Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος εξαρτάται από τη θερμοκρασία και τις εξωτερικές συνθήκες - όγκος κ.λπ. Εάν οι εξωτερικές συνθήκες παραμένουν αμετάβλητες, δηλαδή ο όγκος και οι άλλες παράμετροι είναι σταθερές, τότε η εσωτερική ενέργεια του σώματος εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία του.
Μπορείτε να αλλάξετε την εσωτερική ενέργεια ενός σώματος όχι μόνο θερμαίνοντάς το σε φλόγα ή εκτελώντας μηχανικές εργασίες σε αυτό (χωρίς να αλλάξετε τη θέση του σώματος, για παράδειγμα, το έργο της τριβής), αλλά και φέρνοντάς το σε επαφή με ένα άλλο σώμα που έχει θερμοκρασία διαφορετική από τη θερμοκρασία δεδομένο σώμα, δηλαδή μέσω μεταφοράς θερμότητας.
Η ποσότητα της εσωτερικής ενέργειας που κερδίζει ή χάνει ένα σώμα κατά τη μεταφορά θερμότητας ονομάζεται «ποσότητα θερμότητας». Η ποσότητα της θερμότητας συνήθως υποδηλώνεται με το γράμμα «Q». Εάν η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος αυξάνεται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μεταφοράς θερμότητας, τότε η θερμότητα λαμβάνει πρόσημο συν και λέγεται ότι έχει δοθεί θερμότητα στο σώμα «Q». Όταν η εσωτερική ενέργεια μειώνεται κατά τη διαδικασία μεταφοράς θερμότητας, η θερμότητα θεωρείται αρνητική και λέγεται ότι η ποσότητα της θερμότητας «Q» έχει αφαιρεθεί (ή αφαιρεθεί) από το σώμα.
Η ποσότητα της θερμότητας μπορεί να μετρηθεί στις ίδιες μονάδες στις οποίες μετράται η μηχανική ενέργεια. Στο SI είναι «1». μονάδα ενέργειας ή έργου. Υπάρχει μια άλλη μονάδα μέτρησης θερμότητας - η θερμίδα. Θερμίδαείναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση `1` g νερού κατά `1^@ bb"C"`. Η σχέση μεταξύ αυτών των μονάδων καθιερώθηκε από το Joule: `1` cal `= 4,18` J. Αυτό σημαίνει ότι λόγω της εργασίας των `4,18` kJ, η θερμοκρασία του `1` kg νερού θα αυξηθεί κατά '1` βαθμό.
Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος κατά «1^@ bb"C" ονομάζεται θερμοχωρητικότητα του σώματος. Η θερμοχωρητικότητα ενός σώματος ορίζεται με το γράμμα «C». Εάν δοθεί στο σώμα μια μικρή ποσότητα θερμότητας «Delta Q» και η θερμοκρασία του σώματος αλλάξει σε βαθμούς «Delta t», τότε
| `Q=C*Deltat=C*(t_2 - t_1)=c*m*(t_2 - t_1)`. | (1.3) |
Εάν ένα σώμα περιβάλλεται από ένα κέλυφος που δεν μεταφέρει καλά τη θερμότητα, τότε η θερμοκρασία του σώματος, αν αφεθεί στην τύχη του, θα παραμείνει πρακτικά σταθερή για μεγάλο χρονικό διάστημα. Τέτοια ιδανικά κοχύλια, φυσικά, δεν υπάρχουν στη φύση, αλλά είναι δυνατό να δημιουργηθούν κοχύλια που να είναι κοντά σε τέτοια στις ιδιότητές τους.
Παραδείγματα περιλαμβάνουν επένδυση διαστημόπλοια, Σκάφη Dewar που χρησιμοποιούνται στη φυσική και την τεχνολογία. Η φιάλη Dewar είναι ένας γυάλινος ή μεταλλικός κύλινδρος με διπλά τοιχώματα καθρέφτη, μεταξύ των οποίων δημιουργείται υψηλό κενό. Η γυάλινη φιάλη ενός θερμού σπιτιού είναι επίσης μια φιάλη Dewar.
Το κέλυφος είναι μονωτικό θερμιδόμετρο- μια συσκευή που σας επιτρέπει να μετράτε την ποσότητα της θερμότητας. Το θερμιδόμετρο είναι ένα μεγάλο γυαλί με λεπτά τοιχώματα, τοποθετημένο σε κομμάτια φελλού μέσα σε ένα άλλο μεγάλο ποτήρι έτσι ώστε να παραμένει ένα στρώμα αέρα ανάμεσα στους τοίχους και κλείνει από πάνω με ένα θερμομονωτικό καπάκι.
Εάν δύο ή περισσότερα σώματα με διαφορετικές θερμοκρασίες έρθουν σε θερμική επαφή σε ένα θερμιδόμετρο και περιμένουν, τότε μετά από κάποιο χρονικό διάστημα θα δημιουργηθεί θερμική ισορροπία μέσα στο θερμιδόμετρο. Κατά τη διαδικασία μετάβασης στη θερμική ισορροπία, ορισμένα σώματα θα εκπέμψουν θερμότητα (συνολική ποσότητα θερμότητας `Q_(sf"δάπεδο")`), άλλα θα λάβουν θερμότητα (συνολική ποσότητα θερμότητας "Q_(sf"δάπεδο")") . Και επειδή το θερμιδόμετρο και τα σώματα που περιέχονται σε αυτό δεν ανταλλάσσουν θερμότητα με τον περιβάλλοντα χώρο, αλλά μόνο μεταξύ τους, μπορούμε να γράψουμε μια σχέση, που ονομάζεται επίσης εξίσωση ισορροπίας θερμότητας:
Σε μια σειρά από θερμικές διεργασίες, η θερμότητα μπορεί να απορροφηθεί ή να απελευθερωθεί από ένα σώμα χωρίς να αλλάξει η θερμοκρασία του. Τέτοιες θερμικές διεργασίες συμβαίνουν όταν αλλάζει η αθροιστική κατάσταση μιας ουσίας - τήξη, κρυστάλλωση, εξάτμιση, συμπύκνωση και βρασμός. Ας δούμε εν συντομία τα κύρια χαρακτηριστικά αυτών των διαδικασιών.
Τήξη- η διαδικασία μετατροπής ενός κρυσταλλικού στερεού σε υγρό. Η διαδικασία τήξης γίνεται σε σταθερή θερμοκρασία, ενώ η θερμότητα απορροφάται.
Η ειδική θερμότητα σύντηξης «λάμδα» είναι ίση με την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για την τήξη «1» kg κρυσταλλικής ουσίας που λαμβάνεται στο σημείο τήξης της. Η ποσότητα θερμότητας `Q_(sf"pl")` που απαιτείται για να μετατραπεί ένα στερεό σώμα μάζας `m` στο σημείο τήξης σε υγρή κατάσταση είναι ίση με
Δεδομένου ότι το σημείο τήξης παραμένει σταθερό, η ποσότητα θερμότητας που μεταδίδεται στο σώμα αυξάνει τη δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων και το κρυσταλλικό πλέγμα καταστρέφεται.
Επεξεργάζομαι, διαδικασία αποκρυστάλλωση- Αυτή είναι μια διαδικασία αντίστροφη από τη διαδικασία τήξης. Κατά την κρυστάλλωση, το υγρό μετατρέπεται σε στερεό και απελευθερώνεται μια ποσότητα θερμότητας, η οποία προσδιορίζεται επίσης από τον τύπο (1.5).
Εξάτμισηείναι η διαδικασία μετατροπής του υγρού σε ατμό. Η εξάτμιση γίνεται από την ανοιχτή επιφάνεια του υγρού. Κατά τη διαδικασία της εξάτμισης, τα πιο γρήγορα μόρια εγκαταλείπουν το υγρό, δηλαδή μόρια που μπορούν να υπερνικήσουν τις ελκτικές δυνάμεις που ασκούνται από τα μόρια του υγρού. Ως αποτέλεσμα, εάν το υγρό είναι θερμικά μονωμένο, ψύχεται κατά τη διαδικασία εξάτμισης.
Η ειδική θερμότητα εξάτμισης «L» είναι ίση με την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να μετατραπεί «1» κιλό υγρού σε ατμό. Η ποσότητα θερμότητας «Q_(sf"χρήση")» που απαιτείται για τη μετατροπή ενός υγρού μάζας `m` σε κατάσταση ατμού είναι ίση με
| `Q_(sf"isp") =L*m`. | (1.6) |
Συμπύκνωση- διαδικασία αντίστροφη από τη διαδικασία εξάτμισης. Όταν συμβαίνει συμπύκνωση, ο ατμός μετατρέπεται σε υγρό. Αυτό παράγει θερμότητα. Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται κατά τη συμπύκνωση ατμού προσδιορίζεται από τον τύπο (1.6).
Βρασμός- μια διαδικασία κατά την οποία η πίεση κορεσμένων ατμών ενός υγρού είναι ίση με την ατμοσφαιρική πίεση, επομένως η εξάτμιση συμβαίνει όχι μόνο από την επιφάνεια, αλλά σε ολόκληρο τον όγκο (υπάρχουν πάντα φυσαλίδες αέρα στο υγρό· όταν βράζει, η πίεση ατμών σε αυτές φτάνει στην ατμοσφαιρική πίεση και οι φυσαλίδες ανεβαίνουν προς τα πάνω).
« Φυσική - 10η τάξη"
Σε ποιες διαδικασίες συμβαίνουν αθροιστικοί μετασχηματισμοί της ύλης;
Πώς μπορείτε να αλλάξετε την κατάσταση συσσωμάτωσης μιας ουσίας;
Μπορείτε να αλλάξετε την εσωτερική ενέργεια οποιουδήποτε σώματος κάνοντας εργασία, θερμαίνοντας ή, αντίθετα, ψύχοντάς το.
Έτσι, όταν σφυρηλατείται ένα μέταλλο, γίνεται δουλειά και θερμαίνεται, ταυτόχρονα το μέταλλο μπορεί να θερμανθεί πάνω από μια φλόγα που καίει.
Επίσης, εάν το έμβολο είναι σταθερό (Εικ. 13.5), τότε ο όγκος του αερίου δεν αλλάζει όταν θερμαίνεται και δεν γίνεται καμία εργασία. Αλλά η θερμοκρασία του αερίου, άρα και η εσωτερική του ενέργεια, αυξάνεται.
Η εσωτερική ενέργεια μπορεί να αυξηθεί και να μειωθεί, επομένως η ποσότητα της θερμότητας μπορεί να είναι θετική ή αρνητική.
Η διαδικασία μεταφοράς ενέργειας από το ένα σώμα στο άλλο χωρίς να γίνει εργασία ονομάζεται ανταλλαγή θερμότητας.
Το ποσοτικό μέτρο της μεταβολής της εσωτερικής ενέργειας κατά τη μεταφορά θερμότητας ονομάζεται ποσότητα θερμότητας.
Μοριακή εικόνα μεταφοράς θερμότητας.
Κατά την ανταλλαγή θερμότητας στα όρια μεταξύ των σωμάτων, εμφανίζεται η αλληλεπίδραση αργά κινούμενων μορίων ενός ψυχρού σώματος με ταχέως κινούμενα μόρια ενός θερμού σώματος. Ως αποτέλεσμα, οι κινητικές ενέργειες των μορίων εξισώνονται και οι ταχύτητες των μορίων του ψυχρού σώματος αυξάνονται και αυτές του θερμού σώματος μειώνονται.
Κατά τη διάρκεια της ανταλλαγής θερμότητας, η ενέργεια δεν μετατρέπεται από τη μια μορφή στην άλλη, μέρος της εσωτερικής ενέργειας ενός πιο θερμαινόμενου σώματος μεταφέρεται σε ένα λιγότερο θερμαινόμενο σώμα.
Ποσότητα θερμότητας και θερμοχωρητικότητα.
Γνωρίζετε ήδη ότι για να θερμάνετε ένα σώμα μάζας m από τη θερμοκρασία t 1 στη θερμοκρασία t 2, είναι απαραίτητο να μεταφέρετε μια ποσότητα θερμότητας σε αυτό:
Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)
Όταν ένα σώμα κρυώνει, η τελική του θερμοκρασία t 2 αποδεικνύεται μικρότερη από την αρχική θερμοκρασία t 1 και η ποσότητα θερμότητας που εκπέμπεται από το σώμα είναι αρνητική.
Ο συντελεστής c στον τύπο (13,5) ονομάζεται ειδική θερμοχωρητικότηταουσίες.
Ειδική θερμότητα- αυτή είναι μια ποσότητα αριθμητικά ίση με την ποσότητα θερμότητας που λαμβάνει ή εκλύει μια ουσία βάρους 1 kg όταν η θερμοκρασία της αλλάζει κατά 1 K.
Η ειδική θερμοχωρητικότητα των αερίων εξαρτάται από τη διαδικασία με την οποία πραγματοποιείται η μεταφορά θερμότητας. Εάν θερμαίνετε ένα αέριο σε σταθερή πίεση, αυτό θα διασταλεί και θα λειτουργήσει. Για να θερμανθεί ένα αέριο κατά 1 °C σε σταθερή πίεση, χρειάζεται να μεταφέρει περισσότερη θερμότητα παρά να το θερμάνει σε σταθερό όγκο, όταν το αέριο θα θερμανθεί μόνο.
Υγρό και στερεάδιαστέλλεται ελαφρώς όταν θερμαίνεται. Οι ειδικές θερμικές ικανότητές τους σε σταθερό όγκο και σταθερή πίεση διαφέρουν ελάχιστα.
Ειδική θερμότητα εξάτμισης.
Για να μετατραπεί ένα υγρό σε ατμό κατά τη διάρκεια της διαδικασίας βρασμού, πρέπει να μεταφερθεί σε αυτό μια συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας. Η θερμοκρασία ενός υγρού δεν αλλάζει όταν βράζει. Η μετατροπή ενός υγρού σε ατμό σε σταθερή θερμοκρασία δεν οδηγεί σε αύξηση της κινητικής ενέργειας των μορίων, αλλά συνοδεύεται από αύξηση της δυναμικής ενέργειας της αλληλεπίδρασής τους. Εξάλλου, η μέση απόσταση μεταξύ μορίων αερίου είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι μεταξύ μορίων υγρού.
Μια ποσότητα αριθμητικά ίση με την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη μετατροπή ενός υγρού βάρους 1 kg σε ατμό σε σταθερή θερμοκρασία ονομάζεται ειδική θερμότητα εξάτμισης.
Η διαδικασία εξάτμισης ενός υγρού συμβαίνει σε οποιαδήποτε θερμοκρασία, ενώ τα πιο γρήγορα μόρια φεύγουν από το υγρό και αυτό ψύχεται κατά την εξάτμιση. Η ειδική θερμότητα της εξάτμισης είναι ίση με την ειδική θερμότητα της εξάτμισης.
Αυτή η τιμή συμβολίζεται με το γράμμα r και εκφράζεται σε τζάουλ ανά κιλό (J/kg).
Η ειδική θερμότητα εξάτμισης του νερού είναι πολύ υψηλή: r H20 = 2,256 10 6 J/kg σε θερμοκρασία 100 °C. Για άλλα υγρά, για παράδειγμα αλκοόλη, αιθέρας, υδράργυρος, κηροζίνη, η ειδική θερμότητα εξάτμισης είναι 3-10 φορές μικρότερη από αυτή του νερού.
Για να μετατραπεί ένα υγρό μάζας m σε ατμό, απαιτείται ποσότητα θερμότητας ίση με:
Q p = rm. (13.6)
Όταν ο ατμός συμπυκνώνεται, απελευθερώνεται η ίδια ποσότητα θερμότητας:
Q k = -rm. (13.7)
Ειδική θερμότητα σύντηξης.
Όταν ένα κρυσταλλικό σώμα λιώνει, όλη η θερμότητα που παρέχεται σε αυτό πηγαίνει για να αυξήσει τη δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων. Η κινητική ενέργεια των μορίων δεν αλλάζει, αφού η τήξη γίνεται σε σταθερή θερμοκρασία.
Μια τιμή αριθμητικά ίση με την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη μετατροπή μιας κρυσταλλικής ουσίας βάρους 1 kg στο σημείο τήξης σε υγρό ονομάζεται ειδική θερμότητα σύντηξηςκαι συμβολίζεται με το γράμμα λ.
Όταν μια ουσία βάρους 1 kg κρυσταλλώνεται, απελευθερώνεται ακριβώς η ίδια ποσότητα θερμότητας που απορροφάται κατά την τήξη.
Η ειδική θερμότητα τήξης του πάγου είναι αρκετά υψηλή: 3,34 10 5 J/kg.
«Εάν ο πάγος δεν είχε υψηλή θερμότητα σύντηξης, τότε την άνοιξη ολόκληρη η μάζα του πάγου θα έπρεπε να λιώσει μέσα σε λίγα λεπτά ή δευτερόλεπτα, αφού η θερμότητα μεταφέρεται συνεχώς στον πάγο από τον αέρα. Οι συνέπειες αυτού θα ήταν τρομερές. Εξάλλου, ακόμη και στην παρούσα κατάσταση, μεγάλες πλημμύρες και ισχυρές ροές νερού προκύπτουν όταν λιώνουν μεγάλες μάζες πάγου ή χιονιού». R. Black, XVIII αιώνας.
Για να λιώσει ένα κρυσταλλικό σώμα μάζας m, απαιτείται ποσότητα θερμότητας ίση με:
Qpl = λm. (13.8)
Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται κατά την κρυστάλλωση ενός σώματος είναι ίση με:
Q cr = -λm (13,9)
Εξίσωση ισοζυγίου θερμότητας.
Ας εξετάσουμε την ανταλλαγή θερμότητας μέσα σε ένα σύστημα που αποτελείται από πολλά σώματα που αρχικά έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες, για παράδειγμα, την ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του νερού σε ένα δοχείο και μιας καυτής σιδερένιας σφαίρας που κατεβαίνει στο νερό. Σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, η ποσότητα θερμότητας που εκπέμπεται από ένα σώμα είναι αριθμητικά ίση με την ποσότητα θερμότητας που λαμβάνει ένα άλλο.
Η ποσότητα θερμότητας που δίνεται θεωρείται αρνητική, η ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται θεωρείται θετική. Επομένως, η συνολική ποσότητα θερμότητας Q1 + Q2 = 0.
Εάν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ πολλών σωμάτων σε ένα απομονωμένο σύστημα, τότε
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Καλείται η εξίσωση (13.10). εξίσωση ισορροπίας θερμότητας.
Εδώ Q 1 Q 2, Q 3 είναι οι ποσότητες θερμότητας που λαμβάνουν ή εκπέμπουν τα σώματα. Αυτές οι ποσότητες θερμότητας εκφράζονται με τον τύπο (13.5) ή τους τύπους (13.6)-(13.9), εάν πραγματοποιηθούν διάφοροι μετασχηματισμοί φάσης της ουσίας (τήξη, κρυστάλλωση, εξάτμιση, συμπύκνωση) κατά τη διαδικασία ανταλλαγής θερμότητας.
Σε αυτό το μάθημα θα μάθουμε πώς να υπολογίζουμε την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος ή που απελευθερώνεται από αυτό κατά την ψύξη. Για να γίνει αυτό, θα συνοψίσουμε τις γνώσεις που αποκτήθηκαν σε προηγούμενα μαθήματα.
Επιπλέον, θα μάθουμε, χρησιμοποιώντας τον τύπο για την ποσότητα της θερμότητας, να εκφράζουμε τις υπόλοιπες ποσότητες από αυτόν τον τύπο και να τις υπολογίζουμε, γνωρίζοντας άλλες ποσότητες. Θα εξεταστεί επίσης ένα παράδειγμα προβλήματος με λύση για τον υπολογισμό της ποσότητας θερμότητας.
Αυτό το μάθημααφιερώνεται στον υπολογισμό της ποσότητας θερμότητας όταν ένα σώμα θερμαίνεται ή απελευθερώνεται από αυτό όταν ψύχεται.
Η δυνατότητα υπολογισμού της απαιτούμενης ποσότητας θερμότητας είναι πολύ σημαντική. Αυτό μπορεί να χρειαστεί, για παράδειγμα, κατά τον υπολογισμό της ποσότητας θερμότητας που πρέπει να μεταδοθεί στο νερό για τη θέρμανση ενός δωματίου.
Ρύζι. 1. Η ποσότητα θερμότητας που πρέπει να μεταδοθεί στο νερό για τη θέρμανση του δωματίου
Ή για να υπολογίσετε την ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται όταν καίγεται καύσιμο σε διάφορους κινητήρες:
Ρύζι. 2. Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται όταν καίγεται καύσιμο στον κινητήρα
Αυτή η γνώση χρειάζεται επίσης, για παράδειγμα, για τον προσδιορισμό της ποσότητας θερμότητας που απελευθερώνεται από τον Ήλιο και πέφτει στη Γη:
Ρύζι. 3. Η ποσότητα θερμότητας που εκλύεται από τον Ήλιο και πέφτει στη Γη
Για να υπολογίσετε την ποσότητα της θερμότητας, πρέπει να γνωρίζετε τρία πράγματα (Εικ. 4):
- σωματικό βάρος (το οποίο συνήθως μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας μια ζυγαριά).
- τη διαφορά θερμοκρασίας με την οποία ένα σώμα πρέπει να θερμανθεί ή να ψυχθεί (συνήθως μετριέται με θερμόμετρο).
- ειδική θερμοχωρητικότητα του σώματος (η οποία μπορεί να προσδιοριστεί από τον πίνακα).
Ρύζι. 4. Τι πρέπει να γνωρίζετε για να προσδιορίσετε
Ο τύπος με τον οποίο υπολογίζεται η ποσότητα της θερμότητας μοιάζει με αυτό:
Οι ακόλουθες ποσότητες εμφανίζονται σε αυτόν τον τύπο:
Η ποσότητα θερμότητας που μετράται σε joules (J);
Η ειδική θερμοχωρητικότητα μιας ουσίας μετριέται σε ;
- διαφορά θερμοκρασίας, μετρημένη σε βαθμούς Κελσίου ().
Ας εξετάσουμε το πρόβλημα του υπολογισμού της ποσότητας θερμότητας.
Εργο
Ένα χάλκινο ποτήρι με μάζα γραμμαρίων περιέχει νερό με όγκο λίτρου σε θερμοκρασία. Πόση θερμότητα πρέπει να μεταφερθεί σε ένα ποτήρι νερό ώστε η θερμοκρασία του να γίνει ίση με ;
Ρύζι. 5. Απεικόνιση των προβληματικών συνθηκών
Πρώτα ας γράψουμε σύντομη κατάσταση (Δεδομένος) και μετατρέψτε όλες τις ποσότητες στο Διεθνές Σύστημα (SI).
|
Δεδομένος: |
ΣΙ |
|
|
Εύρημα: |
Λύση:
Πρώτα, καθορίστε ποιες άλλες ποσότητες χρειαζόμαστε για να λύσουμε αυτό το πρόβλημα. Χρησιμοποιώντας τον πίνακα ειδικής θερμοχωρητικότητας (Πίνακας 1) βρίσκουμε (ειδική θερμοχωρητικότητα χαλκού, αφού κατά συνθήκη το γυαλί είναι χαλκός), (ειδική θερμοχωρητικότητα νερού, αφού κατά συνθήκη υπάρχει νερό στο ποτήρι). Επιπλέον, γνωρίζουμε ότι για να υπολογίσουμε την ποσότητα της θερμότητας χρειαζόμαστε μια μάζα νερού. Σύμφωνα με την προϋπόθεση, μας δίνεται μόνο ο τόμος. Επομένως, από τον πίνακα παίρνουμε την πυκνότητα του νερού: (Πίνακας 2).
Τραπέζι 1. Ειδική θερμοχωρητικότητα ορισμένων ουσιών,
Τραπέζι 2. Πυκνότητες ορισμένων υγρών
Τώρα έχουμε όλα όσα χρειαζόμαστε για να λύσουμε αυτό το πρόβλημα.
Σημειώστε ότι η τελική ποσότητα θερμότητας θα αποτελείται από το άθροισμα της ποσότητας θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του χάλκινου γυαλιού και της ποσότητας θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού σε αυτό:
Ας υπολογίσουμε πρώτα την ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός χάλκινου ποτηριού:
Πριν υπολογίσουμε την ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση του νερού, ας υπολογίσουμε τη μάζα του νερού χρησιμοποιώντας έναν τύπο που είναι γνωστός σε εμάς από τον βαθμό 7:
Τώρα μπορούμε να υπολογίσουμε:
Τότε μπορούμε να υπολογίσουμε:
Ας θυμηθούμε τι σημαίνουν kilojoules. Το πρόθεμα «κιλό» σημαίνει 
.
Απάντηση:.
Για τη διευκόλυνση της επίλυσης προβλημάτων εύρεσης της ποσότητας θερμότητας (τα λεγόμενα άμεσα προβλήματα) και των ποσοτήτων που σχετίζονται με αυτήν την έννοια, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον παρακάτω πίνακα.
|
Απαιτούμενη ποσότητα |
Ονομασία |
Μονάδες |
Βασικός τύπος |
Φόρμουλα για την ποσότητα |
|
Ποσότητα θερμότητας |
Όπως ήδη γνωρίζουμε, η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος μπορεί να αλλάξει τόσο όταν εκτελεί εργασία όσο και μέσω της μεταφοράς θερμότητας (χωρίς να κάνει εργασία).
Η κύρια διαφορά μεταξύ εργασίας και ποσότητας θερμότητας είναι ότι η εργασία καθορίζει τη διαδικασία μετατροπής της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος, η οποία συνοδεύεται από τη μετατροπή της ενέργειας από τον έναν τύπο στον άλλο. Σε περίπτωση που συμβεί αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια με τη βοήθεια τουμεταφορά θερμότητας , η μεταφορά ενέργειας από το ένα σώμα στο άλλο πραγματοποιείται λόγωθερμική αγωγιμότητα , ακτινοβολία ή.
μεταγωγή Η ενέργεια που χάνει ή κερδίζει ένα σώμα κατά τη μεταφορά θερμότητας ονομάζεται
ποσότητα θερμότητας.
Κατά τον υπολογισμό της ποσότητας θερμότητας, πρέπει να γνωρίζετε ποιες ποσότητες την επηρεάζουν.
Θα θερμάνουμε δύο δοχεία χρησιμοποιώντας δύο ίδιους καυστήρες. Το ένα δοχείο περιέχει 1 κιλό νερό, το άλλο περιέχει 2 κιλά. Η θερμοκρασία του νερού στα δύο δοχεία είναι αρχικά η ίδια. Μπορούμε να δούμε ότι την ίδια ώρα, το νερό σε ένα από τα δοχεία θερμαίνεται πιο γρήγορα, αν και και τα δύο δοχεία λαμβάνουν ίση ποσότητα θερμότητας. Έτσι, συμπεραίνουμε: παράπερισσότερη μάζα
ενός δεδομένου σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα θερμότητας που πρέπει να δαπανηθεί για να μειωθεί ή να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά τον ίδιο αριθμό μοιρών.
Όλοι γνωρίζουμε ότι αν χρειαστεί να ζεστάνουμε ένα γεμάτο βραστήρα νερού σε θερμοκρασία 50°C, θα αφιερώσουμε λιγότερο χρόνο σε αυτή τη δράση από το να ζεστάνουμε ένα βραστήρα με τον ίδιο όγκο νερού, αλλά μόνο στους 100°C. Στην πρώτη περίπτωση, θα δοθεί λιγότερη θερμότητα στο νερό από ό,τι στην περίπτωση δύο.
Έτσι, η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση εξαρτάται άμεσα από το αν πόσοι βαθμοίτο σώμα μπορεί να ζεσταθεί. Μπορούμε να συμπεράνουμε: η ποσότητα της θερμότητας εξαρτάται άμεσα από τη διαφορά στη θερμοκρασία του σώματος.
Είναι όμως δυνατόν να προσδιοριστεί η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για να μην θερμανθεί νερό, αλλά κάποια άλλη ουσία, ας πούμε, λάδι, μόλυβδος ή σίδηρος;
Γεμίστε το ένα δοχείο με νερό και γεμίστε το άλλο με φυτικό λάδι. Οι μάζες του νερού και του λαδιού είναι ίσες. Θα ζεσταίνουμε και τα δύο δοχεία ομοιόμορφα σε ίδιους καυστήρες. Ας ξεκινήσουμε το πείραμα στην ίδια αρχική θερμοκρασία φυτικό λάδικαι νερό. Πέντε λεπτά αργότερα, έχοντας μετρήσει τις θερμοκρασίες του θερμαινόμενου λαδιού και του νερού, θα παρατηρήσουμε ότι η θερμοκρασία του λαδιού είναι πολύ υψηλότερη από τη θερμοκρασία του νερού, αν και και τα δύο υγρά δέχθηκαν την ίδια ποσότητα θερμότητας.
Το προφανές συμπέρασμα είναι: Όταν θερμαίνουμε ίσες μάζες λαδιού και νερού στην ίδια θερμοκρασία, απαιτούνται διαφορετικές ποσότητες θερμότητας.
Και βγάζουμε αμέσως ένα άλλο συμπέρασμα: η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος εξαρτάται άμεσα από την ουσία από την οποία αποτελείται το ίδιο το σώμα (τον τύπο της ουσίας).
Έτσι, η ποσότητα της θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ενός σώματος (ή που απελευθερώνεται κατά την ψύξη) εξαρτάται άμεσα από τη μάζα του σώματος, τη μεταβλητότητα της θερμοκρασίας του και τον τύπο της ουσίας.
Η ποσότητα της θερμότητας συμβολίζεται με το σύμβολο Q. Όπως και άλλοι διαφορετικά είδηενέργειας, η ποσότητα της θερμότητας μετριέται σε joules (J) ή kilojoules (kJ).
1 kJ = 1000 J
Ωστόσο, η ιστορία δείχνει ότι οι επιστήμονες άρχισαν να μετρούν την ποσότητα της θερμότητας πολύ πριν εμφανιστεί η έννοια της ενέργειας στη φυσική. Εκείνη την εποχή, αναπτύχθηκε μια ειδική μονάδα για τη μέτρηση της ποσότητας θερμότητας - θερμίδων (cal) ή χιλιοθερμίδων (kcal). Η λέξη έχει λατινικές ρίζες, θερμίδα - θερμότητα.
1 kcal = 1000 θερμίδες
Θερμίδα– αυτή είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να θερμανθεί 1 g νερού κατά 1°C
1 θερμίδες = 4,19 J ≈ 4,2 J
1 kcal = 4190 J ≈ 4200 J ≈ 4,2 kJ
Έχετε ακόμα ερωτήσεις; Δεν ξέρετε πώς να κάνετε την εργασία σας;
Για να λάβετε βοήθεια από έναν δάσκαλο, εγγραφείτε.
Το πρώτο μάθημα είναι δωρεάν!
ιστοσελίδα, όταν αντιγράφετε υλικό εν όλω ή εν μέρει, απαιτείται σύνδεσμος προς την πηγή.
Η εσωτερική ενέργεια ενός σώματος αλλάζει όταν εκτελείται εργασία ή μεταφέρεται θερμότητα. Στο φαινόμενο της μεταφοράς θερμότητας, η εσωτερική ενέργεια μεταφέρεται με αγωγιμότητα, συναγωγή ή ακτινοβολία.
Κάθε σώμα, όταν θερμαίνεται ή ψύχεται (μέσω μεταφοράς θερμότητας), κερδίζει ή χάνει κάποια ποσότητα ενέργειας. Με βάση αυτό, συνηθίζεται να ονομάζουμε αυτή την ποσότητα ενέργειας ως ποσότητα θερμότητας.
Ετσι, η ποσότητα θερμότητας είναι η ενέργεια που δίνει ή λαμβάνει ένα σώμα κατά τη διαδικασία μεταφοράς θερμότητας.
Πόση θερμότητα χρειάζεται για τη θέρμανση του νερού; Επί απλό παράδειγμαΜπορείτε να καταλάβετε ότι η θέρμανση διαφορετικών ποσοτήτων νερού θα απαιτήσει διαφορετικές ποσότητες θερμότητας. Ας πούμε ότι παίρνουμε δύο δοκιμαστικούς σωλήνες με 1 λίτρο νερό και 2 λίτρα νερό. Σε ποια περίπτωση θα χρειαστεί περισσότερη θέρμανση; Στο δεύτερο, όπου υπάρχουν 2 λίτρα νερό σε δοκιμαστικό σωλήνα. Ο δεύτερος δοκιμαστικός σωλήνας θα χρειαστεί περισσότερο χρόνο για να ζεσταθεί αν τον θερμάνουμε με την ίδια πηγή φωτιάς.
Έτσι, η ποσότητα της θερμότητας εξαρτάται από τη μάζα του σώματος. Όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση και, κατά συνέπεια, τόσο περισσότερος χρόνος χρειάζεται για την ψύξη του σώματος.
Από τι άλλο εξαρτάται η ποσότητα της θερμότητας; Φυσικά, από τη διαφορά στη θερμοκρασία του σώματος. Αλλά δεν είναι μόνο αυτό. Άλλωστε, αν προσπαθήσουμε να ζεστάνουμε νερό ή γάλα, θα χρειαστούμε διαφορετικό χρόνο. Δηλαδή, αποδεικνύεται ότι η ποσότητα της θερμότητας εξαρτάται από την ουσία από την οποία αποτελείται το σώμα.
Ως αποτέλεσμα, αποδεικνύεται ότι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για τη θέρμανση ή η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται όταν ένα σώμα ψύχεται εξαρτάται από τη μάζα του, από τη μεταβολή της θερμοκρασίας και από τον τύπο της ουσίας της οποίας είναι το σώμα. απαρτίζεται.
Πώς μετριέται η ποσότητα της θερμότητας;
Πίσω μονάδα θερμότηταςείναι γενικά αποδεκτό 1 Joule. Πριν από την εμφάνιση της μονάδας μέτρησης της ενέργειας, οι επιστήμονες θεωρούσαν την ποσότητα της θερμότητας ως θερμίδες. Αυτή η μονάδα μέτρησης συνήθως συντομεύεται ως "J"
Θερμίδα- αυτή είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να θερμανθεί 1 γραμμάριο νερού κατά 1 βαθμό Κελσίου. Η συντομευμένη μορφή μέτρησης θερμίδων είναι "cal".
1 θερμίδες = 4,19 J.
Λάβετε υπόψη ότι σε αυτές τις ενεργειακές μονάδες είναι συνηθισμένο να αναγράφεται η θρεπτική αξία των τροφίμων σε kJ και kcal.
1 kcal = 1000 θερμίδες.
1 kJ = 1000 J
1 kcal = 4190 J = 4,19 kJ
Τι είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα
Κάθε ουσία στη φύση έχει τις δικές της ιδιότητες και η θέρμανση κάθε μεμονωμένης ουσίας απαιτεί διαφορετική ποσότητα ενέργειας, δηλ. ποσότητα θερμότητας.
Ειδική θερμοχωρητικότητα μιας ουσίας- αυτή είναι μια ποσότητα ίση με την ποσότητα θερμότητας που πρέπει να μεταφερθεί σε ένα σώμα με μάζα 1 κιλό για να θερμανθεί σε θερμοκρασία 1 0 C
Η ειδική θερμοχωρητικότητα ορίζεται με το γράμμα c και έχει τιμή μέτρησης J/kg*
Για παράδειγμα, η ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού είναι 4200 J/kg* 0 Γ. Δηλαδή, αυτή είναι η ποσότητα θερμότητας που πρέπει να μεταφερθεί σε 1 κιλό νερό για να ζεσταθεί κατά 1 0 C
Θα πρέπει να θυμόμαστε ότι η ειδική θερμοχωρητικότητα των ουσιών σε διαφορετικές καταστάσεις συνάθροισηςδιαφορετικός. Δηλαδή να ζεσταθεί ο πάγος κατά 1 0 Το C θα απαιτήσει διαφορετική ποσότητα θερμότητας.
Πώς να υπολογίσετε την ποσότητα της θερμότητας για να θερμάνετε ένα σώμα
Για παράδειγμα, είναι απαραίτητο να υπολογίσετε την ποσότητα θερμότητας που πρέπει να δαπανηθεί για να θερμανθούν 3 κιλά νερού από θερμοκρασία 15 0 C έως θερμοκρασία 85 0 Γ. Γνωρίζουμε την ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού, δηλαδή την ποσότητα ενέργειας που χρειάζεται για να θερμανθεί 1 κιλό νερό κατά 1 βαθμό. Δηλαδή, για να μάθετε την ποσότητα θερμότητας στην περίπτωσή μας, πρέπει να πολλαπλασιάσετε την ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού επί 3 και με τον αριθμό των βαθμών κατά τους οποίους θέλετε να αυξήσετε τη θερμοκρασία του νερού. Δηλαδή 4200*3*(85-15) = 882.000.
Σε αγκύλες υπολογίζουμε τον ακριβή αριθμό των μοιρών, αφαιρώντας το αρχικό αποτέλεσμα από το τελικό απαιτούμενο αποτέλεσμα
Έτσι, για να ζεστάνετε 3 κιλά νερό από τα 15 στα 85 0 C, χρειαζόμαστε 882.000 J θερμότητας.
Η ποσότητα θερμότητας συμβολίζεται με το γράμμα Q, ο τύπος για τον υπολογισμό της έχει ως εξής:
Q=c*m*(t 2 -t 1).
Ανάλυση και επίλυση προβλημάτων
Πρόβλημα 1. Πόση θερμότητα απαιτείται για να θερμανθούν 0,5 kg νερού από το 20 στο 50 0 C
Δεδομένος:
m = 0,5 kg.,
s = 4200 J/kg* 0 C,
t 1 = 20 0 C,
t 2 = 50 0 C.
Προσδιορίσαμε την ειδική θερμοχωρητικότητα από τον πίνακα.
Λύση:
2 -t 1 ).
Αντικαταστήστε τις τιμές:
Q=4200*0,5*(50-20) = 63.000 J = 63 kJ.
Απάντηση: Q=63 kJ.
Εργασία 2.Ποια ποσότητα θερμότητας απαιτείται για τη θέρμανση μιας ράβδου αλουμινίου βάρους 0,5 kg επί 85 0 C;
Δεδομένος:
m = 0,5 kg.,
s = 920 J/kg* 0 C,
t 1 = 0 0 C,
t 2 = 85 0 C.
Λύση:
η ποσότητα της θερμότητας καθορίζεται από τον τύπο Q=c*m*(t 2 -t 1 ).
Αντικαταστήστε τις τιμές:
Q=920*0,5*(85-0) = 39.100 J = 39,1 kJ.
Απάντηση: Q= 39,1 kJ.