§ 13. Количество теплоты
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Физика. 10 класс |
| Книга: | § 13. Количество теплоты |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Четверг, 28 Ноябрь 2024, 06:33 |
В чём причина изменения внутренней энергии макроскопического тела при теплообмене?
Теплообмен. Другим способом изменения внутренней энергии термодинамической системы является теплообмен.
Теплообмен — самопроизвольный процесс передачи внутренней энергии от тела с большей температурой телу с меньшей температурой без совершения работы.
Теплообмен между контактирующими телами называют теплопередачей. За счёт переданной при этом энергии увеличивается внутренняя энергия одного тела и уменьшается внутренняя энергия другого. Если, например, привести в соприкосновение два тела с разными температурами, то частицы более нагретого тела будут передавать часть своей кинетической энергии частицам менее нагретого тела. В результате внутренняя энергия одного тела уменьшается, а другого увеличивается.
Таким образом, при теплопередаче не происходит превращения энергии из одной формы в другую: часть внутренней энергии более нагретого тела передаётся менее нагретому.
Выберите верное утверждение.
1. Произошла теплопередача — значит, изменилась внутренняя энергия тела.
2. Внутренняя энергия тела изменилась — значит, произошла теплопередача.
Количество теплоты и удельная теплоёмкость. Количественной мерой энергии, сообщённой телу (или отданной им) в процессе теплообмена, является количество теплоты.
В СИ единицей количества теплоты Q является джоуль (Дж). Иногда для измерения количества теплоты используют внесистемную единицу — калорию (1 кал = 4,19 Дж).
Если процесс теплообмена не сопровождается изменением агрегатного состояния вещества, то
Q = cm(T2 – T1),
где m — масса тела; T2 – T1 = ∆T — разность температур в конце и в начале процесса теплообмена; с — удельная теплоёмкость вещества — физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое получает вещество массой 1 кг при увеличении его температуры на 1 К. Удельную теплоёмкость измеряют в джоулях, делённых на килограмм, кельвин .
Удельная теплоёмкость зависит от свойств данного вещества и, как показывает опыт, в достаточно большом интервале температур практически не изменяется. Однако удельная теплоёмкость газа зависит от того, при каком процессе (изобарном или изохорном) осуществляется теплообмен.
У какого из веществ, приведённых в таблице, изменение температуры окажется максимальным при сообщении им одинакового количества теплоты, если их массы равны?
| Вещество | алюминий | железо | олово | свинец | цинк |
| Удельная теплоёмкость с, |
0,92 | 0,46 | 0,25 | 0,12 | 0,40 |
Интересно знать
Физическая величина, равная произведению массы тела на удельную теплоёмкость вещества, носит название теплоёмкость тела. Обозначают теплоёмкость С и измеряют в джоулях, делённых на кельвин . Теплоёмкость, в отличие от удельной теплоёмкости, является тепловой характеристикой тела, а не вещества.
Удельная теплота плавления. Физическую величину, численно равную количеству теплоты, необходимому для превращения кристаллического вещества массой 1 кг, взятого при температуре плавления, в жидкость той же температуры, называют удельной теплотой плавления λ. Эту величину измеряют в джоулях, делённых на килограмм . Для плавления тела массой m, предварительно нагретого до температуры плавления, ему необходимо сообщить количество теплоты Qпл = λm. При кристаллизации тела такое же количество теплоты выделяется: Qкр = –λm.
Сосуд, в котором находился лёд при температуре t1 = –10 °С, внесли в комнату. При достижении теплового равновесия температура содержимого сосуда повысилась до t2 = 20 °С. Какие тепловые процессы происходили с содержимым сосуда? Изменялась ли внутренняя энергия содержимого сосуда в процессе достижения теплового равновесия, и если изменялась, то как?
Удельная теплота парообразования. Физическую величину, численно равную количеству теплоты, которое необходимо передать жидкости массой 1 кг, находящейся при температуре кипения, для превращения её при постоянной температуре в пар, называют удельной теплотой парообразования L. Единицей измерения этой величины является джоуль, делённый на килограмм . Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости массой m, предварительно нагретой до температуры кипения, в пар, определяют по формуле Qп = Lm. Конденсация пара сопровождается выделением количества теплоты Qк = –Lm.
В ходе эксперимента был построен график зависимости температуры вещества от абсолютной величины выделенного им в процессе теплообмена количества теплоты (рис. 76). В момент начала отсчёта времени в сосуде находился только газ, а его давление в ходе всего процесса оставалось постоянным. Какие изменения температуры и внутренней энергии вещества происходили на каждом участке графика?
Удельная теплота сгорания топлива. Физическую величину, численно равную количеству теплоты, выделяющемуся при полном сгорании топлива массой 1 кг, называют удельной теплотой сгорания q топлива и измеряют в джоулях, делённых на килограмм . Количество теплоты, выделившееся при полном сгорании некоторой массы m топлива, определяют по формуле
Qсг = qm.
Это количество теплоты передаётся телам, образующим термодинамическую систему, и по отношению к ним является положительной величиной.
Источником тепла в доме, где не установлено газовое оборудование, является печь. Какой вид топлива наиболее эффективен (см. таблицу) для печного отопления? Почему?
| Вещество | дрова сухие | торф в брикетах | бурый уголь | каменный уголь |
| Удельная теплота сгорания топлива q, |
8,3 | 15,0 | 9,3 | 30,3 |
1. Объясните изменение внутренней энергии тела при теплообмене и совершении работы.
2. Какая физическая величина является мерой изменения внутренней энергии тел при теплообмене?
3. Что называют удельной теплоёмкостью вещества? В каких единицах её измеряют?
4. Что называют удельной теплотой плавления вещества? В каких единицах её измеряют?
5. При плавлении кристаллического вещества, несмотря на подводимую энергию, его температура не изменяется. На что расходуется количество теплоты, сообщаемое телу?
6. Что называют удельной теплотой парообразования вещества? В каких единицах её измеряют?
7. Почему, несмотря на отводимую энергию, температура вещества на участке 2 (см. рис. 76) не изменяется?
8. Что называют теплотой сгорания топлива? В каких единицах её измеряют?
1. Когда вы берёте в руки металлические ножницы, то они кажутся холоднее окружающего воздуха. Имея только бытовой термометр и сосуд с водой, предложите опыт, который позволит проверить, так ли это. Проведите этот опыт.
2. Используя бытовой термометр, выясните, в каком случае естественное перемешивание воды произойдёт быстрее: если в горячую воду наливать холодную или в холодную наливать горячую (объёмы воды в обоих случаях одинаковые). Объясните полученный результат.
Пример 1. На рисунке 77 представлен график зависимости абсолютной температуры нагреваемого тела от переданного ему количества теплоты. Воспользовавшись таблицей на с. 84, определите вещество, из которого изготовлено тело, если его масса m = 40 кг.
Решение: Для того чтобы определить вещество, из которого изготовлено тело, найдём его удельную теплоёмкость с. Анализируя график, делаем вывод, что при нагревании тела от температуры Т1 = 200 К до температуры Т2 = 600 К ему было передано количество теплоты Q = 4,0 · 106 Дж, которое можно рассчитать по формуле Q = cm(Т2 – Т1).
Следовательно, удельная теплоёмкость вещества .
.
Полученное значение удельной теплоёмкости соответствует олову.
Ответ: — олово.
Пример 2. В налитую в сосуд воду, масса которой m1 = 800 г и температура t1 = 60 °С, добавили некоторое количество льда при температуре t2 = –10 °С. Определите массу льда, если после достижения теплового равновесия температура содержимого сосуда t3 = 40 °С. Теплоёмкостью сосуда и потерями тепла пренебречь. Удельная теплоёмкость воды , льда
, удельная теплота плавления льда
.
m1 = 800 г = 0,800 кг
t1 = 60 °С
t2 = –10 °С
t3 = 40 °С
Решение: Пренебрегая потерями энергии в окружающую среду, учитываем только обмен энергией между входящими в систему телами. Рассмотрим тепловые процессы, происходившие в системе: 1) нагревание льда от температуры t2 до температуры плавления t0 = 0,0 °С: Q1 = c2m2(t0 – t2); 2) таяние льда: Q2 = λm2; 3) нагревание воды, появившейся при таянии льда, от температуры t0 до температуры t3: Q3 = c1m2(t3 – t0); 4) остывание тёплой воды массой m1 от температуры t1 до температуры t3: Q4 = c1m1(t3 – t1). Составим уравнение теплового баланса: Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 0, или
Откуда масса льда:
Ответ: m2 = 0,13 кг.
Упражнение 9
1. Чтобы увеличить температуру воды, масса которой m1 = 230 г, на ∆T1 = 30,0 К, необходимо такое же количество теплоты, как и для увеличения температуры железного бруска на ∆T2 = 50,0 К. Определите массу бруска. Удельные теплоёмкости: воды , железа
.
2. Жидкое олово при температуре плавления t1 = 232 °C влили в воду массой m2 = 2,0 кг, температура которой t2 = 12 °C. В результате температура воды повысилась до t = 32 °C. Определите массу олова. Теплообменом с окружающей средой, теплоёмкостью сосуда, в котором находилась вода, и испарением воды пренебречь. Удельные теплоёмкости: олова , воды
; удельная теплота плавления олова
.
3. В теплоизолированном сосуде, теплоёмкостью которого можно пренебречь, находится вода массой m1 = 0,40 кг при температуре t1 = 10 °C. В воду впускают сухой водяной пар массой m2 = 50 г, температура которого t2 = 100 °C. Определите установившуюся температуру воды в сосуде. Для воды: удельная теплоёмкость , удельная теплота парообразования
.
4. В теплоизолированном сосуде, теплоёмкостью которого можно пренебречь, находится вода объёмом V1 = 3,2 л при температуре t1 = 20 °С. В воду опускают стальной брусок массой m2 = 4,0 кг, нагретый до температуры t2 = 360 °С. В результате теплообмена вода нагрелась до температуры t3 = 50 °С, а часть её обратилась в пар. Определите массу воды, обратившейся в пар. Для воды: удельная теплоёмкость , плотность
, удельная теплота парообразования
, температура кипения
. Удельная теплоёмкость стали
.
5. В калориметр налили воду при температуре t = 12 °С. При проведении первого опыта в воду поместили лёд массой m1 = 0,10 кг, а при проведении второго — лёд массой m2 = 0,20 кг. В обоих опытах лёд был взят при температуре плавления. Определите установившуюся в калориметре температуру, если и в первом, и во втором опытах она была одинаковая.
6. Объём метана СН4, потребляемого газовым водонагревателем в минуту, . Модуль скорости потока воды, вытекающего из водонагревателя,
, а его диаметр d = 1,1 см. Давление газа в трубе р = 1,4 · 105 Па, а значения начальной и конечной температуры воды t1 = 10 °С и t2 = 92 °С соответственно. Определите коэффициент полезного действия водонагревателя. Для воды: удельная теплоёмкость
, плотность
, удельная теплота сгорания метана
.