Як зазначається кількість теплоти. Кількість теплоти
Внутрішня енергія тіла може змінюватись за рахунок роботи зовнішніх сил. Для характеристики зміни внутрішньої енергії при теплообміні вводиться величина, яка називається кількістю теплоти і Q .
У міжнародній системі одиницею кількості теплоти, як роботи і енергії, є джоуль: = = = 1 Дж.
Насправді ще іноді застосовується позасистемна одиниця кількості теплоти – калорія. 1 кал. = 4,2 Дж.
Слід зазначити, що термін «кількість теплоти» невдалий. Він був запроваджений тоді, коли вважалося, що у тілах міститься якась невагома, невловима рідина – теплород. Процес теплообміну, нібито, полягає в тому, що теплород, переливаючись з одного тіла в інше, переносить із собою кілька теплоти. Зараз, знаючи основи молекулярно-кінетичної теорії будови речовини, ми розуміємо, що теплорода в тілах немає, механізм зміни внутрішньої енергії тіла інший. Проте сила традицій велика і ми продовжуємо користуватися терміном, введеним на основі невірних уявлень про природу теплоти. Разом з тим, розуміючи природу теплообміну, не слід повністю ігнорувати невірні уявлення про нього. Навпаки, проводячи аналогію між потоком тепла і потоком гіпотетичної рідини теплороду, кількістю теплоти і кількістю теплороду, можна при вирішенні деяких класів завдань наочно уявити процеси і правильно вирішити задачі. Зрештою, вірні рівняння, що описують процеси теплообміну, були свого часу отримані на основі невірних уявлень про теплород, як носій теплоти.
Розглянемо докладніше процеси, які можуть протікати внаслідок теплообміну.
Наллємо в пробірку трохи води та закриємо її пробкою. Підвісимо пробірку до стрижня, закріпленого в штативі, та підведемо під неї відкрите полум'я. Від полум'я пробірка отримує деяку кількість теплоти і температура рідини, що у ній, підвищується. У разі підвищення температури внутрішня енергія рідини збільшується. Відбувається інтенсивний процес її пароутворення. Пари рідини, що розширюються, здійснюють механічну роботу з виштовхування пробки з пробірки.
Проведемо ще один досвід із моделлю гармати, виготовленої з відрізка латунної трубки, яка укріплена на візку. З одного боку трубка щільно закрита ебонітовою пробкою, крізь яку пропущено шпильку. До шпильки та трубки припаяні дроти, що закінчуються клемами, на які може подаватися напруга від освітлювальної мережі. Модель гармати, таким чином, є різновидом електричного кип'ятильника.
Наллємо в стовбур гармати трохи води та закриємо трубку гумовою пробкою. Підключимо гармату до джерела струму. Електричний струм, проходячи через воду, нагріває її. Вода закипає, що призводить до її інтенсивного пароутворення. Тиск водяної пари зростає і, нарешті, вони роблять роботу з виштовхування пробки зі стовбура гармати.
Гармата, внаслідок віддачі, відкочується убік, протилежний вильоту пробки.
Обидва досвіди поєднують такі обставини. У процесі нагрівання рідини різними способами температура рідини і, відповідно, її внутрішня енергія збільшувалися. Для того, щоб рідина кипіла та інтенсивно випаровувалась, необхідно було продовжувати її нагрівання.
Пари рідини за рахунок своєї внутрішньої енергії здійснили механічну роботу.
Досліджуємо залежність кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла, від його маси, зміни температури та роду речовини. Для дослідження даних залежностей будемо використовувати воду та олію. (Для вимірювання температури в досвіді застосовується електричний термометр, виготовлений з термопари, підключеної до дзеркального гальванометра. Один спай термопари опущений у посудину з холодною водою для забезпечення сталості його температури. Інший спай термопари вимірює температуру рідини, що досліджується).
Досвід складається із трьох серій. У першій серії досліджується для постійної маси конкретної рідини (у нашому випадку – води) залежність кількості теплоти, необхідної для її нагрівання від зміни температури. Про кількість теплоти, отриманої рідиною від нагрівача (електричної плитки), будемо судити за часом нагрівання, припускаючи, що між ними існує прямо пропорційна залежність. Щоб результат експерименту відповідав цьому припущенню, необхідно забезпечити стаціонарний потік тепла від електроплитки до тіла, що нагрівається. Для цього електроплитка була включена до мережі заздалегідь, так щоб до початку досвіду температура її поверхні перестала змінюватися. Для більш рівномірного нагрівання рідини під час досвіду помішуватимемо її за допомогою самої термопари. Фіксуватимемо показання термометра через рівні проміжки часу до тих пір, поки світловий зайчик не дійде до краю шкали.
Зробимо висновок: між кількістю теплоти, необхідною для нагрівання тіла та зміною його температури, існує пряма пропорційна залежність.
У другій серії дослідів порівнюватимемо кількості теплоти, необхідні для нагрівання однакових рідин різної маси при зміні їх температури на ту саму величину.
Для зручності порівняння одержуваних величин масу води другого досвіду візьмемо вдвічі менше, ніж у першому досвіді.
Знову фіксуватимемо показання термометра через рівні проміжки часу.
Порівнюючи результати першого та другого дослідів можна зробити такі висновки.
У третій серії дослідів порівнюватимемо кількості теплоти, необхідні для нагрівання рівних мас різних рідин, при зміні їх температури на одну і ту ж величину.
Нагріватимемо на електроплитці масло, маса якого дорівнює масі води в першому досвіді. Фіксуватимемо показання термометра через рівні проміжки часу.
Результат досвіду підтверджує висновок про те, що кількість теплоти, необхідна для нагрівання тіла, прямо пропорційно до зміни його температури і, крім того, свідчить про залежність цієї кількості теплоти від роду речовини.
Оскільки в досвіді використовувалося масло, щільність якого менше густини води і для нагрівання олії до деякої температури знадобилася менше теплоти, ніж для нагрівання води, можна припустити, що кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла, залежить від його густини.
Щоб перевірити це припущення, одночасно нагріватимемо на нагрівачі постійної потужності однакові маси води, парафіну і міді.
Через один і той же час температура міді виявляється приблизно в 10 разів, а парафіну приблизно в 2 рази вище за температуру води.
Але мідь має більшу, а парафін меншу щільність, ніж вода.
Досвід показує, що величиною, що характеризує швидкість зміни температури речовин, у тому числі виготовлені тіла, що у теплообміні, не щільність. Ця величина називається питомою теплоємністю речовини і позначається літерою c.
Для порівняння питомих теплоємностей різних речовин є спеціальний прилад. Прилад складається з стійок, у яких кріпиться тонка парафінова пластинка та планка з пропущеними крізь неї стрижнями. На кінцях стрижнів укріплені алюмінієвий, сталевий та латунний циліндри рівної маси.
Нагріємо циліндри до однакової температури, зануривши їх у посудину з водою, що стоїть на гарячій електроплитці. Закріпимо гарячі циліндри на стійках і звільнимо їх від кріплення. Циліндри одночасно торкаються парафінової пластини і, плавлячи парафін, починають занурюватися в неї. Глибина занурення циліндрів однакової маси парафінову пластину, при зміні їх температури на одну і ту ж величину, виявляється різною.
Досвід свідчить про те, що питомі теплоємності алюмінію, сталі та латуні різні.
Виконавши відповідні досліди з плавленням твердих тіл, пароутворенням рідин, згорянням палива отримуємо такі кількісні залежності.
Щоб отримати одиниці питомих величин, їх треба виразити з відповідних формул і отримані вирази підставити одиниці теплоти - 1 Дж, маси - 1 кг, а для питомої теплоємності - і 1 К.
Отримуємо одиниці: питомої теплоємності – 1 Дж/кг·К, інших питомих теплот: 1 Дж/кг.
У фокусі уваги нашої статті – кількість теплоти. Ми розглянемо поняття внутрішньої енергії, яка трансформується за зміни цієї величини. А також покажемо деякі приклади застосування розрахунків у людській діяльності.
Теплота
З будь-яким словом рідної мови кожна людина має свої асоціації. Вони визначаються особистим досвідом та ірраціональними почуттями. Що зазвичай здається при слові «теплота»? М'яка ковдра, батарея центрального опалення, що працює взимку, перше сонячне світло навесні, кіт. Або погляд матері, втішне слово друга, вчасно виявлену увагу.
Фізики мають на увазі під цим конкретний термін. І дуже важливий, особливо в деяких розділах цієї складної, але цікавої науки.
Термодинаміка
Розглядати кількість теплоти у відриві від найпростіших процесів, на які спирається закон збереження енергії, не варто нічого не буде зрозуміло. Тому спершу нагадаємо їх читачам.
Термодинаміка розглядає будь-яку річ чи об'єкт як поєднання дуже великої кількості елементарних частин – атомів, іонів, молекул. Її рівняння описують будь-яку зміну колективного стану системи як цілого і частини цілого при зміні макропараметрів. Під останніми розуміються температура (позначається як Т), тиск (Р), концентрація компонентів (зазвичай, З).
Внутрішня енергія
Внутрішня енергія - досить складний термін, у сенсі якого варто розібратися, перш ніж говорити про кількість теплоти. Він позначає ту енергію, яка змінюється зі збільшенням чи зменшенні значення макропараметрів об'єкта і залежить від системи отсчета. Є частиною загальної енергії. Збігається з нею в умовах, коли центр мас досліджуваної речі спочиває (тобто відсутня кінетична складова).
Коли людина відчуває, що деякий об'єкт (скажімо, велосипед) нагрівся або охолонуло, це показує, що всі молекули та атоми, що становлять цю систему, зазнали зміни внутрішньої енергії. Проте незмінність температури значить збереження цього показника.
Робота та теплота
Внутрішня енергія будь-якої термодинамічної системи може перетворитися двома способами:
- за допомогою здійснення над нею роботи;
- при теплообмін з навколишнім середовищем.
Формула цього процесу виглядає так:
dU=Q-А, де U – внутрішня енергія, Q – теплота, А – робота.
Нехай читач не спокушається простотою висловлювання. Перестановка показує, що Q=dU+А, проте введення ентропії (S) наводить формулу виду dQ=dSxT.
Так як в даному випадку рівняння набуває вигляду диференціального, то і перше вираз вимагає того ж. Далі, залежно від сил, що діють в об'єкті, що досліджується, і параметра, який обчислюється, виводиться необхідне співвідношення.
Візьмемо як приклад термодинамічної системи металеву кульку. Якщо на нього натиснути, підкинути вгору, впустити в глибокий колодязь, це означає здійснити над ним роботу. Суто зовні всі ці нешкідливі дії кульки ніякої шкоди не завдадуть, але внутрішня енергія її зміниться, хоч і дуже ненабагато.
Другий спосіб – це теплообмін. Тепер підходимо до головної мети цієї статті: опис того, що така кількість теплоти. Це така зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи, яка відбувається при теплообміні (див. формулу вище). Воно вимірюється у джоулях чи калоріях. Очевидно, що якщо кульку потримати над запальничкою, на сонці, або просто в теплій руці, то вона нагріється. А далі можна змінити температуру знайти кількість теплоти, яку йому було при цьому повідомлено.
Чому газ – найкращий приклад зміни внутрішньої енергії, і чому через це школярі не люблять фізику
Вище ми описували зміни термодинамічних параметрів металевої кульки. Вони без спеціальних приладів не дуже помітні, і читачеві залишається повірити на слово про процеси, що відбуваються з об'єктом. Інша річ, якщо система – газ. Натисніть на нього – це буде видно, нагрійте – підніметься тиск, опустіть під землю – і це можна легко зафіксувати. Тому в підручниках найчастіше як наочна термодинамічна система беруть саме газ.
Але, на жаль, у сучасній освіті реальним дослідам приділяється не так багато уваги. Вчений, який пише методичний посібник, добре розуміє, про що йдеться. Йому здається, що на прикладі молекул газу всі термодинамічні параметри будуть належним чином продемонстровані. Але учневі, який тільки відкриває собі цей світ, нудно слухати про ідеальну колбу з теоретичним поршнем. Якби в школі існували справжні дослідні лабораторії і на роботу в них виділялися годинники, все було б інакше. Поки що, на жаль, досліди лише на папері. І, швидше за все, саме це стає причиною того, що люди вважають цей розділ фізики чимось суто теоретичним, далеким від життя та непотрібним.
Тому ми вирішили як приклад навести вже згадуваний велосипед. Людина тисне на педалі – здійснює над ними роботу. Крім повідомлення всьому механізму моменту, що крутить (завдяки якому велосипед і переміщається в просторі), змінюється внутрішня енергія матеріалів, з яких зроблені важелі. Велосипедист натискає на ручки, щоб повернути - і знову здійснює роботу.
Внутрішня енергія зовнішнього покриття (пластику чи металу) збільшується. Людина виїжджає на галявину під яскраве сонце – велосипед нагрівається, змінюється його кількість теплоти. Зупиняється відпочити в тіні старого дуба і система охолоджується, втрачаючи калорії або джоулі. Збільшує швидкість – зростає обмін енергією. Однак розрахунок кількості теплоти у всіх цих випадках покаже дуже невелику, непомітну величину. Тому і здається, що проявів термодинамічної фізики у реальному житті немає.
Застосування розрахунків щодо зміни кількості теплоти
Ймовірно, читач скаже, що все це дуже пізнавально, але навіщо нас так мучать у школі цими формулами. А зараз ми наведемо приклади, в яких сферах людської діяльності вони потрібні безпосередньо і як це стосується будь-кого в його повсякденності.
Для початку подивіться навколо себе та порахуйте: скільки предметів із металу вас оточують? Напевно, більше десяти. Але перш ніж стати скріпкою, вагоном, кільцем чи флешкою, будь-який метал проходить виплавку. Кожен комбінат, на якому переробляють, скажімо, залізну руду, повинен розуміти, скільки потрібно палива, щоб оптимізувати витрати. А розраховуючи це, необхідно знати теплоємність металовмісної сировини та кількість теплоти, яку йому необхідно повідомити, щоб відбулися всі технологічні процеси. Оскільки енергія, що виділяється одиницею палива, розраховується в джоулях або калоріях, то формули потрібні безпосередньо.
Або інший приклад: у більшості супермаркетів є відділ із замороженими товарами – рибою, м'ясом, фруктами. Там, де сировина з м'яса тварин чи морепродуктів перетворюється на напівфабрикат, повинні знати, скільки електрики вживуть холодильні та морозильні установки на тонну чи одиницю готового продукту. Для цього слід розрахувати, скільки теплоти втрачає кілограм полуниці або кальмарів при охолодженні на один градус Цельсія. А в результаті це покаже, скільки електрики витратить морозильник певної потужності.
Літаки, пароплави, поїзди
Вище ми показали приклади щодо нерухомих, статичних предметів, яким повідомляють або які, навпаки, забирають певну кількість теплоти. Для об'єктів, що в процесі роботи рухаються в умовах постійної температури, розрахунки кількості теплоти важливі з іншої причини.
Є таке поняття, як "втома металу". Включає воно також і гранично допустимі навантаження при певній швидкості зміни температури. Уявіть, літак злітає із вологих тропіків у заморожені верхні шари атмосфери. Інженерам доводиться багато працювати, щоб він не розвалився через тріщини в металі, які з'являються при перепаді температури. Вони шукають такий склад сплаву, який може витримати реальні навантаження і матиме великий запас міцності. А щоб не шукати наосліп, сподіваючись випадково натрапити на потрібну композицію, доводиться робити багато розрахунків, у тому числі й тих, що включають зміни кількості теплоти.
Змінити внутрішню енергію газу в циліндрі можна не тільки здійснюючи роботу, але й нагріваючи газ (рис. 43). Якщо закріпити поршень, то обсяг газу не змінюватиметься, але температура, а отже, і внутрішня енергія зростатимуть.
Процес передачі енергії від одного тіла до іншого без виконання роботи називають теплообміном або теплопередачею.
Енергію, передану тілу внаслідок теплообміну, називають кількістю теплоти.Кількість теплоти називають також енергію, яку тіло віддає в процесі теплообміну.
Молекулярна картина теплообміну.При теплообміні на кордоні між тілами відбувається взаємодія молекул холодного тіла, що повільно рухаються, з більш швидко рухомими молекулами гарячого тіла. В результаті кінетичні енергії молекул вирівнюються та швидкості молекул холодного тіла збільшуються, а гарячого зменшуються.
При теплообміні не відбувається перетворення енергії з однієї форми на іншу: частина внутрішньої енергії гарячого тіла передається холодному тілу.
Кількість теплоти та теплоємність.З курсу фізики VII класу відомо, що для нагрівання тіла масою m від температури t 1 до температури t 2 необхідно повідомити кількість теплоти
Q = cm (t2 - t1) = cmΔt. (4.5)
При охолодженні тіла його одвічна температура t 2 менша від початкової t 1 і кількість теплоти, що віддається тілом, негативно.
Коефіцієнт c у формулі (4.5) називають питомою теплоємністю. Питома теплоємність – це кількість теплоти, що одержує чи віддає 1 кг речовини за зміни її температури на 1 До.
Питому теплоємність виражають у джоулях, поділених на кілограм, помножений на кельвін.Різним тілам потрібна неоднакова кількість енергії для підвищення температури на 1 К. Так, питома теплоємність води 4190 Дж/(кг·К), а міді 380 Дж/(кг·К).
Питома теплоємність залежить тільки від властивостей речовини, а й від цього, у якому процесі здійснюється теплопередача. Якщо нагрівати газ при постійному тиску, то він розширюватиметься і виконуватиме роботу. Для нагрівання газу на 1°C при постійному тиску йому потрібно буде передати більшу кількість теплоти, ніж нагрівання при постійному обсязі.
Рідкі та тверді тіла розширюються при нагріванні незначно, та їх питомі теплоємності при постійному обсязі та постійному тиску мало різняться.
Питома теплота пароутворення.Для перетворення рідини на пару необхідна передача їй певної кількості теплоти. Температура рідини при цьому перетворенні не змінюється. Перетворення рідини на пару при постійній температурі не веде до збільшення кінетичної енергії молекул, але супроводжується збільшенням їхньої потенційної енергії. Адже середня відстань між молекулами газу в багато разів більша, ніж між молекулами рідини. Крім того, збільшення обсягу при переході речовини з рідкого стану в газоподібний вимагає здійснення роботи проти сил зовнішнього тиску.
Кількість теплоти, необхідне для перетворення при настояній температурі 1 кг рідини на пару, називають питомою теплотою пароутворення. Позначають цю величину буквою r і виражають у джоулях на кілограм.
Дуже велика питома теплота пароутворення води: 2256 · 10 6 Дж/кг при температурі 100°C. В інших рідин (спирт, ефір, ртуть, гас та ін) питома теплота пароутворення менша в 3-10 разів.
Для перетворення на пару рідини масою m потрібна кількість теплоти, що дорівнює:
При конденсації пари відбувається виділення такої ж кількості теплоти
Q k = -rm. (4.7)
Питома теплота плавлення.При плавленні кристалічного тіла вся теплота, що підводиться до нього, йде на збільшення потенційної енергії молекул. Кінетична енергія молекул не змінюється, тому що плавлення відбувається за постійної температури.
Кількість теплоти (лямбда), необхідне для перетворення 1 кг кристалічної речовини при температурі плавлення в рідину тієї ж температури, називають питомою теплотою плавлення.
При кристалізації 1 кг речовини виділяється така сама кількість теплоти. Питома теплота плавлення льоду досить велика: 3,4 · 105 Дж/кг.
Для того щоб розплавити кристалічне тіло масою m, необхідна кількість теплоти, що дорівнює:
Q пл = λm. (4.8)
Кількість теплоти, що виділяється при кристалізації тіла, дорівнює:
Q кр = - λm. (4.9)
1. Що називають кількістю теплоти? 2. Від чого залежить питома теплоємність речовин? 3. Що називають питомою теплотою пароутворення? 4. Що називають питомою теплотою плавлення? 5. У яких випадках кількість переданої теплоти є негативною?
Навчальна мета: Ввести поняття кількості теплоти та питомої теплоємності.
Розвиваюча мета: Виховувати уважність; вчити думати, робити висновки.
1. Актуалізація теми
2. Пояснення нового матеріалу. 50 хв.
Вам вже відомо, що внутрішня енергія тіла може змінюватися як шляхом виконання роботи, так і теплопередачі (без виконання роботи).
Енергія, яку отримує або втрачає тіло під час теплопередачі, називають кількістю теплоти. (Запис у зошит)
Значить і одиниці виміру кількості теплоти теж Джоулі ( Дж).
Проводимо досвід: дві склянки в одному 300 г води, а в іншому 150 г і залізний циліндр масою 150 г. Обидві склянки ставляться на одну і ту ж плитку. Через деякий час термометри покажуть, що вода в посудині, де знаходиться тіло, нагрівається швидше.
Це означає, що для нагрівання 150 г залізо потрібна менше теплоти, ніж для нагрівання 150 г води.
Кількість теплоти, передана тілу, залежить від роду речовини, з якої виготовлено тіло. (Запис у зошит)
Пропонуємо питання: чи однакова кількість теплоти потрібна для нагрівання до однієї і тієї ж температури тіл рівної маси, але які складаються з різних речовин?
Проводимо досвід із приладом Тіндаля щодо визначення питомої теплоємності.
Робимо висновок: тіла з різних речовин, але однакової маси, віддають при охолодженні і вимагають при нагріванні на те саме число градусів різну кількість теплоти.
Робимо висновки:
1. Для нагрівання до однієї і тієї ж температури тіл рівної маси, що складаються з різних речовин, потрібна різна кількість теплоти.
2.Тіла рівної маси, що складаються з різних речовин і нагріті до однакової температури. При охолодженні на те саме число градусів віддають різну кількість теплоти.
Робимо висновок, що кількість теплоти, необхідне нагрівання на один градус одиниці мас різних речовин, буде різним.
Даємо визначення питомої теплоємності.
Фізична величина, чисельно рівна кількості теплоти, яку необхідно передати тілу масою 1 кг для того, щоб його температура змінилася на 1 градус, називається питомою теплоємністю речовини.
Вводимо одиницю виміру питомої теплоємності: 1Дж/кг*градус.
Фізичний зміст терміна : питома теплоємність показує, яку величину змінюється внутрішня енергія 1г (кг.) речовини при нагріванні чи охолодженні його за 1 градус.
Розглядаємо таблицю питомих теплоємностей деяких речовин.
Вирішуємо завдання аналітичним шляхом
Яка кількість теплоти потрібна, щоб нагріти склянку води (200 г) від 20 0 до 70 0 С.
Для нагрівання 1 г на 1 г. Потрібно - 4,2 Дж.
А для нагрівання 200 р. на 1 р. потрібно в 200 більше - 200 * 4,2 Дж.
А для нагрівання 200 г. на (70 0 -20 0) потрібно ще в (70-20) більше - 200 * (70-20) * 4,2 Дж
Підставляючи дані, отримаємо Q = 200*50*4,2 Дж = 42000 Дж.
Запишемо отриману формулу через відповідні величини
4. Від чого залежить кількість теплоти, одержана тілом при нагріванні?
Звертаємо увагу, що кількість теплоти, необхідна для нагрівання будь-якого тіла, пропорційна масі тіла і зміні його температури.
Є два циліндри однакової маси: залізний та латунний. Чи однакову кількість теплоти необхідно, щоб нагріти їх на одне і те ж число градусів? Чому?
Яку кількість теплоти необхідно, щоб нагріти 250 г води від 20 о до 60 0 С.
Який зв'язок між калорією та джоулем?
Калорія – це кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання 1 г води на 1 градус.
1 кал = 4.19 = 4.2 Дж
1ккал = 1000кал
1ккал = 4190Дж = 4200Дж
3. Розв'язання задач. 28 хв.
Якщо прогріті в окропі циліндри зі свинцю, олова і стали масою 1 кг поставити на лід, то вони охолонуть, і частина льоду під ними розтане. Як зміниться внутрішня енергія циліндрів? Під яким із циліндрів розтане більше льоду, під яким – менше?
Нагрітий камінь масою 5 кг. Охолоджуючись у воді на 1 градус, передає їй 2,1 кДж енергії. Чому дорівнює питома теплоємність каменю
При загартуванні зубила його спочатку нагріли до 650 0 , потім опустили в олію, де вона стигла до 50 0 С. Яка при цьому виділилася кількість теплоти, якщо маса 500 гр.
Яка кількість теплоти пішла на нагрівання від 200 до 12200С. сталевої заготовки для колінчастого валу компресора масою 35 кг.
Самостійна робота
Який вид теплопередачі?
Учні заповнюють таблицю.
- Повітря у кімнаті нагрівається через стіни.
- Через відкрите вікно, до якого входить тепле повітря.
- Через скло, що пропускає промені сонця.
- Земля нагрівається променями сонця.
- Рідина нагрівається на плиті.
- Сталева ложка нагрівається від чаю.
- Повітря нагрівається від свічки.
- Газ рухається біля тепловиділяючих деталей машини.
- Нагрівання стовбура кулемета.
- Кипіння молока.
5. Домашнє завдання: Перишкін А.В. "Фізика 8" § §7, 8; Збірник завдань 7-8 Лукашик В.І. №№778-780, 792,793 2 хв.
У цьому уроці ми навчимося розраховувати кількість теплоти, необхідну для нагрівання тіла або виділене ним при охолодженні. Для цього ми узагальнимо ті знання, які були отримані на попередніх уроках.
Крім того, ми навчимося за допомогою формули для кількості теплоти виражати інші величини цієї формули і розраховувати їх, знаючи інші величини. Також буде розглянуто приклад задачі із рішенням на обчислення кількості теплоти.
Даний урок присвячений обчисленню кількості теплоти при нагріванні тіла або виділеного ним при охолодженні.
Вміння обчислювати потрібну кількість теплоти є дуже важливим. Це може знадобитися, наприклад, при обчисленні кількості теплоти, яку потрібно повідомити воді для обігріву приміщення.
Мал. 1. Кількість теплоти, яку необхідно повідомити воді для обігріву приміщення
Або для обчислення кількості теплоти, що виділяється при спалюванні палива у різних двигунах:
Мал. 2. Кількість теплоти, що виділяється при спалюванні палива у двигуні
Також ці знання потрібні, наприклад, щоб визначити кількість теплоти, що виділяється Сонцем та потрапляє на Землю:
Мал. 3. Кількість теплоти, що виділяється Сонцем і потрапляє на Землю
Для обчислення кількості теплоти необхідно знати три речі (рис. 4):
- масу тіла (яку, як правило, можна виміряти за допомогою ваг);
- різницю температур, яку необхідно нагріти тіло чи охолодити його (зазвичай вимірюється з допомогою термометра);
- питому теплоємність тіла (яку можна визначити за таблицею).
Мал. 4. Що потрібно знати для визначення
Формула, за якою обчислюється кількість теплоти, виглядає так:
У цій формулі фігурують такі величини:
Кількість теплоти, що вимірюється в джоулях (Дж);
Питома теплоємність речовини, що вимірюється в ;
- різниця температур, що вимірюється в градусах Цельсія ().
Розглянемо завдання обчислення кількості теплоти.
Завдання
У мідній склянці масою грам знаходиться вода об'ємом літра при температурі. Яку кількість теплоти необхідно передати склянці з водою, щоб її температура дорівнювала ?
Мал. 5. Ілюстрація умови завдання
Спочатку запишемо коротку умову ( Дано) і переведемо всі величини до системи інтернаціонал (СІ).
|
Дано: |
СІ |
|
|
Знайти: |
Рішення:
Спочатку визнач, які ще величини будуть потрібні нам для вирішення цього завдання. За таблицею питомої теплоємності (табл. 1) знаходимо (питома теплоємність міді, оскільки за умовою склянка мідна), (питома теплоємність води, оскільки за умовою у склянці знаходиться вода). Крім того, знаємо, що для обчислення кількості теплоти нам знадобиться маса води. За умовою нам дано лише обсяг. Тому з таблиці візьмемо густину води: (табл. 2).
Табл. 1. Питома теплоємність деяких речовин,
Табл. 2. Щільності деяких рідин
Тепер у нас є все необхідне для вирішення цього завдання.
Зауважимо, що підсумкова кількість теплоти складатиметься із суми кількості теплоти, необхідної для нагрівання мідної склянки та кількості теплоти, необхідної для нагрівання води в ньому:
Розрахуємо спочатку кількість теплоти, необхідну для нагрівання мідної склянки:
Перш ніж обчислити кількість теплоти, необхідну для нагрівання води, розрахуємо масу води за формулою, яка добре знайома нам з 7 класу:
Тепер можемо обчислити:
Тоді можемо обчислити:
Нагадаємо, що означає: кілоджоулі. Приставка «кіло» означає , тобто .
Відповідь:.
Для зручності розв'язання задач на знаходження кількості теплоти (так звані прямі завдання) та пов'язаних з цим поняттям величин можна користуватися наступною таблицею.
|
Шукана величина |
Позначення |
Одиниці виміру |
Основна формула |
Формула для величини |
|
Кількість теплоти |
На наступному уроці ми проведемо лабораторну роботу, мета якої навчитися експериментально визначати питому теплоємність твердого тіла. переліклітератури:
Домашнє завдання |