osim toga, povećanje volumena tijekom prijelaza tvari iz tečno stanje u gasovito zahtijeva rad koji treba obaviti protiv sila vanjskog pritiska.

Količina topline potrebna za pretvaranje 1 kg tekućine u paru pri konstantnoj temperaturi naziva se specifična toplota isparavanje. Ova vrijednost je označena slovom r i izražena u džulima po kilogramu.

Specifična toplota isparavanja vode je veoma visoka: 2.256 · 10 6 J/kg na 100°C. Za ostale tekućine (alkohol, etar, živa, kerozin itd.) specifična toplina isparavanja je 3-10 puta manja.

Za pretvaranje tekućine mase m u paru potrebna je količina topline jednaka:

Kada se para kondenzuje, oslobađa se ista količina toplote

Qk = –rm. (4.7)

Specifična toplota fuzije. Kada se kristalno tijelo topi, sva toplina dovedena u njega odlazi na povećanje potencijalne energije molekula. Kinetička energija molekula se ne mijenja, jer se topljenje događa na konstantnoj temperaturi.

Količina topline λ (lambda) potrebna da se 1 kg kristalne tvari na tački topljenja pretvori u tekućinu iste temperature naziva se specifična toplina fuzije.

Prilikom kristalizacije 1 kg supstance oslobađa se potpuno ista količina toplote. Specifična toplota topljenja leda je prilično visoka: 3,4 10 5 J/kg.

Da bi se istopila kristalno telo mase m, potrebna vam je količina topline jednaka:

Qpl \u003d λm. (4.8)

Količina toplote koja se oslobađa tokom kristalizacije tela jednaka je:

Q cr = - λm. (4.9)

1. Šta se zove količina toplote? 2. Šta određuje specifični toplotni kapacitet tvari? 3. Šta se zove specifična toplota isparavanja? 4. Šta se naziva specifičnom toplotom fuzije? 5. U kojim slučajevima je količina prenesene topline negativna?

Fokus našeg članka je količina topline. Razmotrićemo koncept unutrašnje energije, koja se transformiše kada se ova vrednost promeni. Također ćemo pokazati neke primjere primjene proračuna u ljudskoj aktivnosti.

Toplota

Sa bilo kojom rečju maternji jezik svaka osoba ima svoje asocijacije. Oni su definisani lično iskustvo i iracionalna osećanja. Šta se obično predstavlja riječju "toplina"? Mekano ćebe, zimi ispravna baterija za centralno grijanje, prva sunčeva svjetlost u proljeće, mačka. Ili majčin pogled, utešna reč prijatelja, pravovremena pažnja.

Fizičari pod ovim podrazumijevaju vrlo specifičan pojam. I veoma važno, posebno u nekim dijelovima ove složene, ali fascinantne nauke.

Termodinamika

Ne vrijedi razmatrati količinu topline odvojeno od najjednostavnijih procesa na kojima se temelji zakon održanja energije - ništa neće biti jasno. Stoga, za početak, podsjećamo naše čitatelje.

Termodinamika svaku stvar ili predmet smatra kombinacijom vrlo veliki broj elementarni dijelovi - atomi, joni, molekuli. Njegove jednačine opisuju svaku promjenu kolektivna država sistema u cjelini i kao dio cjeline pri promjeni makro parametara. Potonji se podrazumijevaju kao temperatura (označena kao T), pritisak (P), koncentracija komponenti (obično C).

Unutrašnja energija

Unutrašnja energija je prilično komplikovan pojam, čije značenje treba razumjeti prije nego što govorimo o količini topline. Označava energiju koja se mijenja s povećanjem ili smanjenjem vrijednosti makro parametara objekta i ne ovisi o referentnom sistemu. To je dio ukupne energije. Poklapa se s njim u uslovima kada centar mase predmeta koji se proučava miruje (tj. nema kinetičke komponente).

Kada osoba osjeti da se neki predmet (recimo, bicikl) zagrijao ili ohladio, to pokazuje da su svi molekuli i atomi koji čine ovaj sistem doživjela promjenu unutrašnje energije. Međutim, konstantnost temperature ne znači očuvanje ovog pokazatelja.

Rad i toplina

Unutrašnja energija svakog termodinamičkog sistema može se transformisati na dva načina:

  • radeći na tome;
  • tokom razmene toplote sa okolinom.

Formula za ovaj proces izgleda ovako:

dU=Q-A, gdje je U unutrašnja energija, Q je toplina, A je rad.

