Formula za količinu topline. Rješavanje zadataka za izračunavanje količine topline potrebne za zagrijavanje tijela ili koju ono oslobađa pri hlađenju

Okvirni plan

otvorena lekcija fizike u 8 „E“ razredu

MOU gimnazija broj 77, o. Toljati

profesori fizike

Ivanova Marija Konstantinovna

Tema lekcije:

Rješavanje zadataka za izračunavanje količine topline potrebne za zagrijavanje tijela ili koju ono oslobađa pri hlađenju.

Datum:

Svrha lekcije:

    razviti praktične vještine u izračunavanju količine topline potrebne za zagrijavanje, a koja se oslobađa tijekom hlađenja;

    razvijati vještine brojanja, poboljšavati logičke vještine u analizi zapleta problema, rješavanju kvalitativnih i računskih problema;

    njegovati sposobnost rada u paru, uvažavati mišljenje protivnika i braniti svoje stajalište, biti oprezan pri rješavanju zadataka iz fizike.

Oprema za nastavu:

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

Vrsta lekcije:

    rješavanje problema.

“Stavi svoj prst u plamen šibice i doživjet ćeš osjećaj kakav nije jednak ni na nebu ni na zemlji; međutim, sve što se dogodilo jednostavno je rezultat sudara molekula.

J. Wheeler

Tijekom nastave:

    Organiziranje vremena

    Pozdrav studentima.

    Provjera odsutnih učenika.

    Predstavljanje teme i ciljeva lekcije.

    Provjera domaće zadaće.

1.Frontalno ispitivanje

    Koliki je specifični toplinski kapacitet tvari? (Slajd #1)

    Koja je jedinica specifičnog toplinskog kapaciteta tvari?

    Zašto se vodene površine sporo smrzavaju? Zašto led dugo ne napušta rijeke, a posebno jezera, iako je vrijeme dugo toplo?

    Zašto na Obala Crnog mora Kavkaz je čak i zimi dovoljno topao?

    Zašto se mnogi metali značajno ohlade? brže od vode? (Slajd #2)

2. Individualna anketa (kartice s višerazinskim zadacima za nekoliko učenika)

    Istraživanje nove teme.

1. Ponavljanje pojma količine topline.

Količina topline- kvantitativna mjera promjene unutarnje energije tijekom prijenosa topline.

Količina topline koju tijelo apsorbira smatra se pozitivnom, a količina oslobođene topline negativnom. Izraz "tijelo ima određenu količinu topline" ili "tijelo sadrži (pohranjuje) određenu količinu topline" nema smisla. Količina topline može se primiti ili predati u bilo kojem procesu, ali se ne može posjedovati.

Tijekom izmjene topline na granici između tijela sporo pokretne molekule hladnog tijela međusobno djeluju s brzo pokretnim molekulama vrućeg tijela. Zbog toga se kinetičke energije molekula izjednačuju i brzine molekula hladnog tijela se povećavaju, a vrućeg tijela smanjuju.

Tijekom izmjene topline ne dolazi do pretvorbe energije iz jednog oblika u drugi, dio unutarnje energije vrućeg tijela prenosi se na hladno tijelo.

2. Formula za količinu topline.

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

Doznajemo da količina topline koju tijelo preda ili primi ovisi o početna temperatura tijelo, njegovu masu i njegov specifični toplinski kapacitet.

U praksi se često koriste toplinski proračuni. Na primjer, pri izgradnji zgrada potrebno je voditi računa o tome koliko topline cijeli sustav grijanja treba dati zgradi. Također treba znati koliko će topline otići u okolni prostor kroz prozore, zidove, vrata.

3 . Ovisnost količine topline o raznim veličinama . (Slajdovi #3, #4, #5, #6)

4 . Određena toplina (Slajd broj 7)

5. Mjerne jedinice za količinu topline (Slajd broj 8)

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

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

Također saznajemo da ako dolazi do izmjene topline između tijela, tada se unutarnja energija svih grijaćih tijela povećava za onoliko koliko se smanjuje unutarnja energija tijela koja se hlade. Za to koristimo primjer riješenog zadatka iz § 9 udžbenika.

Dinamička pauza.

IV. Konsolidacija proučavanog materijala.

1. Pitanja za samokontrolu (Slajd broj 9)

2. Rješavanje problema kvalitete:

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

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

    Zašto željezne peći zagrijavaju prostoriju brže od peći od opeke, ali ne ostaju tople tako dugo? (Specifični toplinski kapacitet bakra je manji nego kod opeke.)

    Bakreni i čelični utezi iste mase dobivaju jednake količine topline. Koji uteg će najviše promijeniti temperaturu? (Kod bakra, jer specifični toplinski kapacitet bakra je manji.)

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

    Kao što znate, željezo ima veći specifični toplinski kapacitet od bakra. Prema tome, žalac izrađen od željeza imao bi veću zalihu unutarnje energije od istog žalca izrađenog od bakra, ako su im mase i temperature jednake. Zašto su, unatoč tome, vrhovi lemilice izrađeni od bakra? (Bakar ima visoku toplinsku vodljivost.)

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

    Poznato je da rahli snijeg dobro štiti tlo od smrzavanja, jer sadrži mnogo zraka, koji je slab vodič topline. Ali na kraju krajeva, čak i slojevi zraka graniče s tlom koje nije prekriveno snijegom. Zašto se onda u ovom slučaju ne smrzava puno? (Zrak je u dodiru s tlom koje nije prekriveno snijegom stalno u pokretu, miješan. Ovaj pokretni zrak oduzima toplinu zemlji i povećava isparavanje vlage iz nje. Zrak koji se nalazi između čestica snijega je neaktivan i kao loš vodič topline štiti zemlju od smrzavanja.)

3. Rješenje računskih zadataka

Prva dva zadatka rješavaju visoko motivirani učenici za pločom uz kolektivnu raspravu. Pronalazimo prave pristupe u promišljanju i rješavanju problema.

Zadatak #1.

Pri zagrijavanju komada bakra od 20°C do 170°C potrošeno je 140 000 J topline. Odredite masu bakra.

Zadatak #2

Koliki je specifični toplinski kapacitet tekućine ako je bilo potrebno 150 000 J da se 2 litre zagriju na 20 °C. Gustoća tekućine je 1,5 g / cm³

Učenici u parovima odgovaraju na sljedeća pitanja:

Zadatak broj 3.

Dvije bakrene kuglice mase m o i 4m o zagrijana tako da obje kuglice dobiju jednaku količinu topline. Pritom se velika kugla zagrijala za 5° C. Koliko se zagrijala kugla manje mase?

Zadatak broj 4.

Koliko se topline oslobodi kada se 4 m³ leda ohladi s 10°C na -40°C?

Zadatak broj 5.

U kojem slučaju je potrebno zagrijavati dvije tvari velika količina topline, ako je zagrijavanje dviju tvari jednako ∆ t 1 = ∆t 2 Prva tvar je cigla mase 2 kg i s = 880 J / kg ∙ ° C, a mjed - mase 2 kg i s \u003d 400 J / kg ∙ ° C

Zadatak broj 6.

Čelična šipka mase 4 kg se zagrijava. U ovom slučaju potrošeno je 200 000 J topline. Odredite konačnu temperaturu tijela ako je početna temperatura t 0 = 10°C

Kada učenici sami rješavaju probleme, prirodno je da se pojave pitanja. Zajednički se raspravlja o najčešće postavljanim pitanjima. Na pitanja koja su privatne naravi daju se individualni odgovori.

    Odraz. Stavljanje oznaka.

Učitelj, nastavnik, profesor: Dakle, dečki, što ste danas naučili na lekciji i što ste naučili novo?

Primjeri odgovora učenika :

    Razradio vještine rješavanja kvalitativnih i računskih problema na temu "Izračun količine topline potrebne za zagrijavanje tijela koja se oslobađa pri hlađenju."

    Kako se predmeti poput fizike i matematike preklapaju i povezuju uvjerili smo se u praksi.

    Domaća zadaća:

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

    Samostalno osmisliti zadatak za izračunavanje količine topline potrebne za zagrijavanje tijela ili koju ono oslobađa pri hlađenju.

Što se brže zagrijava na štednjaku - čajnik ili kanta vode? Odgovor je očit - kuhalo za vodu. Onda je drugo pitanje zašto?

Odgovor nije ništa manje očit - jer je masa vode u kotliću manja. Izvrsno. A sada možete doživjeti najpravije fizičko iskustvo sami kod kuće. Da biste to učinili, trebat će vam dvije identične male posude, jednaka količina vode i biljno ulje, na primjer, pola litre i štednjak. Na istu vatru stavite posude s uljem i vodom. A sad samo gledajte što će se brže zagrijati. Ako postoji toplomjer za tekućine, možete ga koristiti, ako nema, možete samo s vremena na vrijeme probati temperaturu prstom, samo pazite da se ne opečete. U svakom slučaju, ubrzo ćete vidjeti da se ulje zagrijava znatno brže od vode. I još jedno pitanje, koje se također može implementirati u obliku iskustva. Što brže prokuha - topla ili hladna voda? Opet je sve očito – prvi će završiti onaj topli. Čemu sva ta čudna pitanja i eksperimenti? Da bi se odredila fizikalna veličina koja se naziva "količina topline".

Količina topline

Količina topline je energija koju tijelo gubi ili dobiva tijekom prijenosa topline. To je jasno iz naziva. Hlađenjem će tijelo izgubiti određenu količinu topline, a zagrijavanjem će je apsorbirati. A odgovori na naša pitanja pokazali su nam o čemu ovisi količina topline? Prvo, što je veća masa tijela, veća je količina topline koja se mora utrošiti da bi se njegova temperatura promijenila za jedan stupanj. Drugo, količina topline potrebna za zagrijavanje tijela ovisi o tvari od koje je ono sastavljeno, odnosno o vrsti tvari. I treće, razlika u tjelesnoj temperaturi prije i poslije prijenosa topline također je važna za naše izračune. Na temelju navedenog možemo odredite količinu topline prema formuli:

gdje je Q količina topline,
m - tjelesna težina,
(t_2-t_1) - razlika između početne i konačne temperature tijela,
c - specifični toplinski kapacitet tvari, nalazi se iz odgovarajućih tablica.

Pomoću ove formule možete izračunati količinu topline koja je potrebna za zagrijavanje bilo kojeg tijela ili koju će to 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 naširoko koristi u naše vrijeme - kaloriju (1 cal). 1 kalorija je količina topline potrebna da se temperatura 1 grama vode povisi za 1 stupanj Celzija. Vodeći se ovim podacima, ljubitelji brojanja kalorija u hrani koju jedu mogu, zanimljivosti radi, izračunati koliko litara vode mogu prokuhati s energijom koju unesu hranom tijekom dana.

Unutarnju energiju plina u cilindru možete mijenjati ne samo radom, već i zagrijavanjem plina (slika 43). Ako je klip nepomičan, tada se volumen plina neće promijeniti, ali će se temperatura, a time i unutarnja 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 topline naziva se i energija koju tijelo predaje u procesu prijenosa topline.

Molekularna slika prijenosa topline. Tijekom izmjene topline na granici između tijela sporo pokretne molekule hladnog tijela međusobno djeluju s brže pokretnim molekulama vrućeg tijela. Zbog toga se kinetičke energije molekula izjednačuju i brzine molekula hladnog tijela se povećavaju, a vrućeg tijela smanjuju.

Tijekom izmjene topline ne dolazi do pretvorbe energije iz jednog oblika u drugi: dio unutarnje energije vrućeg tijela prenosi se na hladno tijelo.

Količina topline i toplinski kapacitet. Iz kolegija fizike VII razreda poznato je da je za zagrijavanje tijela mase m od temperature t 1 do temperature t 2 potrebno mu priopćiti količinu topline.

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

Kada se tijelo hladi, njegova vječna temperatura t 2 manja je od početne t 1 i količina topline koju tijelo preda je negativna.
Koeficijent c u formuli (4.5) naziva se određena toplina. Specifični toplinski kapacitet je količina topline koju 1 kg tvari primi ili preda kada se njezina temperatura promijeni za 1 K.

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

Specifični toplinski kapacitet ne ovisi samo o svojstvima tvari, već i o procesu prijenosa topline. Ako zagrijavate plin pri konstantnom tlaku, on će se širiti i raditi. Da bi se plin zagrijao za 1°C pri konstantnom tlaku, trebat će mu prenijeti više topline nego da bi se zagrijao pri konstantnom volumenu.

Tekućine i krutine lagano se šire zagrijavanjem, a njihovi specifični toplinski kapaciteti pri stalnom volumenu i stalnom tlaku malo se razlikuju.

Specifična toplina isparavanja. Da bi se tekućina pretvorila u paru, potrebno joj je predati određenu količinu topline. Temperatura tekućine se ne mijenja tijekom ove transformacije. Transformacija tekućine u paru pri konstantnoj temperaturi ne dovodi do povećanja kinetičke energije molekula, ali je popraćena povećanjem njihove potencijalne energije. Uostalom, prosječna udaljenost između molekula plina mnogo je puta veća nego između molekula tekućine. Osim toga, povećanje volumena tijekom prijelaza tvari iz tekuće stanje u plinovito stanje zahtijeva rad protiv sila vanjskog tlaka.

Količina topline potrebna da se 1 kg tekućine pretvori u paru pri stalnoj temperaturi naziva se određena toplina isparavanje. Ova vrijednost je označena slovom r i izražena u džulima po kilogramu.

Specifična toplina isparavanja vode je vrlo visoka: 2,256 · 10 6 J/kg na 100°C. Za ostale tekućine (alkohol, eter, 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 kondenzira, oslobađa se ista količina topline

Q k = –rm. (4.7)

Specifična toplina taljenja. Kada se kristalno tijelo topi, sva toplina koja mu se dovodi odlazi na povećanje potencijalne energije molekula. Kinetička energija molekula se ne mijenja, budući da se taljenje događa pri konstantnoj temperaturi.

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

Pri kristalizaciji 1 kg tvari oslobađa se točno toliko topline. Specifična toplina topljenja leda je prilično visoka: 3,4 10 5 J/kg.

Kako bi se otopio kristalno tijelo mase m, potrebna vam je količina topline jednaka:

Qpl \u003d λm. (4.8)

Količina topline koja se oslobađa tijekom kristalizacije tijela jednaka je:

Q cr = - λm. (4.9)

1. Kako se naziva količina topline? 2. Što određuje specifični toplinski kapacitet tvari? 3. Što se naziva specifičnom toplinom isparavanja? 4. Što se zove specifična toplina taljenja? 5. U kojim slučajevima je količina prenesene topline negativna?

Fokus našeg članka je količina topline. Razmotrit ćemo koncept unutarnje energije, koja se transformira kada se ova vrijednost promijeni. Pokazat ćemo i neke primjere primjene izračuna u ljudskoj djelatnosti.

Toplina

Bilo kojom riječju materinji jezik svaka osoba ima svoje asocijacije. Oni su definirani osobno iskustvo i iracionalnih osjećaja. Što se obično predstavlja riječju "toplina"? Mekana dekica, zimi ispravna baterija za centralno grijanje, prva sunčeva svjetlost u proljeće, mačka. Ili majčin pogled, utješna riječ prijatelja, pravovremena pažnja.

Fizičari pod tim podrazumijevaju vrlo specifičan pojam. I vrlo važno, pogotovo u nekim dijelovima ove složene, ali fascinantne znanosti.

Termodinamika

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

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

Unutarnja energija

Unutarnja energija je prilično kompliciran 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 sustavu. To je dio ukupne energije. Poklapa se s njim u uvjetima kada centar mase predmeta koji se proučava miruje (to jest, nema kinetičke komponente).

Kada osoba osjeti da se neki predmet (recimo, bicikl) zagrijao ili ohladio, to pokazuje da su sve molekule i atomi koji čine ovaj sustav doživio promjenu unutarnje energije. Međutim, postojanost temperature ne znači očuvanje ovog pokazatelja.

Rad i toplina

Unutarnja energija bilo kojeg termodinamičkog sustava može se transformirati na dva načina:

  • radeći na njemu;
  • tijekom izmjene topline s okolinom.

Formula za ovaj proces izgleda ovako:

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

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

Budući da u ovom slučaju jednadžba 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 sustava. Ako ga pritisnete, bacite uvis, bacite u duboki bunar, onda to znači raditi na njemu. Izvana, sve te bezopasne radnje neće uzrokovati nikakvu štetu lopti, ali će se njezina unutarnja energija promijeniti, iako vrlo malo.

Drugi način je prijenos topline. Sada dolazimo do glavnog cilja ovog članka: opisa što je količina topline. To je takva promjena unutarnje energije termodinamičkog sustava koja se događa tijekom prijenosa topline (vidi gornju formulu). Mjeri se u džulima ili kalorijama. Očito, ako se lopta drži iznad upaljača, na suncu ili samo unutra topla ruka tada će se zagrijati. A zatim, promjenom temperature, možete pronaći količinu topline koja mu je priopćena u isto vrijeme.

Zašto je plin najbolji primjer promjene unutarnje energije i zašto učenici zbog njega ne vole fiziku

Gore smo opisali promjene u termodinamičkim parametrima metalne kuglice. Oni su bez posebnih uređaja slabo uočljivi, a čitatelju preostaje da popriča o procesima koji se odvijaju s predmetom. Druga stvar je ako je sustav plin. Pritisnite ga - vidjet će se, zagrijte ga - tlak će porasti, spustite ga ispod zemlje - i to se lako može popraviti. Stoga se u udžbenicima kao vizualni termodinamički sustav najčešće uzima plin.

Ali, nažalost, u moderno obrazovanje ne pridaje se puno pozornosti pravim eksperimentima. znanstvenik koji piše Alati Savršeno razumije što je u pitanju. Čini mu se da će se na primjeru molekula plina adekvatno prikazati svi termodinamički parametri. Ali studentu koji tek otkriva ovaj svijet dosadno je slušati o idealnoj tikvici s teoretskim klipom. Da škola ima prave istraživačke laboratorije i posvećene sate za rad u njima, sve bi bilo drugačije. Zasad su, nažalost, eksperimenti samo na papiru. I, najvjerojatnije, to je ono što navodi ljude da vjeruju ovaj odjeljak fizika nešto čisto teoretsko, daleko od života i nepotrebno.

Stoga smo odlučili dati već spomenuti bicikl kao primjer. Osoba pritišće pedale - radi na njima. Osim prijenosa okretnog momenta cijelom mehanizmu (zbog kojeg se bicikl kreće u prostoru), mijenja se i unutarnja energija materijala od kojih su izrađene poluge. Biciklist gura ručke za okretanje i ponovno obavlja posao.

Povećava se unutarnja energija vanjske prevlake (plastike ili metala). Osoba ide na čistinu pod jakim suncem - bicikl se zagrijava, njegova količina topline se mijenja. Zastaje radi odmora u sjeni starog hrasta i sustav se hladi, trošeći kalorije ili joule. Povećava brzinu - povećava razmjenu energije. Međutim, izračun količine topline u svim tim slučajevima pokazat će vrlo malu, neprimjetnu vrijednost. Stoga se čini da su manifestacije termodinamičke fizike u stvaran život Ne.

Primjena proračuna promjena količine topline

Vjerojatno će čitatelj reći da je sve ovo vrlo informativno, ali zašto nas u školi toliko muče s tim formulama. A sada ćemo dati primjere u kojim područjima ljudskog djelovanja su izravno potrebni i kako se to odnosi na bilo koga u njegovom svakodnevnom životu.

Za početak pogledajte oko sebe i izbrojite: koliko vas metalnih predmeta okružuje? Vjerojatno više od deset. Ali prije nego što postane spajalica, karavan, prsten ili flash pogon, svaki se metal topi. Svako postrojenje koje prerađuje, recimo, željeznu rudaču mora razumjeti koliko je goriva potrebno da bi se optimizirali troškovi. A kada se to računa, potrebno je znati toplinski kapacitet sirovine koja sadrži metal i količinu topline koja joj se mora predati kako bi se svi tehnološki procesi. Budući da se energija koju oslobađa jedinica goriva izračunava u džulima ili kalorijama, formule su potrebne izravno.

Ili drugi primjer: većina supermarketa ima odjel sa smrznutom robom - ribom, mesom, voćem. Tamo gdje se sirovine od životinjskog mesa ili plodova mora pretvaraju u poluproizvode, moraju znati koliko će jedinice za hlađenje i zamrzavanje električne energije koristiti po toni ili jedinici gotovog proizvoda. Da biste to učinili, morate izračunati koliko kilogram jagoda ili lignji gubi topline kada se ohlade za jedan stupanj Celzija. I na kraju, to će pokazati koliko će zamrzivač određenog kapaciteta potrošiti struje.

Avioni, brodovi, vlakovi

Gore smo prikazali primjere relativno nepokretnih, statičnih objekata kojima se informira ili im se, naprotiv, oduzima određena količina topline. Za objekte koji se kreću u procesu rada u uvjetima konstantne promjene temperature, proračuni količine topline važni su iz još jednog razloga.

Postoji nešto poput "zamora metala". Također uključuje najveća dopuštena opterećenja pri određenoj brzini promjene temperature. Zamislite zrakoplov koji polijeće iz vlažnih tropskih krajeva u smrznutu gornju atmosferu. Inženjeri se moraju jako potruditi kako se ne bi raspao zbog pukotina u metalu koje nastaju pri promjeni temperature. Oni traže sastav legure koji može izdržati stvarna opterećenja i koji će imati veliku marginu sigurnosti. A kako ne biste slijepo tražili, nadajući se da ćete slučajno naići na željeni sastav, morate napraviti mnogo izračuna, uključujući i one koji uključuju promjene u količini topline.

1. Promjenu unutarnje energije vršenjem rada karakterizira količina rada, tj. rad je mjera promjene unutarnje energije u ovaj proces. Promjenu unutarnje energije tijela pri prijenosu topline karakterizira veličina tzv količina topline.

Količina topline je promjena unutarnje energije tijela u procesu prijenosa topline bez izvršenja rada.

Količina topline je označena slovom ​ \ (Q \) . Budući da je količina topline mjera promjene unutarnje energije, njezina jedinica je joule (1 J).

Kada tijelo preda određenu količinu topline bez obavljanja rada, njegova unutarnja energija raste, ako tijelo preda određenu količinu topline, tada mu se unutarnja energija smanjuje.

2. Ako u dvije iste posude ulijete po 100 g vode, au drugu po 400 g na istoj temperaturi i stavite ih na iste plamenike, tada će voda u prvoj posudi prije prokuhati. Dakle, što je tijelo veće, to mu je potrebna veća količina topline da se zagrije. Isto je i s hlađenjem: tijelo veće mase pri hlađenju odaje veću količinu topline. Ta su tijela građena od iste tvari i zagrijavaju se ili hlade za isti broj stupnjeva.

​3. Ako sada zagrijemo 100 g vode od 30 do 60 °C, t j . za 30 °S, a zatim do 100 °S, tj. za 70 °C, tada će u prvom slučaju grijanje trajati kraće nego u drugom, pa će se prema tome manje topline potrošiti na grijanje vode za 30 °C nego za grijanje vode za 70 °C. Dakle, količina topline izravno je 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, au drugu sličnu posudu ulije malo vode i u nju se stavi metalno tijelo tako da njegova masa i masa vode budu 100 g, te se posude zagrijavaju na identičnoj pločice, onda se može vidjeti da će posuda koja sadrži samo vodu imati nižu temperaturu od one koja sadrži vodu i metalno tijelo. Dakle, da bi temperatura sadržaja u objema posudama bila jednaka, vodi se mora predati veća količina topline nego vodi i metalnom tijelu. Dakle, količina topline potrebna za zagrijavanje tijela ovisi o vrsti tvari od koje je to tijelo napravljeno.

5. Karakterizira se ovisnost količine topline potrebne za zagrijavanje tijela o vrsti tvari fizička količina nazvao specifični toplinski kapacitet tvari.

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

Istu količinu topline daje 1 kg tvari kada se ohladi za 1 °C.

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

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

Specifični toplinski kapacitet olova je 140 J/kg °C. To znači da je za zagrijavanje 1 kg olova za 1 °C potrebno utrošiti količinu topline od 140 J. Ista količina topline oslobodit će se kada se 1 kg vode ohladi za 1 °C.

Budući da je količina topline jednaka promjeni unutarnje energije tijela, možemo reći da specifični toplinski kapacitet pokazuje koliko se promijeni unutarnja energija 1 kg tvari kada se njezina temperatura promijeni za 1 °C. Konkretno, unutarnja 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 za zagrijavanje tijela mase ​\(m \) ​ od temperature \((t_1\,^\circ C) \) do temperature \((t_2\, ^\circ C) \) , jednaka je umnošku specifične topline tvari, mase tijela i razlike između konačne i početne temperature, tj.

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

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

6. Primjer rješenja problema. Čaša u kojoj je 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 topline prima hladna voda, a odaje topla voda?

Prilikom rješavanja problema morate izvršiti sljedeći niz radnji:

  1. ukratko napiši stanje problema;
  2. pretvaranje vrijednosti veličina u SI;
  3. analizirati problem, ustanoviti koja tijela sudjeluju u izmjeni topline, koja tijela odaju energiju, a koja je primaju;
  4. riješiti problem u opći pogled;
  5. izvršiti izračune;
  6. analizirati primljeni odgovor.

1. Zadatak.

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

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

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

3. Analiza zadatka. Problem opisuje proces izmjene topline između vrućeg i hladna voda. Vruća voda odaje količinu topline ​\(Q_1 \) ​ i hladi se od temperature ​\(t_1 \) ​ do temperature ​\(t \) . Hladna voda prima količinu topline ​\(Q_2 \) ​ i zagrijava se od temperature ​\(t_2 \) ​ do temperature ​\(t \) ​.

4. Rješenje problema u općem obliku. Količina topline koju oslobađa topla voda izračunava se formulom: \(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) .

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

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

6. U odgovoru se dobiva da je količina topline koju preda topla voda jednaka količini topline koju primi hladna voda. U ovom slučaju razmatrana je idealizirana situacija i nije uzeto u obzir da se određena količina topline koristi za zagrijavanje stakla u kojem se nalazi voda i okolnog zraka. U stvarnosti, količina topline koju predaje topla voda veća je od količine topline koju prima hladna voda.

1. dio

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

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

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

1) kada se 1 kg cinka zagrije na 400 °C, njegova unutarnja energija se poveća za 1 J
2) kada se 400 kg cinka zagrije za 1 °C, njegova unutarnja energija se poveća 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 unutarnja energija se poveća za 400 J

3. Prilikom prijenosa čvrsto tijelo masa ​\(m \) ​\(Q \) ​tjelesna temperatura povećana za ​\(\Delta t^\circ \) . Koji od sljedećih izraza određuje specifični toplinski kapacitet tvari tog 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 graf ovisnosti količine topline potrebne za zagrijavanje dva tijela (1 i 2) iste mase o temperaturi. Usporedite vrijednosti specifičnog toplinskog kapaciteta (​\(c_1 \) ​ i ​\(c_2 \) ) tvari od kojih su ta tijela sastavljena.

1) ​\(c_1=c_2 \) ​
2) ​\(c_1>c_2 \) ​
3) \(c_1 4) odgovor ovisi o vrijednosti mase tijela

5. Dijagram prikazuje vrijednosti količine topline prenesene na dva tijela jednake mase kada im se temperatura promijeni za isti broj stupnjeva. Koji je omjer specifičnih toplinskih kapaciteta tvari od kojih su građena tijela točan?

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 ovisnosti temperature krutog tijela o količini topline koju ono predaje. Tjelesna težina 4 kg. Koliki je specifični toplinski 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 kristalna tvar mase 100 g zagrijavala, izmjerena je temperatura tvari i količina topline koja joj je dodijeljena. Podaci mjerenja prikazani su u obliku tablice. 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. Za zagrijavanje 192 g molibdena za 1 K potrebno mu je predati količinu topline od 48 J. Koliki je specifični toplinski kapacitet te tvari?

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 topline potrebno za zagrijavanje 100 g olova od 27 do 47 °C?

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

10. Za zagrijavanje cigle od 20 do 85 °C utrošeno je isto toliko topline kao i za zagrijavanje vode iste mase za 13 °C. Specifični toplinski kapacitet opeke je

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

11. S donjeg popisa tvrdnji odaberite dvije točne i upišite njihove brojeve u tablicu.

1) Količina topline koju tijelo primi kad mu temperatura poraste za određeni broj stupnjeva jednaka je količini topline koju to tijelo preda kad mu temperatura padne za isti broj stupnjeva.
2) Kada se tvar hladi, njena unutarnja energija raste.
3) Količina topline koju tvar prima zagrijavanjem ide uglavnom za povećanje kinetičke energije njezinih molekula.
4) Količina topline koju tvar prima zagrijavanjem ide uglavnom za povećanje potencijalne energije interakcije njezinih molekula
5) Unutarnja energija tijela može se promijeniti samo davanjem određene količine topline

12. U tablici su prikazani rezultati mjerenja mase ​\(m \) ​, promjena temperature ​\(\Delta t \) ​ i količine topline ​\(Q \) ​ koja se oslobađa tijekom hlađenja cilindara od bakra ili aluminij.

Koje su tvrdnje u skladu s rezultatima eksperimenta? Odaberite dva ispravna s ponuđenog popisa. Navedite njihove brojeve. Na temelju provedenih mjerenja može se tvrditi da je količina topline koja se oslobađa tijekom hlađenja,

1) ovisi o tvari od koje je cilindar napravljen.
2) ne ovisi o tvari od koje je cilindar izrađen.
3) raste s povećanjem mase cilindra.
4) raste s povećanjem temperaturne razlike.
5) specifični toplinski kapacitet aluminija je 4 puta veći od specifičnog toplinskog kapaciteta kositra.

2. dio

C1.Čvrsto tijelo mase 2 kg stavlja se u pećnicu snage 2 kW i zagrijava. Na slici je prikazana ovisnost temperature ​\(t \) ​ ovog tijela o vremenu zagrijavanja ​\(\tau \) . Koliki je specifični toplinski kapacitet tvari?

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

Odgovori

Udio: