§ 13. Колькасць цеплаты
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Фізіка. 10 клас |
| Книга: | § 13. Колькасць цеплаты |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Четверг, 2 Май 2024, 07:32 |
У чым прычына змянення ўнутранай энергіі макраскапічнага цела пры цеплаабмене?
Цеплаабмен. Яшчэ адным спосабам змянення ўнутранай энергіі тэрмадынамічнай сістэмы з’яўляецца цеплаабмен.
Цеплаабмен — самаадвольны працэс перадачы ўнутранай энергіі ад цела з большай тэмпературай целу з меншай тэмпературай без выканання работы.
Цеплаабмен паміж целамі, якія кантактуюць, называюць цеплаперадачай. За кошт перададзенай пры гэтым энергіі павялічваецца ўнутраная энергія аднаго цела, разам з тым памяншаецца ўнутраная энергія другога. Калі, напрыклад, прывесці ў судакрананне два целы з рознымі тэмпературамі, то часціцы больш нагрэтага цела будуць перадаваць частку сваёй кінетычнай энергіі часціцам менш нагрэтага цела. У выніку ўнутраная энергія аднаго цела памяншаецца, а другога павялічваецца.
Такім чынам, пры цеплаперадачы не адбываецца ператварэння энергіі з адной формы ў другую: частка ўнутранай энергіі больш нагрэтага цела перадаецца менш нагрэтаму.
Выберыце правільнае сцвярджэнне.
1. Адбылася цеплаперадача — значыць, змянілася ўнутраная энергія цела.
2. Унутраная энергія цела змянілася — значыць, адбылася цеплаперадача.
Колькасць цеплаты і ўдзельная цеплаёмістасць. Колькаснай мерай энергіі, перададзенай целу (або аддадзенай ім) у працэсе цеплаабмену, з’яўляецца колькасць цеплаты.
У СІ адзінкай колькасці цеплаты Q з’яўляецца джоўль (Дж). Часам для вымярэння колькасці цеплаты выкарыстоўваюць пазасістэмную адзінку — калорыю (1 кал = 4,19 Дж).
Калі працэс цеплаабмену не суправаджаецца змяненнем агрэгатнага стану рэчыва, то
Q = cm(T2 – T1),
дзе m — маса цела; T2 – T1 = ∆T — рознасць тэмператур у канцы і ў пачатку працэсу цеплаабмену; с — удзельная цеплаёмістасць рэчыва — фізічная велічыня, лікава роўная колькасці цеплаты, якую атрымлівае рэчыва масай 1 кг пры павелічэнні яго тэмпературы на 1 К. Удзельную цеплаёмістасць вымяраюць у джоўлях, падзеленых на кілаграм і кельвін .
Удзельная цеплаёмістасць залежыць ад уласцівасцей дадзенага рэчыва і, як паказваюць доследы, у дастаткова вялікім інтэрвале тэмператур практычна не змяняецца. Аднак удзельная цеплаёмістасць газу залежыць ад таго, пры якім працэсе (ізабарным або ізахорным) ажыццяўляецца цеплаабмен.
У якога з рэчываў, прыведзеных у табліцы, змена тэмпературы будзе максімальнай пры перадачы ім аднолькавай колькасці цеплаты, калі іх масы роўныя?
| Рэчыва | алюміній | жалеза | волава | свінец | цынк |
| Удзельная цеплаёмістасць с, |
0,92 | 0,46 | 0,25 | 0,12 | 0,40 |
Цікава ведаць
Фізічная велічыня, роўная здабытку масы цела на ўдзельную цеплаёмістасць рэчыва, носіць назву цеплаёмістасць цела. Абазначаюць цеплаёмістасць С і вымяраюць у джоўлях, падзеленых на кельвін . Цеплаёмістасць, у адрозненне ад удзельнай цеплаёмістасці, з’яўляецца цеплавой характарыстыкай цела, а не рэчыва.
Удзельная цеплата плаўлення. Фізічную велічыню, лікава роўную колькасці цеплаты, неабходнай для ператварэння крышталічнага рэчыва масай 1 кг, узятага пры тэмпературы плаўлення, у вадкасць той самай тэмпературы, называюць удзельнай цеплатой плаўлення λ. Гэтую велічыню вымяраюць у джоўлях, падзеленых на кілаграм . Для плаўлення цела масай m, папярэдне нагрэтага да тэмпературы плаўлення, яму трэба перадаць колькасць цеплаты Qпл = λm. Пры крышталізацыі цела такая самая колькасць цеплаты выдзяляецца: Qкр = –λm.
Пасудзіну, у якой знаходзіўся лёд пры тэмпературы t1 = –10 °С, унеслі ў пакой. Пры дасягненні цеплавой раўнавагі тэмпература ў пасудзіне павысілася да t2 = 20 °С. Якія цеплавыя працэсы адбываліся з рэчывам у пасудзіне? Ці змянялася ўнутраная энергія рэчыва ў працэсе дасягнення цеплавой раўнавагі і калі змянялася, то як?
Удзельная цеплата параўтварэння. Фізічную велічыню, лікава роўную колькасці цеплаты, якую трэба перадаць вадкасці масай 1 кг, што знаходзіцца пры тэмпературы кіпення, для ператварэння яе пры пастаяннай тэмпературы ў пару, называюць удзельнай цеплатой параўтварэння L. Адзінкай вымярэння гэтай велічыні з’яўляецца джоўль, падзелены на кілаграм . Колькасць цеплаты, неабходную для ператварэння вадкасці масай m, папярэдне нагрэтай да тэмпературы кіпення, у пару, вызначаюць па формуле Qп = Lm. Кандэнсацыя пары суправаджаецца выдзяленнем колькасці цеплаты Qк = –Lm.
У ходзе эксперымента быў пабудаваны графік залежнасці тэмпературы рэчыва ад абсалютнай велічыні выдзеленай ім у працэсе цеплаабмену колькасці цеплаты (мал. 76). У момант, калі пачаўся адлік часу, у пасудзіне знаходзіўся толькі газ, а яго ціск на працягу ўсяго працэсу заставаўся пастаянным. Якія змены тэмпературы і ўнутранай энергіі рэчыва адлюстраваны на кожным участку графіка?
Удзельная цеплата згарання паліва. Фізічную велічыню, лікава роўную колькасці цеплаты, якая выдзяляецца пры поўным згаранні паліва масай 1 кг, называюць удзельнай цеплатой згарання q паліва і вымяраюць у джоўлях, падзеленых на кілаграм . Колькасць цеплаты, што выдзяляецца пры поўным згаранні некаторай масы m паліва, вызначаюць па формуле
Qзг = qm.
Гэтая колькасць цеплаты перадаецца целам, якія ўтвараюць тэрмадынамічную сістэму, і ў адносінах да іх з’яўляецца дадатнай велічынёй.
Крыніцай цяпла ў доме, дзе не ўстаноўлена газавае абсталяванне, з’яўляецца печ. Які від паліва найбольш эфектыўны (гл. табліцу) для пячнога ацяплення? Чаму?
| Рэчыва | дровы сухія | торф у брыкетах | буры вугаль | каменны вугаль |
| Удзельная цеплата згарання паліва q, |
8,3 | 15,0 | 9,3 | 30,3 |
1. Растлумачце прычыну змены ўнутранай энергіі цела пры цеплаабмене і выкананні работы.
2. Якая фізічная велічыня з’яўляецца мерай змены ўнутранай энергіі цел пры цеплаабмене?
3. Штон азываюць удзельнай цеплаёмістасцю рэчыва? У якіх адзінках яе вымяраюць?
4. Што называюць удзельнай цеплатой плаўлення рэчыва? У якіх адзінках яе вымяраюць?
5. Прыплаўленні крышталічнага рэчыва, нягледзячы на падведзеную энергію, яго тэмпературане змяняецца. На што расходуецца колькасць цеплаты, якая перадаецца целу?
6. Што называюць удзельнай цеплатой параўтварэння рэчыва? У якіх адзінках яе вымяраюць?
7. Чаму, нягледзячы на адвядзенне энергіі, тэмпература рэчыва на ўчастку 2 (гл. мал. 76) не змяняецца?
8. Што называюць цеплатой згарання паліва? У якіх адзінках яе вымяраюць?
1. Калі вы бераце ў рукі металічныя нажніцы, то яны здаюцца халаднейшымі, чым навакольнае паветра. Маючы толькі бытавы тэрмометр і пасудзіну з вадой, прапануйце дослед, які дазволіць праверыць, ці так гэта на самай справе. Правядзіце гэты дослед.
2. Выкарыстоўваючы бытавы тэрмометр, высветліце, у якім выпадку натуральнае перамешванне вады адбудзецца хутчэй: калі ў гарачую ваду наліваць халодную або ў халодную наліваць гарачую (аб’ёмы вады ў абодвух выпадках аднолькавыя). Растлумачце атрыманы вынік.
Прыклад 1. На малюнку 77 прыведзены графік залежнасці абсалютнай тэмпературы цела, якое награвалася, ад перададзенай яму колькасці цеплаты. Выкарыстоўваючы табліцу, вызначце рэчыва, з якога выраблена цела, калі яго маса m = 40 кг.
Рашэнне. Для таго каб вызначыць рэчыва, з якога выраблена цела, знойдзем яго ўдзельную цеплаёмістасць с. Аналізуючы графік, робім выснову, што пры награванні цела ад тэмпературы Т1 = 200 К да тэмпературы Т2 = 600 К яму была перададзена колькасць цеплаты Q = 4,0 · 106 Дж, якую можна разлічыць па формуле Q = cm(Т2 – Т1).
Значыць, удзельная цеплаёмістасць рэчыва .
.
Атрыманае значэнне ўдзельнай цеплаёмістасці адпавядае волаву.
Адказ: — волава.
Прыклад 2. У налітую ў пасудзіну ваду, маса якой m1 = 800 г і тэмпература t1 = 60 °С, дадалі некаторую колькасць лёду пры тэмпературы t2 = –10 °С. Вызначце масу лёду, калі пасля дасягнення цеплавой раўнавагі тэмпература вадкасці ў пасудзіне t3 = 40 °С. Цеплаёмістасць пасудзіны і страты цяпла можна не прымаць пад увагу. Удзельная цеплаёмістасць вады , лёду
, удзельная цеплата плаўлення лёду
.
m1 = 800 г = 0,800 кг
t1 = 60 °С
t2 = –10 °С
t3 = 40 °С
Рашэнне. Не прымаючы пад увагу страты энергіі ў навакольнае асяроддзе, улічваем толькі абмен энергіяй паміж целамі, што ўвахо дзяць у склад сістэмы. Разгледзім цеплавыя працэсы, якія адбываліся ў сістэме: 1) на гра ванне лёду ад тэмпературы t2 да тэмпературы плаўлення t0 = 0,0 °С: Q1 = c2m2(t0 – t2); 2) плаўленне лёду: Q2 = λm2; 3) награванне вады, якая з’явілася пры плаўленні лёду, ад тэмпературы t0 да тэмпературы t3: Q3 = c1m2(t3 – t0); 4) ахалоджванне цёплай вады масай m1 ад тэмпературы t1 да тэмпературы t3: Q4 = c1m1(t3 – t1). Складзём ураўненне цеплавога балансу: Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 0, або
Адкуль маса лёду:
Адказ: m2 = 0,13 кг.
Практыкаванне 9
1. Каб павялічыць тэмпературу вады, маса якой m1 = 230 г, на ∆T1 = 30,0 К, патрабуецца такая ж колькасць цеплаты, як і для павелічэння тэмпературы жалезнага бруска на ∆T2 = 50,0 К. Вызначце масу бруска. Удзельныя цеплаёмістасці: вады , жалеза
.
2. Вадкае волава пры тэмпературы плаўлення t1 = 232 °C улілі ў ваду, маса якой m2 = 2,0 кг, а тэмпература t2 = 12 °C. У выніку тэмпература вады павысілася да t = 32 °C. Вызначце масу волава. Цеплаабмен з навакольным асяроддзем, цеплаёмістасць пасудзіны, у якой знаходзілася вада, і выпарэнне вады можна не прымаць пад увагу. Удзельныя цеплаёмістасці: волава , вады
; удзельная цеплата плаўлення волава
.
3. У цеплаізаляванай пасудзіне, цеплаёмістасць якой можна не ўлічваць, знаходзіцца вада масай m1 = 0,40 кг пры тэмпературы t1 = 10 °C. У ваду ўпускаюць сухую вадзяную пару масай m2 = 50 г, тэмпература якой t2 = 100 °C. Вызначце тэмпературу вады, якая ўстанавілася ў пасудзіне. Для вады: удзельная цеплаёмістасць , удзельная цеплата параўтварэння
.
4. У цеплаізаляванай пасудзіне, цеплаёмістасць якой можна не ўлічваць, знаходзіцца вада аб’ёмам V1 = 3,2 л пры тэмпературы t1 = 20 °С. У ваду апускаюць сталёвы брусок масай m2 = 4,0 кг, нагрэты да тэмпературы t2 = 360 °С. У выніку цеплаабмену вада нагрэлася да тэмпературы t3 = 50 °С, а частка яе ператварылася ў пару. Вызначце масу вады, якая ператварылася ў пару. Для вады: удзельная цеплаёмістасць , шчыльнасць
, удзельная цеплата параўтварэння
, тэмпература кіпення
. Удзельная цеплаёмістасць сталі
.
5. У каларыметр налілі ваду пры тэмпературы t = 12 °С. Пры правядзенні першага доследу ў ваду змясцілі лёд масай m1 = 0,10 кг, а пры правядзенні другога — лёд масай m2 = 0,20 кг. У абодвух доследах лёд быў узяты пры тэмпературы плаўлення. Вызначце тэмпературу, што ўстанавілася ў каларыметры, калі ў першым і другім доследах яна была аднолькавая.
6. Аб’ём метану СН4, які спажываецца газавым воданагравальнікам у мінуту, . Модуль скорасці патоку вады, што выцякае з воданагравальніка,
, а яго дыяметр d = 1,1 см. Ціск газу ў трубе р = 1,4 · 105 Па, а значэнні пачатковай і канчатковай тэмпературы вады t1 = 10 °С i t2 = 92 °С адпаведна. Вызначце каэфіцыент карыснага дзеяння воданагравальніка. Для вады: удзельная цеплаёмістасць
, шчыльнасць
, удзельная цеплата згарання метану
.