Neka čitaoca ne zavara jednostavnost izraza. Permutacija pokazuje da je Q=dU+A, ali uvođenje entropije (S) dovodi formulu do oblika dQ=dSxT.

Budući da u ovom slučaju jednačina ima oblik diferencijalne jednadžbe, prvi izraz zahtijeva isto. Nadalje, ovisno o silama koje djeluju u objektu koji se proučava i parametru koji se izračunava, izvodi se potreban omjer.

Uzmimo metalnu kuglu kao primjer termodinamičkog sistema. Ako izvršite pritisak na njega, izbacite ga, bacite u dubok bunar, onda to znači da radite na njemu. Izvana, sve ove bezopasne radnje neće uzrokovati nikakvu štetu lopti, ali će se njena unutrašnja energija promijeniti, iako vrlo malo.

Drugi način je prijenos topline. Sada dolazimo do glavnog cilja ovog članka: opisa kolika je količina topline. To je takva promjena unutrašnje energije termodinamičkog sistema koja se javlja tokom prijenosa topline (vidi gornju formulu). Mjeri se u džulima ili kalorijama. Očigledno, ako se lopta drži iznad upaljača, na suncu ili samo unutra topla ruka onda će se zagrejati. A onda, promjenom temperature, možete pronaći količinu topline koja mu je prenesena u isto vrijeme.

Zašto je plin najbolji primjer promjene unutrašnje energije i zašto učenici ne vole fiziku zbog toga

Gore smo opisali promjene termodinamičkih parametara metalne kugle. Oni nisu jako uočljivi bez posebnih uređaja, a čitaocu je prepušteno da popriča o procesima koji se dešavaju sa objektom. Druga stvar je ako je sistem gas. Pritisnite ga - bit će vidljivo, zagrijte ga - pritisak će porasti, spustite ga ispod zemlje - i to se lako može popraviti. Stoga se u udžbenicima plin najčešće uzima kao vizualni termodinamički sistem.

Ali, nažalost, u savremeno obrazovanje ne poklanja se mnogo pažnje pravim eksperimentima. naučnik koji piše Toolkit On savršeno razumije šta je u pitanju. Čini mu se da će na primjeru molekula plina svi termodinamički parametri biti adekvatno prikazani. Ali studentu koji tek otkriva ovaj svijet, dosadno je slušati o idealnoj tikvici s teoretskim klipom. Da škola ima prave istraživačke laboratorije i posebne sate za rad u njima, sve bi bilo drugačije. Za sada su, nažalost, eksperimenti samo na papiru. I, najvjerovatnije, to je ono zbog čega ljudi vjeruju ovaj odeljak fizika nešto čisto teorijsko, daleko od života i nepotrebno.

Stoga smo odlučili da kao primjer navedemo već spomenuti bicikl. Osoba pritisne pedale - radi na njima. Osim što prenosi obrtni moment na cijeli mehanizam (zbog čega se bicikl kreće u prostoru), mijenja se i unutrašnja energija materijala od kojih su poluge napravljene. Biciklista gura ručke da bi se okrenuo i ponovo obavlja posao.

Povećava se unutrašnja energija vanjskog premaza (plastike ili metala). Osoba ide na čistinu pod jarkim suncem - bicikl se zagrijava, njegova količina topline se mijenja. Zaustavlja se da se odmori u hladu starog hrasta i sistem se hladi, trošeći kalorije ili džule. Povećava brzinu - povećava razmjenu energije. Međutim, proračun količine topline u svim ovim slučajevima pokazat će vrlo malu, neprimjetnu vrijednost. Stoga se čini da su manifestacije termodinamičke fizike u pravi zivot br.

Primjena proračuna za promjene količine topline

Vjerovatno će čitatelj reći da je sve ovo vrlo informativno, ali zašto nas u školi tako muče ovim formulama. A sada ćemo dati primjere u kojim su područjima ljudske aktivnosti direktno potrebni i kako se to odnosi na svakoga u njegovom svakodnevnom životu.

Za početak, osvrnite se oko sebe i prebrojite: koliko metalnih predmeta vas okružuje? Vjerovatno više od deset. Ali prije nego što postane spajalica, vagon, prsten ili fleš disk, bilo koji metal se istopi. Svaka fabrika koja prerađuje, recimo, željeznu rudu mora razumjeti koliko je goriva potrebno da bi se optimizirali troškovi. A kada se to izračuna, potrebno je znati toplinski kapacitet sirovine koja sadrži metal i količinu topline koja joj se mora prenijeti kako bi svi tehnološkim procesima. Budući da se energija koju oslobađa jedinica goriva izračunava u džulima ili kalorijama, formule su potrebne direktno.

Ili drugi primjer: većina supermarketa ima odjel sa smrznutom robom - ribom, mesom, voćem. Kada se sirovine iz životinjskog mesa ili morskih plodova pretvaraju u poluproizvode, moraju znati koliko električne energije će rashladni i zamrzivački uređaji potrošiti po toni ili jedinici gotovog proizvoda. Da biste to učinili, izračunajte koliko topline izgubi kilogram jagoda ili lignji kada se ohladi za jedan stepen Celzijusa. I na kraju, ovo će pokazati koliko će struje potrošiti zamrzivač određenog kapaciteta.

Avioni, brodovi, vozovi

Iznad smo prikazali primjere relativno nepokretnih, statičnih objekata koji su informirani ili im se, naprotiv, oduzima određena količina topline. Za objekte koji se kreću u procesu rada u uslovima stalno promenljive temperature, proračuni količine toplote su važni iz još jednog razloga.

Postoji nešto kao "umor metala". Uključuje i maksimalna dozvoljena opterećenja pri određenoj brzini promjene temperature. Zamislite avion koji polijeće iz vlažnih tropskih krajeva u zaleđenu gornju atmosferu. Inženjeri se moraju potruditi da se ne raspadne zbog pukotina u metalu koje nastaju pri promjeni temperature. Oni traže sastav legure koji može izdržati realna opterećenja i koji će imati veliku marginu sigurnosti. A kako ne biste tražili slijepo, nadajući se da ćete slučajno naići na željeni sastav, morate napraviti mnogo kalkulacija, uključujući i one koje uključuju promjene u količini topline.

1. Promjenu unutrašnje energije vršenjem rada karakteriše količina rada, tj. rad je mjera promjene unutrašnje energije u ovaj proces. Promenu unutrašnje energije tela tokom prenosa toplote karakteriše vrednost tzv količinu toplote.

Količina toplote je promena unutrašnje energije tela u procesu prenosa toplote bez vršenja rada.

Količina toplote je označena slovom ​ \ (Q \). Pošto je količina toplote mjera promjene unutrašnje energije, njena jedinica je džul (1 J).

Kada tijelo prenese određenu količinu topline bez obavljanja rada, njegova unutrašnja energija se povećava, ako tijelo odaje određenu količinu topline, tada se njegova unutrašnja energija smanjuje.

2. Ako u dvije identične posude sipate 100 g vode, a u drugu na istoj temperaturi 400 g vode i stavite ih na iste gorionike, tada će voda u prvoj posudi ranije proključati. Dakle, što je veća masa tijela, to mu je potrebna veća količina topline da se zagrije. Isto je i sa hlađenjem: tijelo veće mase, kada se ohladi, daje veću količinu toplote. Ova tela su napravljena od iste supstance i zagrevaju se ili hlade za isti broj stepeni.

​3. Ako sada zagrijemo 100 g vode od 30 do 60 °C, tj. za 30 °S, a zatim do 100 °S, tj. za 70 °C, tada će u prvom slučaju grijanje trajati kraće nego u drugom, i, shodno tome, manje topline će se potrošiti na zagrijavanje vode za 30 °C nego na zagrijavanje vode za 70 °C. Dakle, količina topline je direktno proporcionalna razlici između konačne ​\((t_2\,^\circ C) \) i početne \((t_1\,^\circ C) \) temperature: ​\(Q \sim(t_2- t_1) \) .

4. Ako se sada u jednu posudu ulije 100 g vode, a u drugu sličnu posudu ulije malo vode i u nju se stavi metalno tijelo tako da njegova masa i masa vode budu 100 g, a posude se zagriju na identičnoj pločice, onda se može vidjeti da će u posudi koja sadrži samo vodu imati nižu temperaturu od one koja sadrži vodu i metalno tijelo. Dakle, da bi temperatura sadržaja u obe posude bila ista, mora se veća količina toplote preneti na vodu nego na vodu i metalno telo. Dakle, količina topline potrebna za zagrijavanje tijela ovisi o vrsti tvari od koje je ovo tijelo napravljeno.

5. Karakterizira ovisnost količine topline potrebne za zagrijavanje tijela o vrsti tvari fizička količina pozvao specifični toplotni kapacitet supstance.

Fizička veličina jednaka količini topline koja se mora prijaviti 1 kg tvari da bi se zagrijala za 1 °C (ili 1 K) naziva se specifična toplina tvari.

Istu količinu toplote daje 1 kg supstance kada se ohladi za 1 °C.

Specifični toplotni kapacitet se označava slovom ​ \ (c \). Jedinica specifičnog toplotnog kapaciteta je 1 J/kg °C ili 1 J/kg K.

Vrijednosti specifičnog toplinskog kapaciteta tvari određuju se eksperimentalno. Tečnosti imaju veći specifični toplotni kapacitet od metala; Voda ima najveći specifični toplotni kapacitet, zlato ima vrlo mali specifični toplotni kapacitet.

Specifični toplotni kapacitet olova je 140 J/kg °C. To znači da je za zagrijavanje 1 kg olova za 1 °C potrebno potrošiti toplinu od 140 J. Ista količina toplote će se osloboditi kada se 1 kg vode ohladi za 1 °C.

Budući da je količina topline jednaka promjeni unutrašnje energije tijela, možemo reći da specifični toplinski kapacitet pokazuje koliko se mijenja unutrašnja energija 1 kg tvari kada se njena temperatura promijeni za 1 °C. Konkretno, unutrašnja energija 1 kg olova, kada se zagrije za 1 °C, povećava se za 140 J, a kada se ohladi, smanjuje se za 140 J.

Količina topline ​\(Q \) ​potrebna da se tijelo mase ​\(m \) ​ sa temperature \((t_1\,^\circ C) \) zagrije na temperaturu \((t_2\, ^\circ C) \) , jednak je proizvodu specifične toplote supstance, telesne mase i razlike između konačne i početne temperature, tj.

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

Ista formula se koristi za izračunavanje količine toplote koju tijelo odaje kada se ohladi. Samo u tom slučaju konačnu temperaturu treba oduzeti od početne temperature, tj. Oduzmite manju temperaturu od veće temperature.

6. Primjer rješenja problema. Čaša koja sadrži 200 g vode temperature 80°C prelije se sa 100 g vode temperature 20°C. Nakon toga je u posudi uspostavljena temperatura od 60 °C. Koliko toplote prima hladna voda, a odaje topla voda?

Prilikom rješavanja problema morate izvršiti sljedeći niz radnji:

  1. ukratko zapišite stanje problema;
  2. pretvaranje vrijednosti veličina u SI;
  3. analizirati problem, utvrditi koja tijela učestvuju u razmjeni toplote, koja tijela daju energiju, a koja je primaju;
  4. riješiti problem u opšti pogled;
  5. izvršiti proračune;
  6. analizirati primljeni odgovor.

1. Zadatak.

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

​\(Q_1 \)​ — ? ​\(Q_2 \)​ — ?
​ \ (c_1 \) ​ \u003d 4200 J / kg ° S

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

3. Analiza zadataka. Problem opisuje proces razmjene topline između vruće i hladnom vodom. Vruća voda odaje količinu topline ​\(Q_1 \) ​ i hladi se sa temperature ​\(t_1 \) ​ na temperaturu ​\(t \) . Hladna voda prima količinu toplote ​\(Q_2 \) ​ i zagreva se sa temperature ​\(t_2 \) ​ na temperaturu ​\(t \) ​.

4. Rješenje problema u opštem obliku. Količina toplote koju daje topla voda izračunava se po formuli: ​\(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) .

Količina toplote koju prima hladna voda izračunava se po formuli: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) .

5. Računarstvo.
​ \ (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. U odgovoru se dobija da je količina toplote koju daje topla voda jednaka količini toplote koju prima hladna voda. U ovom slučaju je razmatrana idealizirana situacija i nije uzeto u obzir da je određena količina topline korištena za zagrijavanje stakla u kojem se nalazila voda i okolnog zraka. U stvarnosti, količina toplote koju daje topla voda je veća od količine toplote koju prima hladna voda.

Dio 1

1. Specifični toplotni kapacitet srebra je 250 J/(kg °C). Šta to znači?

1) pri hlađenju 1 kg srebra na 250 ° C oslobađa se količina toplote od 1 J
2) pri hlađenju 250 kg srebra na 1 °C oslobađa se količina toplote od 1 J
3) kada se 250 kg srebra ohladi za 1 °C, apsorbuje se količina toplote od 1 J
4) kada se 1 kg srebra ohladi za 1 °C, oslobađa se količina toplote od 250 J

2. Specifični toplotni kapacitet cinka je 400 J/(kg °C). To znači da

1) kada se 1 kg cinka zagrije na 400 °C, njegova unutrašnja energija se povećava za 1 J
2) kada se 400 kg cinka zagrije za 1 °C, njegova unutrašnja energija raste za 1 J
3) za zagrijavanje 400 kg cinka za 1 °C potrebno je potrošiti 1 J energije
4) kada se 1 kg cinka zagrije za 1 °C, njegova unutrašnja energija se povećava za 400 J

3. Prilikom prenosa čvrsto telo masa ​\(m \) ​\(Q \) ​tjelesna temperatura se povećala za ​\(\Delta t^\circ \) . Koji od sljedećih izraza određuje specifični toplinski kapacitet tvari ovog tijela?

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. Na slici je prikazan grafik količine topline potrebne za zagrijavanje dva tijela (1 i 2) iste mase na temperaturi. Uporedite vrijednosti specifičnog toplotnog kapaciteta (​\(c_1 \) ​ i ​\(c_2 \) ) tvari od kojih su napravljena ova tijela.

1) ​\(c_1=c_2 \)​
2) ​\(c_1>c_2 \)​
3) \(c_1 4) odgovor zavisi od vrednosti mase tela

5. Dijagram prikazuje vrijednosti količine topline koja se prenosi na dva tijela jednake mase kada se njihova temperatura promijeni za isti broj stupnjeva. Koji je odnos specifičnih toplotnih kapaciteta materija od kojih su napravljena tela tačan?

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

6. Na slici je prikazan graf zavisnosti temperature čvrstog tela od količine toplote koju ono daje. Težina tijela 4 kg. Koliki je specifični toplotni kapacitet tvari ovog tijela?

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

7. Kada se zagrije kristalna tvar težine 100 g, mjerena je temperatura tvari i količina topline koja je prenesena na tvar. Podaci mjerenja prikazani su u obliku tabele. Uz pretpostavku da se gubici energije mogu zanemariti, odredite specifični toplinski kapacitet tvari u čvrstom stanju.

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

8. Da bi se 192 g molibdena zagrejalo za 1 K, potrebno je na njega preneti količinu toplote od 48 J. Koliki je specifični toplotni kapacitet ove supstance?

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

9. Koliko je toplote potrebno da se 100 g olova zagreje sa 27 na 47 °C?

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

10. Za zagrijavanje cigle od 20 do 85 °C potrošena je ista količina topline kao i za zagrijavanje vode iste mase za 13 °C. Specifični toplotni kapacitet cigle je

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

11. Sa donje liste tvrdnji odaberite dvije ispravne tvrdnje i upišite njihove brojeve u tabelu.

1) Količina toplote koju telo primi kada mu temperatura poraste za određeni broj stepeni jednaka je količini toplote koju to telo odaje kada mu temperatura padne za isti broj stepeni.
2) Kada se supstanca ohladi, njena unutrašnja energija se povećava.
3) Količina topline koju supstanca prima kada se zagrije uglavnom ide na povećanje kinetičke energije njenih molekula.
4) Količina topline koju supstanca prima kada se zagrije uglavnom ide na povećanje potencijalne energije interakcije njenih molekula
5) Unutrašnja energija tela može se promeniti samo davanjem određene količine toplote

12. U tabeli su prikazani rezultati mjerenja mase ​\(m \) ​, temperaturnih promjena ​\(\Delta t \) ​ i količine toplote ​\(Q \) ​ oslobođene pri hlađenju cilindara od bakra ili aluminijum.

Koje izjave su u skladu s rezultatima eksperimenta? Odaberite tačna dva sa ponuđene liste. Navedite njihov broj. Na osnovu izvršenih merenja može se tvrditi da je količina toplote koja se oslobađa tokom hlađenja,

1) zavisi od supstance od koje je cilindar napravljen.
2) ne zavisi od supstance od koje je cilindar napravljen.
3) raste sa povećanjem mase cilindra.
4) raste sa povećanjem temperaturne razlike.
5) specifični toplotni kapacitet aluminijuma je 4 puta veći od specifičnog toplotnog kapaciteta kalaja.

Dio 2

C1.Čvrsto tijelo težine 2 kg stavlja se u peć od 2 kW i zagrijava. Na slici je prikazana ovisnost temperature ​\(t \) ​ ovog tijela o vremenu zagrijavanja ​\(\tau \) . Koliki je specifični toplotni kapacitet neke supstance?

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

Odgovori

Podijeli: