La formula per la quantità di calore. Risoluzione di problemi per il calcolo della quantità di calore necessaria per riscaldare il corpo o rilasciata da esso durante il raffreddamento
lezione aperta fisica in classe 8 "E".
Palestra MOU n. 77, o. Togliatti
insegnanti di fisica
Ivanov Maria Konstantinovna
Argomento della lezione:
Risoluzione di problemi per il calcolo della quantità di calore necessaria per riscaldare il corpo o rilasciata da esso durante il raffreddamento.
La data del:
Lo scopo della lezione:
sviluppare abilità pratiche nel calcolo della quantità di calore necessaria per il riscaldamento e rilasciata durante il raffreddamento;
sviluppare capacità di conteggio, migliorare le capacità logiche nell'analizzare la trama dei problemi, risolvere problemi qualitativi e computazionali;
coltivare la capacità di lavorare in coppia, rispettare l'opinione dell'avversario e difendere il proprio punto di vista, fare attenzione quando si completano i compiti di fisica.
Attrezzatura didattica:
computer, proiettore, presentazione sull'argomento (Appendice n. 1), materiali da un'unica raccolta di risorse educative digitali.
Tipo di lezione:
risoluzione dei problemi.
“Metti il dito nella fiamma di un fiammifero e proverai una sensazione che non ha eguali in cielo o in terra; tuttavia, tutto ciò che è accaduto è semplicemente il risultato di collisioni di molecole.
J. Wheeler
Durante le lezioni:
Organizzazione del tempo
Saluto studenti.
Controllo degli studenti assenti.
Presentazione dell'argomento e degli obiettivi della lezione.
Controllo dei compiti.
1.Indagine frontale
Qual è il calore specifico di una sostanza? (Diapositiva n. 1)
Qual è l'unità di misura del calore specifico di una sostanza?
Perché i corpi idrici si congelano lentamente? Perché il ghiaccio non lascia i fiumi e soprattutto i laghi per molto tempo, anche se il clima è caldo da molto tempo?
Perché su Costa del Mar Nero Il Caucaso anche in inverno è abbastanza caldo?
Perché molti metalli si raffreddano in modo significativo? più veloce dell'acqua? (Diapositiva n. 2)
2. Sondaggio individuale (carte con compiti a più livelli per più studenti)
Esplorare un nuovo argomento.
1. Ripetizione del concetto di quantità di calore.
Quantità di calore- una misura quantitativa della variazione di energia interna durante il trasferimento di calore.
La quantità di calore assorbita dal corpo è considerata positiva e la quantità di calore rilasciata è negativa. L'espressione "il corpo ha una certa quantità di calore" o "il corpo contiene (immagazzina) una certa quantità di calore" non ha senso. La quantità di calore può essere ricevuta o ceduta in qualsiasi processo, ma non può essere posseduta.
Durante lo scambio di calore al confine tra i corpi, le molecole che si muovono lentamente di un corpo freddo interagiscono con le molecole che si muovono rapidamente di un corpo caldo. Di conseguenza, le energie cinetiche delle molecole si eguagliano e le velocità delle molecole di un corpo freddo aumentano, mentre quelle di un corpo caldo diminuiscono.
Durante lo scambio termico non avviene alcuna conversione di energia da una forma all'altra, parte dell'energia interna di un corpo caldo viene trasferita a un corpo freddo.
2. La formula per la quantità di calore.
Deriviamo una formula funzionante per risolvere i problemi per il calcolo della quantità di calore: Q = cm ( T 2 - T 1 ) - scrivere alla lavagna e sui quaderni.
Scopriamo che la quantità di calore data o ricevuta dal corpo dipende da temperatura iniziale corpo, la sua massa e il suo calore specifico.
In pratica, vengono spesso utilizzati calcoli termici. Ad esempio, quando si costruiscono edifici, è necessario tenere conto della quantità di calore che l'intero sistema di riscaldamento dovrebbe fornire all'edificio. Dovresti anche sapere quanto calore andrà nello spazio circostante attraverso finestre, pareti, porte.
3 . La dipendenza della quantità di calore da varie quantità . (Diapositive n. 3, n. 4, n. 5, n. 6)
4 . Calore specifico (Diapositiva numero 7)
5. Unità per misurare la quantità di calore (Diapositiva numero 8)
6. Un esempio di risoluzione di un problema per il calcolo della quantità di calore (Diapositiva numero 10)
7. Risoluzione di problemi per il calcolo della quantità di calore sulla lavagna e nei notebook
Scopriamo anche che se si verifica uno scambio di calore tra i corpi, l'energia interna di tutti i corpi riscaldanti aumenta tanto quanto diminuisce l'energia interna dei corpi raffreddanti. Per fare ciò, utilizziamo un esempio di problema risolto dal § 9 del libro di testo.
Pausa dinamica.
IV. Consolidamento del materiale studiato.
1. Domande per l'autocontrollo (Diapositiva numero 9)
2. Risoluzione dei problemi di qualità:
Perché di giorno fa caldo nei deserti, ma di notte la temperatura scende sotto 0°C? (La sabbia ha una bassa capacità termica specifica, quindi si riscalda e si raffredda rapidamente.)
Un pezzo di piombo e un pezzo di acciaio, della stessa massa, furono colpiti con un martello lo stesso numero una volta. Quale pezzo è diventato più caldo? Perché? (Il pezzo di piombo si è riscaldato di più, perché la capacità termica specifica del piombo è inferiore.)
Perché le stufe in ferro riscaldano una stanza più velocemente delle stufe in mattoni, ma non rimangono calde così a lungo? (La capacità termica specifica del rame è inferiore a quella del mattone.)
A pesi di rame e acciaio della stessa massa viene data la stessa quantità di calore. Quale peso cambierà di più la temperatura? (Al rame, perché la capacità termica specifica del rame è inferiore.)
Cosa consuma più energia: riscaldare l'acqua o riscaldare una padella di alluminio, se le loro masse sono le stesse? (Per il riscaldamento dell'acqua, perché la capacità termica specifica dell'acqua è grande.)
Come sapete, il ferro ha una capacità termica specifica maggiore del rame. Di conseguenza, un pungiglione di ferro avrebbe un maggior apporto di energia interna rispetto allo stesso pungiglione di rame, a parità di massa e temperatura. Perché, nonostante ciò, le punte dei saldatori sono in rame? (Il rame ha un'elevata conduttività termica.)
È noto che la conduttività termica del metallo è molto maggiore della conduttività termica del vetro. Perché, allora, i calorimetri sono fatti di metallo e non di vetro? (Il metallo ha un'elevata conducibilità termica e un basso calore specifico, grazie al quale la temperatura all'interno del calorimetro si equalizza rapidamente e viene speso poco calore per riscaldarlo. Inoltre, la radiazione del metallo è molto inferiore alla radiazione del vetro, il che riduce la perdita di calore.)
È noto che la neve a debole coesione protegge bene il terreno dal gelo, perché contiene molta aria, che è un cattivo conduttore di calore. Ma dopotutto, anche gli strati d'aria sono adiacenti al terreno che non è coperto di neve. Perché, allora, non si blocca molto in questo caso? (L'aria, a contatto con il suolo non innevato, è costantemente in movimento, mescolata. Questa aria in movimento rimuove il calore dalla terra e aumenta l'evaporazione dell'umidità da essa. L'aria, che si trova tra le particelle di neve, è inattiva e, in quanto cattivo conduttore di calore, protegge la terra dal gelo.)
3. Soluzione di problemi di calcolo
I primi due compiti vengono risolti da studenti molto motivati alla lavagna con discussione collettiva. Troviamo gli approcci giusti nel ragionamento e nella risoluzione dei problemi.
Compito n. 1.
Riscaldando un pezzo di rame da 20°C a 170°C, sono stati spesi 140.000 J di calore. Determina la massa del rame.
Compito n. 2
Qual è la capacità termica specifica di un liquido se sono stati necessari 150.000 J per riscaldarne 2 litri di 20 ° C. La densità del liquido è 1,5 g / cm³
Gli studenti rispondono a coppie alle seguenti domande:
Compito numero 3.
Due sfere di rame di massa m o e 4 m o riscaldato in modo che entrambe le sfere ricevano la stessa quantità di calore. Allo stesso tempo, la palla grande si è riscaldata di 5° C. Quanto si è riscaldata la palla di massa minore?
Compito numero 4.
Quanto calore viene rilasciato quando 4 m³ di ghiaccio vengono raffreddati da 10°C a -40°C?
Compito numero 5.
In quale caso è necessario riscaldare due sostanze grande quantità calore, se il riscaldamento di due sostanze è lo stesso ∆ T 1 = ∆T 2 La prima sostanza è un mattone con una massa di 2 kg e s = 880 J / kg ∙ ° C e ottone - una massa di 2 kg e s \u003d 400 J / kg ∙ ° C
Compito numero 6.
Si riscalda una barra di acciaio di massa 4 kg. In questo caso sono stati spesi 200.000 J di calore. Determinare la temperatura corporea finale se la temperatura iniziale è T 0 = 10°C
Quando gli studenti risolvono i problemi da soli, è naturale che sorgano domande. Le domande più frequenti vengono discusse collettivamente. A quelle domande che sono di natura privata vengono fornite risposte individuali.
Riflessione. Mettere segni.
Insegnante: Allora, ragazzi, cosa avete imparato nella lezione di oggi e cosa avete imparato di nuovo?
Esempi di risposte degli studenti :
Ha elaborato le capacità di risoluzione di problemi qualitativi e computazionali sull'argomento "Calcolo della quantità di calore richiesta per riscaldare il corpo e rilasciata durante il raffreddamento".
Eravamo convinti in pratica di come materie come la fisica e la matematica si sovrappongano e siano collegate.
Compiti a casa:
Risolvi i problemi n. 1024, 1025, dalla raccolta di problemi di V.I. Lukashik, EV Ivanova.
Trovare autonomamente un problema per calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare il corpo o rilasciata da esso durante il raffreddamento.
Cosa si riscalda più velocemente sul fornello: un bollitore o un secchio d'acqua? La risposta è ovvia: un bollitore. Allora la seconda domanda è perché?
La risposta non è meno ovvia, perché la massa d'acqua nel bollitore è inferiore. Grande. E ora puoi fare tu stesso l'esperienza fisica più reale a casa. Per fare questo, avrai bisogno di due piccole pentole identiche, una quantità uguale di acqua e olio vegetale, ad esempio, mezzo litro e una stufa. Mettete pentole di olio e acqua sullo stesso fuoco. E ora guarda solo cosa si riscalderà più velocemente. Se c'è un termometro per liquidi, puoi usarlo, altrimenti puoi solo provare la temperatura di tanto in tanto con il dito, fai solo attenzione a non scottarti. In ogni caso, vedrai presto che l'olio si riscalda molto più velocemente dell'acqua. E un'altra domanda, che può essere implementata anche sotto forma di esperienza. Quale bolle più velocemente: acqua calda o fredda? Tutto è di nuovo ovvio: quello caldo sarà il primo a finire. Perché tutte queste strane domande ed esperimenti? Per determinare la quantità fisica chiamata "la quantità di calore".
Quantità di calore
La quantità di calore è l'energia che il corpo perde o guadagna durante il trasferimento di calore. Questo è chiaro dal nome. Durante il raffreddamento, il corpo perderà una certa quantità di calore e, una volta riscaldato, assorbirà. E le risposte alle nostre domande ci hanno mostrato da cosa dipende la quantità di calore? In primo luogo, maggiore è la massa del corpo, maggiore è la quantità di calore che deve essere spesa per cambiare la sua temperatura di un grado. In secondo luogo, la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo dipende dalla sostanza di cui è composto, cioè dal tipo di sostanza. E in terzo luogo, anche la differenza di temperatura corporea prima e dopo il trasferimento di calore è importante per i nostri calcoli. Sulla base di quanto sopra, possiamo determinare la quantità di calore con la formula:
dove Q è la quantità di calore,
m - peso corporeo,
(t_2-t_1) - la differenza tra la temperatura corporea iniziale e quella finale,
c - capacità termica specifica della sostanza, si ricava dalle apposite tabelle.
Usando questa formula, puoi calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare qualsiasi corpo o che questo corpo rilascerà quando si raffredda.
La quantità di calore è misurata in joule (1 J), come qualsiasi altra forma di energia. Tuttavia, questo valore è stato introdotto non molto tempo fa e le persone hanno iniziato a misurare la quantità di calore molto prima. E hanno usato un'unità ampiamente utilizzata ai nostri tempi: una caloria (1 cal). 1 caloria è la quantità di calore necessaria per aumentare di 1 grado Celsius la temperatura di 1 grammo di acqua. Guidati da questi dati, gli amanti del conteggio delle calorie nel cibo che mangiano possono, per interesse, calcolare quanti litri di acqua possono essere bolliti con l'energia che consumano con il cibo durante la giornata.
Puoi cambiare l'energia interna del gas nel cilindro non solo facendo lavoro, ma anche riscaldando il gas (Fig. 43). Se il pistone è fisso, il volume del gas non cambierà, ma la temperatura, e quindi l'energia interna, aumenterà.
Il processo di trasferimento di energia da un corpo all'altro senza compiere lavoro è chiamato trasferimento di calore o trasferimento di calore.
L'energia trasferita al corpo come risultato del trasferimento di calore è chiamata quantità di calore. La quantità di calore è anche chiamata l'energia che il corpo emette nel processo di trasferimento del calore.
Quadro molecolare del trasferimento di calore. Durante lo scambio termico al confine tra i corpi, le molecole che si muovono lentamente di un corpo freddo interagiscono con le molecole che si muovono più velocemente di un corpo caldo. Di conseguenza, le energie cinetiche delle molecole si eguagliano e le velocità delle molecole di un corpo freddo aumentano, mentre quelle di un corpo caldo diminuiscono.
Durante lo scambio termico non avviene alcuna conversione di energia da una forma all'altra: parte dell'energia interna di un corpo caldo viene trasferita a un corpo freddo.
La quantità di calore e la capacità termica.È noto dal corso di fisica della classe VII che per riscaldare un corpo di massa m dalla temperatura t 1 alla temperatura t 2, è necessario informarlo della quantità di calore
Q \u003d cm (t 2 - t 1) \u003d cmΔt. (4.5)
Quando un corpo si raffredda, la sua temperatura eterna t 2 è inferiore a quella iniziale t 1 e la quantità di calore emessa dal corpo è negativa.
Viene chiamato il coefficiente c nella formula (4.5). calore specifico. Il calore specifico è la quantità di calore che 1 kg di una sostanza riceve o emette quando la sua temperatura cambia di 1 K.
La capacità termica specifica è espressa in joule per chilogrammo moltiplicato per kelvin. Corpi variè necessaria una quantità disuguale di energia per aumentare la temperatura di 1 K. Pertanto, la capacità termica specifica dell'acqua è 4190 J/(kg K) e quella del rame è 380 J/(kg K).
La capacità termica specifica dipende non solo dalle proprietà della sostanza, ma anche dal processo mediante il quale avviene il trasferimento di calore. Se riscaldi un gas a pressione costante, si espanderà e funzionerà. Per riscaldare un gas di 1°C a pressione costante, dovrà trasferire più calore che riscaldarlo a volume costante.
Liquidi e solidi si espandono leggermente quando riscaldati e le loro capacità termiche specifiche a volume costante e pressione costante differiscono poco.
Calore specifico di vaporizzazione. Per trasformare un liquido in vapore è necessario trasferire ad esso una certa quantità di calore. La temperatura del liquido non cambia durante questa trasformazione. La trasformazione del liquido in vapore a temperatura costante non porta ad un aumento dell'energia cinetica delle molecole, ma è accompagnata da un aumento della loro energia potenziale. Dopotutto, la distanza media tra le molecole di gas è molte volte maggiore di quella tra le molecole liquide. Inoltre, l'aumento di volume durante la transizione di una sostanza da stato liquido in gassoso richiede di lavorare contro le forze della pressione esterna.
Si chiama la quantità di calore necessaria per trasformare 1 kg di liquido in vapore a temperatura costante calore specifico vaporizzazione. Questo valore è indicato dalla lettera r ed espresso in joule per chilogrammo.
Il calore specifico di vaporizzazione dell'acqua è molto elevato: 2.256 · 10 6 J/kg a 100°C. Per altri liquidi (alcool, etere, mercurio, cherosene, ecc.), il calore specifico di vaporizzazione è 3-10 volte inferiore.
Per trasformare un liquido di massa m in vapore occorre una quantità di calore pari a:
Quando il vapore si condensa, viene rilasciata la stessa quantità di calore
Q k = –rm. (4.7)
Calore specifico di fusione. Quando un corpo cristallino si scioglie, tutto il calore che gli viene fornito va ad aumentare l'energia potenziale delle molecole. L'energia cinetica delle molecole non cambia, poiché la fusione avviene a temperatura costante.
La quantità di calore λ (lambda) necessaria per convertire 1 kg di una sostanza cristallina a un punto di fusione in un liquido della stessa temperatura è chiamata calore specifico di fusione.
Durante la cristallizzazione di 1 kg di una sostanza, viene rilasciata esattamente la stessa quantità di calore. Il calore specifico di fusione del ghiaccio è piuttosto elevato: 3,4 10 5 J/kg.
Per sciogliersi corpo cristallino massa m, hai bisogno della quantità di calore pari a:
Qpl \u003d λm. (4.8)
La quantità di calore rilasciata durante la cristallizzazione del corpo è pari a:
Qcr = -λm. (4.9)
1. Qual è la quantità di calore? 2. Cosa determina la capacità termica specifica delle sostanze? 3. Qual è il calore specifico di vaporizzazione? 4. Qual è il calore specifico di fusione? 5. In quali casi la quantità di calore trasferita è negativa?
Il focus del nostro articolo è la quantità di calore. Considereremo il concetto di energia interna, che si trasforma al variare di questo valore. Mostreremo anche alcuni esempi dell'applicazione dei calcoli nell'attività umana.
Calore
Con qualsiasi parola madrelingua ogni persona ha le proprie associazioni. Sono definiti esperienza personale e sentimenti irrazionali. Cosa viene solitamente rappresentato dalla parola "calore"? Una soffice coperta, una batteria di riscaldamento centrale funzionante in inverno, i primi raggi di sole in primavera, un gatto. O lo sguardo di una madre, una parola confortante di un amico, un'attenzione tempestiva.
I fisici intendono con questo un termine molto specifico. E molto importante, soprattutto in alcune sezioni di questa scienza complessa ma affascinante.
Termodinamica
Non vale la pena considerare la quantità di calore isolata dai processi più semplici su cui si basa la legge di conservazione dell'energia: nulla sarà chiaro. Pertanto, per cominciare, ricordiamo ai nostri lettori.
La termodinamica considera qualsiasi cosa o oggetto come una combinazione di molto un largo numero parti elementari - atomi, ioni, molecole. Le sue equazioni descrivono qualsiasi cambiamento stato collettivo sistemi nel loro insieme e come parte di un tutto quando si modificano i parametri macro. Questi ultimi sono intesi come temperatura (indicata come T), pressione (P), concentrazione di componenti (solitamente C).
Energia interna
L'energia interna è un termine piuttosto complicato, il cui significato dovrebbe essere compreso prima di parlare della quantità di calore. Denota l'energia che cambia con l'aumento o la diminuzione del valore dei macroparametri dell'oggetto e non dipende dal sistema di riferimento. Fa parte dell'energia totale. Coincide con esso in condizioni in cui il centro di massa dell'oggetto in studio è fermo (cioè non c'è componente cinetica).
Quando una persona sente che un oggetto (diciamo una bicicletta) si è riscaldato o raffreddato, questo mostra che tutte le molecole e gli atomi che compongono questo sistema sperimentato un cambiamento di energia interna. Tuttavia, la costanza della temperatura non significa la conservazione di questo indicatore.
Lavoro e calore
L'energia interna di qualsiasi sistema termodinamico può essere trasformata in due modi:
- lavorando su di esso;
- durante lo scambio termico con l'ambiente.
La formula per questo processo è simile a questa:
dU=Q-A, dove U è l'energia interna, Q è il calore, A è il lavoro.
Il lettore non si lasci ingannare dalla semplicità dell'espressione. La permutazione mostra che Q=dU+A, ma l'introduzione dell'entropia (S) porta la formula alla forma dQ=dSxT.
Poiché in questo caso l'equazione assume la forma di un'equazione differenziale, la prima espressione richiede la stessa. Inoltre, a seconda delle forze che agiscono nell'oggetto in esame e del parametro che viene calcolato, viene derivato il rapporto necessario.
Prendiamo una sfera di metallo come esempio di un sistema termodinamico. Se fai pressione su di esso, lo vomiti, lo fai cadere in un pozzo profondo, allora questo significa lavorarci sopra. Esternamente, tutte queste azioni innocue non causeranno alcun danno alla palla, ma la sua energia interna cambierà, anche se leggermente.
Il secondo modo è il trasferimento di calore. Ora arriviamo all'obiettivo principale di questo articolo: una descrizione di quale sia la quantità di calore. Questo è un tale cambiamento nell'energia interna di un sistema termodinamico che si verifica durante il trasferimento di calore (vedi la formula sopra). Si misura in joule o calorie. Ovviamente, se la pallina viene tenuta sopra un accendino, al sole o appena dentro mano calda poi si scalderà. E poi, cambiando la temperatura, puoi trovare la quantità di calore che gli è stata comunicata contemporaneamente.
Perché il gas è il miglior esempio di cambiamento nell'energia interna e perché agli studenti non piace la fisica per questo motivo
Sopra, abbiamo descritto i cambiamenti nei parametri termodinamici di una sfera di metallo. Non sono molto evidenti senza dispositivi speciali e il lettore è lasciato a dire una parola sui processi che si verificano con l'oggetto. Un'altra cosa è se il sistema è a gas. Premilo - sarà visibile, riscaldalo - la pressione aumenterà, abbassalo sottoterra - e questo può essere facilmente risolto. Pertanto, nei libri di testo, è il gas che viene spesso considerato un sistema termodinamico visivo.
Ma, ahimè, dentro educazione moderna non viene prestata molta attenzione agli esperimenti reali. scienziato che scrive Kit di strumenti Capisce perfettamente qual è la posta in gioco. Gli sembra che, usando l'esempio delle molecole di gas, tutti i parametri termodinamici saranno adeguatamente dimostrati. Ma per uno studente che sta appena scoprendo questo mondo, è noioso sentire parlare di un pallone ideale con un pistone teorico. Se la scuola avesse dei veri laboratori di ricerca e delle ore dedicate per lavorarci, sarebbe tutto diverso. Finora, purtroppo, gli esperimenti sono solo sulla carta. E, molto probabilmente, questo è ciò che fa credere alle persone questa sezione fisica qualcosa di puramente teorico, lontano dalla vita e inutile.
Pertanto, abbiamo deciso di portare come esempio la bicicletta già menzionata sopra. Una persona preme sui pedali - lavora su di loro. Oltre a comunicare la coppia all'intero meccanismo (grazie alla quale la bicicletta si muove nello spazio), cambia l'energia interna dei materiali di cui sono fatte le leve. Il ciclista spinge le maniglie per girare e fa di nuovo il lavoro.
L'energia interna del rivestimento esterno (plastica o metallo) viene aumentata. Una persona va in una radura sotto il sole splendente: la bici si riscalda, la sua quantità di calore cambia. Si ferma a riposare all'ombra di una vecchia quercia e il sistema si raffredda, sprecando calorie o joule. Aumenta la velocità - aumenta lo scambio di energia. Tuttavia, il calcolo della quantità di calore in tutti questi casi mostrerà un valore molto piccolo e impercettibile. Pertanto, sembra che le manifestazioni della fisica termodinamica in vita reale NO.
Applicazione di calcoli per variazioni della quantità di calore
Probabilmente, il lettore dirà che tutto questo è molto istruttivo, ma perché siamo così torturati a scuola con queste formule. E ora daremo esempi in quali aree dell'attività umana sono direttamente necessarie e come questo si applica a chiunque nella sua vita quotidiana.
Per cominciare, guardati intorno e conta: quanti oggetti metallici ti circondano? Probabilmente più di dieci. Ma prima di diventare una graffetta, un carro, un anello o una chiavetta, qualsiasi metallo viene fuso. Ogni impianto che lavora, ad esempio, il minerale di ferro deve capire quanto combustibile è necessario per ottimizzare i costi. E nel calcolare questo, è necessario conoscere la capacità termica della materia prima contenente metallo e la quantità di calore che deve essere impartita ad essa affinché tutti processi tecnologici. Poiché l'energia rilasciata da un'unità di carburante è calcolata in joule o calorie, le formule sono necessarie direttamente.
O un altro esempio: la maggior parte dei supermercati ha un reparto con prodotti surgelati: pesce, carne, frutta. Laddove le materie prime provenienti da carne animale o frutti di mare vengono convertite in prodotti semilavorati, devono sapere quanta elettricità utilizzeranno le unità di refrigerazione e congelamento per tonnellata o unità di prodotto finito. Per fare questo, dovresti calcolare quanto calore perde un chilogrammo di fragole o calamari quando viene raffreddato di un grado Celsius. E alla fine, questo mostrerà quanta elettricità spenderà un congelatore di una certa capacità.
Aerei, navi, treni
Sopra, abbiamo mostrato esempi di oggetti statici relativamente immobili che vengono informati o, al contrario, viene loro sottratta una certa quantità di calore. Per gli oggetti che si muovono durante il funzionamento in condizioni di temperatura in costante cambiamento, i calcoli della quantità di calore sono importanti per un altro motivo.
Esiste una cosa come la "fatica del metallo". Include anche i carichi massimi consentiti a un certo tasso di variazione della temperatura. Immagina un aeroplano che decolla dagli umidi tropici verso l'alta atmosfera ghiacciata. Gli ingegneri devono lavorare sodo affinché non si rompa a causa delle crepe nel metallo che compaiono quando la temperatura cambia. Stanno cercando una composizione di lega in grado di sopportare carichi reali e avere un ampio margine di sicurezza. E per non cercare alla cieca, sperando di imbatterti accidentalmente nella composizione desiderata, devi fare molti calcoli, compresi quelli che includono i cambiamenti nella quantità di calore.
1. Il cambiamento di energia interna dovuto al lavoro è caratterizzato dalla quantità di lavoro, cioè il lavoro è una misura della variazione di energia interna in questo processo. La variazione dell'energia interna del corpo durante il trasferimento di calore è caratterizzata da un valore chiamato quantità di calore.
La quantità di calore è la variazione dell'energia interna del corpo nel processo di trasferimento del calore senza compiere lavoro.
La quantità di calore è indicata dalla lettera \ (Q \) . Poiché la quantità di calore è una misura della variazione di energia interna, la sua unità è il joule (1 J).
Quando un corpo cede una certa quantità di calore senza compiere lavoro, la sua energia interna aumenta, se un corpo cede una certa quantità di calore, allora la sua energia interna diminuisce.
2. Se versi 100 g di acqua in due recipienti identici e 400 g in un altro alla stessa temperatura e li metti sugli stessi fornelli, l'acqua nel primo recipiente bollirà prima. Pertanto, maggiore è la massa del corpo, maggiore è la quantità di calore necessaria per riscaldarsi. Lo stesso vale per il raffreddamento: un corpo di massa maggiore, quando viene raffreddato, emette una quantità maggiore di calore. Questi corpi sono fatti della stessa sostanza e si riscaldano o si raffreddano dello stesso numero di gradi.
3. Se ora riscaldiamo 100 g di acqua da 30 a 60 °C, cioè di 30 °С, e poi fino a 100 °С, cioè di 70 °C, quindi nel primo caso il riscaldamento richiederà meno tempo rispetto al secondo e, di conseguenza, si spenderà meno calore per riscaldare l'acqua di 30 °C che per riscaldare l'acqua di 70 °C. Pertanto, la quantità di calore è direttamente proporzionale alla differenza tra le temperature finali \((t_2\,^\circ C) \) e iniziali \((t_1\,^\circ C) \): \(Q \sim(t_2- t_1) \) .
4. Se ora 100 g di acqua vengono versati in un recipiente, e un po' d'acqua viene versata in un altro recipiente simile e vi viene posto un corpo metallico in modo che la sua massa e la massa dell'acqua siano 100 g, e i recipienti vengano riscaldati su identici piastrelle, allora si può vedere che in un recipiente contenente solo acqua avrà una temperatura inferiore rispetto a uno contenente acqua e un corpo metallico. Pertanto, affinché la temperatura del contenuto in entrambi i recipienti sia la stessa, è necessario trasferire all'acqua una quantità di calore maggiore rispetto all'acqua e al corpo metallico. Pertanto, la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo dipende dal tipo di sostanza di cui è composto questo corpo.
5. La dipendenza della quantità di calore necessaria per riscaldare il corpo dal tipo di sostanza è caratterizzata da quantità fisica chiamato capacità termica specifica di una sostanza.
Una grandezza fisica pari alla quantità di calore che deve essere riportata a 1 kg di una sostanza per riscaldarla di 1°C (o 1 K) si chiama calore specifico della sostanza.
La stessa quantità di calore viene rilasciata da 1 kg di una sostanza raffreddata di 1 °C.
La capacità termica specifica è indicata dalla lettera \ (c \) . L'unità di capacità termica specifica è 1 J/kg °C o 1 J/kg K.
I valori della capacità termica specifica delle sostanze sono determinati sperimentalmente. I liquidi hanno una capacità termica specifica maggiore rispetto ai metalli; L'acqua ha la capacità termica specifica più alta, l'oro ha una capacità termica specifica molto piccola.
La capacità termica specifica del piombo è di 140 J/kg °C. Ciò significa che per riscaldare 1 kg di piombo di 1 °C, è necessario spendere una quantità di calore di 140 J. La stessa quantità di calore verrà rilasciata quando 1 kg di acqua si raffredda di 1 °C.
Poiché la quantità di calore è uguale alla variazione dell'energia interna del corpo, possiamo dire che la capacità termica specifica mostra quanto cambia l'energia interna di 1 kg di una sostanza quando la sua temperatura cambia di 1 ° C. In particolare, l'energia interna di 1 kg di piombo, quando viene riscaldato di 1 °C, aumenta di 140 J, e quando viene raffreddato, diminuisce di 140 J.
La quantità di calore \(Q \) necessaria per riscaldare un corpo di massa \(m \) da una temperatura \((t_1\,^\circ C) \) a una temperatura \((t_2\, ^\circ C) \) , è uguale al prodotto del calore specifico della sostanza, della massa corporea e della differenza tra la temperatura finale e quella iniziale, cioè
\[Q=cm(t_2()^\circ-t_1()^\circ) \]
La stessa formula viene utilizzata per calcolare la quantità di calore che il corpo emette quando si raffredda. Solo in questo caso la temperatura finale va sottratta alla temperatura iniziale, cioè Sottrai la temperatura minore dalla temperatura maggiore.
6. Esempio di soluzione del problema. In un bicchiere contenente 200 g di acqua alla temperatura di 80°C vengono versati 100 g di acqua alla temperatura di 20°C. Successivamente, nel recipiente è stata stabilita la temperatura di 60 °C. Quanto calore viene ricevuto dall'acqua fredda e ceduto da quella calda?
Quando si risolve un problema, è necessario eseguire la seguente sequenza di azioni:
- annotare brevemente la condizione del problema;
- convertire i valori delle quantità in SI;
- analizzare il problema, stabilire quali corpi partecipano allo scambio termico, quali corpi cedono energia e quali la ricevono;
- risolvere il problema dentro vista generale;
- eseguire calcoli;
- analizzare la risposta ricevuta.
1. L'obiettivo.
Dato:
\\ (m_1 \) \u003d 200 g
\(m_2 \) \u003d 100 g
\ (t_1 \) \u003d 80 ° С
\ (t_2 \) \u003d 20 ° С
\ (t \) \u003d 60 ° С
______________
\(Q_1 \) — ? \(Q_2 \) — ?
\ (c_1 \) \u003d 4200 J / kg ° С
2. SI:\\ (m_1 \) \u003d 0,2 kg; \ (m_2 \) \u003d 0,1 kg.
3. Analisi del compito. Il problema descrive il processo di scambio termico tra caldo e acqua fredda. Acqua calda emana la quantità di calore \(Q_1 \) e si raffredda dalla temperatura \(t_1 \) alla temperatura \(t \) . Acqua fredda riceve la quantità di calore \(Q_2 \) e si riscalda dalla temperatura \(t_2 \) alla temperatura \(t \) .
4. Soluzione del problema in forma generale. La quantità di calore ceduta dall'acqua calda è calcolata con la formula: \(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) .
La quantità di calore ricevuta dall'acqua fredda è calcolata dalla formula: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) .
5.
Informatica.
\ (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. Nella risposta si è ottenuto che la quantità di calore ceduta dall'acqua calda è uguale alla quantità di calore ricevuta dall'acqua fredda. In questo caso è stata considerata una situazione idealizzata e non si è tenuto conto del fatto che una certa quantità di calore è stata utilizzata per riscaldare il vetro in cui si trovava l'acqua e l'aria circostante. In realtà, la quantità di calore ceduta dall'acqua calda è maggiore della quantità di calore ricevuta dall'acqua fredda.
Parte 1
1. La capacità termica specifica dell'argento è di 250 J/(kg °C). Cosa significa questo?
1) quando si raffredda 1 kg di argento a 250 ° C, viene rilasciata una quantità di calore di 1 J
2) quando si raffreddano 250 kg di argento per 1 °C, viene rilasciata una quantità di calore di 1 J
3) quando 250 kg di argento si raffreddano di 1 °C, viene assorbita la quantità di calore 1 J
4) quando 1 kg di argento si raffredda di 1 °C, viene rilasciata una quantità di calore di 250 J
2. La capacità termica specifica dello zinco è di 400 J/(kg °C). Significa che
1) quando 1 kg di zinco viene riscaldato a 400 °C, la sua energia interna aumenta di 1 J
2) quando 400 kg di zinco vengono riscaldati di 1 °C, la sua energia interna aumenta di 1 J
3) per riscaldare 400 kg di zinco di 1°C occorre spendere 1 J di energia
4) quando 1 kg di zinco viene riscaldato di 1 °C, la sua energia interna aumenta di 400 J
3. Durante il trasferimento corpo solido mass \(m \) \(Q \) la temperatura corporea è aumentata di \(\Delta t^\circ \) . Quale delle seguenti espressioni determina la capacità termica specifica della sostanza di questo corpo?
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. La figura mostra un grafico della quantità di calore necessaria per riscaldare due corpi (1 e 2) della stessa massa in temperatura. Confronta i valori della capacità termica specifica (\(c_1 \) e \(c_2 \) ) delle sostanze di cui sono composti questi corpi.
1) \(c_1=c_2 \)
2) \(c_1>c_2 \)
3) \(c_1
5. Il diagramma mostra i valori della quantità di calore trasferita a due corpi di uguale massa quando la loro temperatura cambia dello stesso numero di gradi. Quale rapporto per le capacità termiche specifiche delle sostanze di cui sono fatti i corpi è corretto?
1) \(c_1=c_2 \)
2) \(c_1=3c_2 \)
3) \(c_2=3c_1 \)
4) \(c_2=2c_1 \)
6. La figura mostra un grafico della dipendenza della temperatura di un corpo solido dalla quantità di calore da esso emessa. Peso corporeo 4 kg. Qual è la capacità termica specifica della sostanza di questo corpo?
1) 500 J/(kg °C)
2) 250 J/(kg °C)
3) 125 J/(kg °C)
4) 100 J/(kg °C)
7. Quando una sostanza cristallina del peso di 100 g è stata riscaldata, sono state misurate la temperatura della sostanza e la quantità di calore impartita alla sostanza. I dati di misurazione sono stati presentati sotto forma di tabella. Supponendo che le perdite di energia possano essere trascurate, determinare la capacità termica specifica di una sostanza allo stato solido.
1) 192 J/(kg °C)
2) 240 J/(kg °C)
3) 576 J/(kg °C)
4) 480 J/(kg °C)
8. Per riscaldare 192 g di molibdeno di 1 K, è necessario trasferire ad esso una quantità di calore di 48 J. Qual è la capacità termica specifica di questa sostanza?
1) 250 J/(kg·K)
2) 24 J/(kg·K)
3) 4 10 -3 J/(kg·K)
4) 0,92 J/(kg·K)
9. Quanto calore è necessario per riscaldare 100 g di piombo da 27 a 47 °C?
1) 390 J
2) 26kJ
3) 260 J
4) 390kJ
10. La stessa quantità di calore è stata spesa per riscaldare un mattone da 20 a 85 °C come per riscaldare acqua della stessa massa di 13 °C. La capacità termica specifica di un mattone è
1) 840 J/(kg·K)
2) 21000 J/(kg·K)
3) 2100 J/(kg·K)
4) 1680 J/(kg·K)
11. Dall'elenco di affermazioni qui sotto, scegli le due affermazioni corrette e annota i loro numeri nella tabella.
1) La quantità di calore che un corpo riceve quando la sua temperatura sale di un certo numero di gradi è uguale alla quantità di calore che questo corpo cede quando la sua temperatura scende dello stesso numero di gradi.
2) Quando una sostanza viene raffreddata, la sua energia interna aumenta.
3) La quantità di calore che una sostanza riceve quando riscaldata va principalmente ad aumentare l'energia cinetica delle sue molecole.
4) La quantità di calore che una sostanza riceve quando riscaldata va principalmente ad aumentare l'energia potenziale di interazione delle sue molecole
5) L'energia interna di un corpo può essere modificata solo cedendogli una certa quantità di calore
12. La tabella mostra i risultati delle misurazioni della massa \(m \) , delle variazioni di temperatura \(\Delta t \) e della quantità di calore \(Q \) rilasciata durante il raffreddamento di cilindri in rame o alluminio.
Quali affermazioni sono coerenti con i risultati dell'esperimento? Scegli i due corretti dall'elenco fornito. Elenca i loro numeri. Sulla base delle misurazioni effettuate, si può affermare che la quantità di calore rilasciata durante il raffreddamento,
1) dipende dalla sostanza di cui è composto il cilindro.
2) non dipende dalla sostanza di cui è fatto il cilindro.
3) aumenta con l'aumentare della massa del cilindro.
4) aumenta con l'aumentare della differenza di temperatura.
5) il calore specifico dell'alluminio è 4 volte maggiore del calore specifico dello stagno.
Parte 2
C1. Un corpo solido del peso di 2 kg viene posto in un forno da 2 kW e riscaldato. La figura mostra la dipendenza della temperatura \(t \) di questo corpo dal tempo di riscaldamento \(\tau \) . Qual è il calore specifico di una sostanza?
1) 400 J/(kg °C)
2) 200 J/(kg °C)
3) 40 J/(kg °C)
4) 20 J/(kg °C)
Risposte
