Unutrašnja energija termodinamičkog sistema može se promeniti na dva načina:
- committing over sistemski rad,
- kroz termičku interakciju.
Prenos toplote na telo nije povezan sa obavljanjem makroskopskog rada na telu. U ovom slučaju, promjena unutrašnje energije je uzrokovana činjenicom da pojedini molekuli tijela s višom temperaturom rade na nekim molekulima tijela, koji imaju nižu temperaturu. U ovom slučaju toplinska interakcija se ostvaruje zahvaljujući toplotnoj provodljivosti. Prijenos energije moguć je i uz pomoć zračenja. Sistem mikroskopskih procesa (koji se ne odnose na cijelo tijelo, već na pojedinačne molekule) naziva se prijenos topline. Količina energije koja se prenosi s jednog tijela na drugo kao rezultat prijenosa topline određena je količinom topline koja se prenosi s jednog tijela na drugo.
Definicija
toplina naziva se energija koju telo prima (ili predaje) u procesu razmene toplote sa okolnim telima (okolinom). Toplota se označava, obično slovom Q.
Ovo je jedna od osnovnih veličina u termodinamici. Toplota je uključena u matematičke izraze prvog i drugog zakona termodinamike. Za toplinu se kaže da je energija u obliku molekularnog kretanja.
Toplota se može prenijeti sistemu (tjelu), ili se može uzeti iz njega. Vjeruje se da ako se toplina prenese na sistem, onda je ona pozitivna.
Formula za izračunavanje topline s promjenom temperature
Elementarna količina toplote se označava kao . Imajte na umu da element topline koji sistem prima (odaje) uz malu promjenu svog stanja nije totalni diferencijal. Razlog tome je što je toplota funkcija procesa promene stanja sistema.
Elementarna količina toplote koja se prijavljuje sistemu, a temperatura se menja od T do T + dT, je:
gde je C toplotni kapacitet tela. Ako je tijelo koje se razmatra homogeno, onda se formula (1) za količinu topline može predstaviti kao:
gdje je specifična toplota tijela, m masa tijela, molarni toplinski kapacitet, – molarna masa supstance, je broj molova supstance.
Ako je tijelo homogeno, a toplinski kapacitet se smatra neovisnim o temperaturi, tada se količina topline () koju tijelo primi kada se njegova temperatura poveća za vrijednost može izračunati kao:
gdje je t 2 , t 1 tjelesna temperatura prije i poslije zagrijavanja. Imajte na umu da se prilikom pronalaženja razlike () u proračunima temperature mogu zamijeniti i u stepenima Celzijusa i u kelvinima.
Formula za količinu toplote tokom faznih prelaza
Prijelaz iz jedne faze tvari u drugu prati apsorpcija ili oslobađanje određene količine topline, što se naziva toplinom faznog prijelaza.
Dakle, za prijenos elementa materije iz čvrstog stanja u tekućinu, treba ga informirati o količini topline () jednakoj:
gdje je specifična toplina fuzije, dm je element tjelesne mase. U ovom slučaju treba uzeti u obzir da tijelo mora imati temperaturu jednaku tački topljenja dotične tvari. Tokom kristalizacije oslobađa se toplota jednaka (4).
Količina topline (toplota isparavanja) potrebna za pretvaranje tekućine u paru može se naći kao:
gdje je r specifična toplina isparavanja. Kada se para kondenzuje, oslobađa se toplota. Toplota isparavanja jednaka je toploti kondenzacije jednakih masa materije.
Jedinice za mjerenje količine toplote
Osnovna jedinica za mjerenje količine toplote u SI sistemu je: [Q]=J
Vansistemska jedinica topline koja se često nalazi u tehničkim proračunima. [Q]=kal (kalorija). 1 kal = 4,1868 J.
Primjeri rješavanja problema
Primjer
Vježbajte. Koje količine vode treba pomiješati da bi se dobilo 200 litara vode temperature t=40C, ako je temperatura jedne mase vode t 1 =10C, druge mase vode t 2 =60C?
Rješenje. Hajde da napišemo jednačinu toplotni bilans kao:
gdje je Q=cmt - količina topline pripremljene nakon miješanja vode; Q 1 \u003d cm 1 t 1 - količina topline dijela vode s temperaturom t 1 i masom m 1; Q 2 = cm 2 t 2 - količina topline dijela vode s temperaturom t 2 i masom m 2.
Jednačina (1.1) implicira:
Kada kombinujemo hladne (V 1) i vruće (V 2) dijelove vode u jednu zapreminu (V), možemo prihvatiti da:
Dakle, dobijamo sistem jednačina:
Rešavajući to, dobijamo:
Okvirni plan
otvorena lekcija fizike u 8 "E" razredu
MOU gimnazija br. 77, o. Tolyatti
nastavnici fizike
Ivanova Marija Konstantinovna
Tema lekcije:
Rješavanje zadataka za izračunavanje količine topline potrebne za zagrijavanje tijela ili oslobođene od njega pri hlađenju.
Datum:
Svrha lekcije:
razviti praktične vještine u izračunavanju količine topline potrebne za grijanje i oslobađanja pri hlađenju;
razvijati vještine brojanja, poboljšati logičke vještine u analizi dijagrama zadataka, rješavanju kvalitativnih i računskih problema;
Negovati sposobnost rada u paru, uvažavati mišljenje protivnika i braniti njihovo gledište, biti oprezan pri izvršavanju zadataka iz fizike.
Oprema za nastavu:
kompjuter, projektor, prezentacija na temu (Prilog br. 1), materijali pojedinačna kolekcija digitalni obrazovni resursi.
Vrsta lekcije:
rješavanje problema.
„Stavite prst u plamen šibice i doživjet ćete osjećaj koji nije jednak ni na nebu ni na zemlji; međutim, sve što se dogodilo je jednostavno rezultat sudara molekula.
J. Wheeler
Tokom nastave:
Organiziranje vremena
Pozdrav studentima.
Provjera odsutnih učenika.
Prezentacija teme i ciljeva časa.
Provjera domaćeg.
1.Frontalna anketa
Koliki je specifični toplotni kapacitet neke supstance? (Slajd #1)
Koja je jedinica specifičnog toplotnog kapaciteta neke supstance?
Zašto se vodena tijela polako smrzavaju? Zašto led dugo ne napušta rijeke, a posebno jezera, iako je vrijeme dugo bilo toplo?
Zašto je na crnomorskoj obali Kavkaza dovoljno toplo čak i zimi?
Zašto se mnogi metali značajno hlade? brži od vode? (Slajd #2)
2. Individualna anketa (kartice sa zadacima na više nivoa za nekoliko učenika)
Istraživanje nove teme.
1. Ponavljanje pojma količine toplote.
Količina toplote- kvantitativna mera promene unutrašnje energije tokom prenosa toplote.
Količina topline koju tijelo apsorbira smatra se pozitivnom, a količina oslobođene topline je negativna. Izraz “tijelo ima određenu količinu topline” ili “tijelo sadrži (pohranjeno) određenu količinu topline” nema smisla. Količina toplote može se primiti ili predati u bilo kom procesu, ali se ne može posjedovati.
Prilikom razmjene topline na granici između tijela, sporo pokretni molekuli hladnog tijela stupaju u interakciju s molekulima koji se brzo kreću vrućeg tijela. Kao rezultat, kinetičke energije molekula se izjednačavaju i brzine molekula hladnog tijela se povećavaju, dok se kod vrućeg tijela smanjuju.
U toku razmene toplote ne dolazi do pretvaranja energije iz jednog oblika u drugi, deo unutrašnje energije toplog tela se prenosi na hladno telo.
2. Formula za količinu topline.
Izvodimo radnu formulu za rješavanje problema za izračunavanje količine topline: Q = cm ( t 2 - t 1 ) - pisanje na tabli i u sveske.
Saznajemo da količina toplote koju tijelo daje ili prima ovisi o početnoj temperaturi tijela, njegovoj masi i njegovom specifičnom toplinskom kapacitetu.
U praksi se često koriste termički proračuni. Na primjer, prilikom izgradnje objekata potrebno je voditi računa o tome koliko topline cijeli sistem grijanja treba dati zgradi. Treba znati i koliko će toplote ući u okolni prostor kroz prozore, zidove, vrata.
3 . Ovisnost količine topline o različitim količinama . (Slajdovi #3, #4, #5, #6)
4 . Specifična toplota (Slajd broj 7)
5. Jedinice za mjerenje količine toplote (Slajd broj 8)
6. Primjer rješavanja zadatka za izračunavanje količine topline (Slajd broj 10)
7. Rješavanje zadataka za izračunavanje količine topline na ploči i u sveskama
Takođe saznajemo da ako dođe do razmene toplote između tela, onda se unutrašnja energija svih grejnih tela povećava za onoliko koliko se smanjuje unutrašnja energija rashladnih tela. Za to koristimo primjer riješenog zadatka iz § 9 udžbenika.
Dinamička pauza.
IV. Konsolidacija proučenog materijala.
1. Pitanja za samokontrolu (Slajd broj 9)
2. Rješavanje problema kvaliteta:
Zašto je vruće u pustinjama danju, a noću temperatura pada ispod 0°C? (Pijesak ima mali specifični toplinski kapacitet, tako da se brzo zagrijava i hladi.)
Komad olova i komad čelika iste mase udareni su čekićem isti broj puta. Koji komad je postao topliji? Zašto? (Komad olova se više zagrijavao, jer je specifični toplinski kapacitet olova manji.)
Zašto peći od željeza zagrijavaju prostoriju brže od peći od cigle, ali ne ostaju tople toliko dugo? (Specifična toplota manje bakra nego cigle.)
Bakar i čelik iste mase dobivaju jednake količine topline. Koja težina će najviše promijeniti temperaturu? (Kod bakra, jer specifični toplotni kapacitet bakra je manji.)
Što troši više energije: zagrijavanje vode ili grijanje aluminijske posude, ako su njihove mase iste? (Za grijanje vode, jer je specifični toplinski kapacitet vode veliki.)
Kao što znate, željezo ima veći specifični toplinski kapacitet od bakra. Shodno tome, ubod napravljen od gvožđa imao bi veću zalihu unutrašnje energije od istog uboda od bakra, ako su njihove mase i temperature jednake. Zašto su, uprkos tome, vrhovi lemilice napravljeni od bakra? (Bakar ima velika toplotna provodljivost.)
Poznato je da je toplotna provodljivost metala mnogo veća od toplotne provodljivosti stakla. Zašto su onda kalorimetri napravljeni od metala, a ne od stakla? (Metal ima visoku toplinsku provodljivost i nisku specifičnu toplinu, zbog čega se temperatura unutar kalorimetra brzo izjednačava, a malo topline se troši na zagrijavanje. Osim toga, zračenje metala je mnogo manje od zračenja stakla, što smanjuje gubitak topline.)
Poznato je da rastresiti snijeg dobro štiti tlo od smrzavanja, jer sadrži puno zraka, koji je loš provodnik topline. Ali na kraju krajeva, čak i slojevi zraka graniče sa tlu koje nije prekriveno snijegom. Zašto se onda u ovom slučaju ne smrzava mnogo? (Vazduh, u dodiru sa zemljom koja nije pokrivena snegom, stalno se kreće, meša se. Ovaj pokretni zrak uklanja toplinu iz zemlje i povećava isparavanje vlage iz nje. Vazduh koji se nalazi između čestica snijega je neaktivan i, kao loš provodnik topline, štiti zemlju od smrzavanja.)
3. Rješenje računskih zadataka
Prva dva zadatka rješavaju visoko motivirani učenici na tabli uz kolektivnu diskusiju. Pronalazimo prave pristupe u zaključivanju i rješavanju problema.
Zadatak #1.
Prilikom zagrijavanja komada bakra od 20°C do 170°C, utrošeno je 140.000 J topline. Odredite masu bakra.
Zadatak #2
Koliki je specifični toplotni kapacitet tečnosti ako je bilo potrebno 150.000 J da zagreje 2 litre tečnosti za 20°C. Gustoća tečnosti je 1,5 g/cm³
Učenici u parovima odgovaraju na sljedeća pitanja:
Zadatak broj 3.
Dvije bakrene kugle mase m o i 4m o zagrejan tako da obe kuglice dobiju istu količinu toplote. Istovremeno se velika lopta zagrijala za 5°C. Koliko se zagrijala lopta manje mase?
Zadatak broj 4.
Koliko toplote se oslobađa kada se 4 m³ leda ohladi sa 10°C na -40°C?
Zadatak broj 5.
U kom slučaju će biti potrebno više topline za zagrijavanje dvije tvari ako je zagrijavanje dviju tvari isto ∆ t 1 = ∆t 2 Prva tvar je cigla s masom od 2 kg i s = 880 J / kg ∙ ° C, a mesing - masa od 2 kg i s = 400 J / kg ∙ ° C
Zadatak broj 6.
Zagreva se čelična šipka mase 4 kg. U ovom slučaju potrošeno je 200.000 J toplote. Odredite konačnu tjelesnu temperaturu ako je početna temperatura t 0 = 10°C
Kada učenici sami rješavaju probleme, prirodno je da se postavljaju pitanja. O najčešće postavljanim pitanjima raspravlja se kolektivno. Na pitanja koja su privatne prirode daju se individualni odgovori.
Refleksija. Postavljanje oznaka.
Učitelj: Dakle, momci, šta ste danas naučili na lekciji i šta ste novo naučili?
Uzorci odgovora učenika :
Razradio vještine rješavanja kvalitativnih i računskih zadataka na temu "Proračun količine topline potrebne za zagrijavanje tijela i oslobađanja pri hlađenju."
U praksi smo se uvjerili kako se predmeti kao što su fizika i matematika preklapaju i povezuju.
Zadaća:
Reši zadatke br. 1024, 1025 iz zbirke zadataka V.I. Lukashik, E.V. Ivanova.
Samostalno osmislite problem za izračunavanje količine topline potrebne za zagrijavanje tijela ili koju ono oslobađa tijekom hlađenja.
Kao što znate, tokom različitih mehaničkih procesa dolazi do promjene mehaničke energije W meh. Mjera promjene mehaničke energije je rad sila primijenjenih na sistem:
\(~\Delta W_(meh) = A.\)
Tokom prijenosa topline dolazi do promjene unutrašnje energije tijela. Mera promene unutrašnje energije tokom prenosa toplote je količina toplote.
Količina toplote je mjera promjene unutrašnje energije koju tijelo prima (ili daje) u procesu prijenosa topline.
Dakle, i rad i količina toplote karakterišu promjenu energije, ali nisu identični energiji. One ne karakterišu stanje samog sistema, već određuju proces prelaska energije iz jednog oblika u drugi (iz jednog tela u drugo) kada se stanje menja i suštinski zavise od prirode procesa.
Osnovna razlika između rada i količine toplote je u tome što rad karakteriše proces promene unutrašnje energije sistema, praćen transformacijom energije iz jedne vrste u drugu (iz mehaničke u unutrašnju). Količina topline karakterizira proces prijenosa unutrašnje energije s jednog tijela na drugo (od zagrijanijeg ka manje zagrijanom), koji nije praćen energetskim transformacijama.
Iskustvo pokazuje da je količina topline potrebna za zagrijavanje tijela s masom m temperatura T 1 do temperature T 2 se izračunava po formuli
\(~Q = cm (T_2 - T_1) = cm \Delta T, \qquad (1)\)
gdje c- specifični toplotni kapacitet supstance;
\(~c = \frac(Q)(m (T_2 - T_1)).\)
SI jedinica specifične toplote je džul po kilogramu Kelvina (J/(kg K)).
Specifična toplota c je brojčano jednak količini toplote koja se mora preneti telu mase 1 kg da bi se zagrejalo za 1 K.
Toplotni kapacitet tijelo C T je numerički jednak količini toplote koja je potrebna da se temperatura tela promeni za 1 K:
\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = cm.\)
SI jedinica toplinskog kapaciteta tijela je džul po Kelvinu (J/K).
Za pretvaranje tečnosti u paru na konstantnoj temperaturi potrebna je količina toplote
\(~Q = Lm, \qquad (2)\)
gdje L- specifična toplota isparavanja. Kada se para kondenzuje, oslobađa se ista količina toplote.
Da bi se rastopilo kristalno tijelo s masom m na tački topljenja, potrebno je da tijelo prijavi količinu toplote
\(~Q = \lambda m, \qquad (3)\)
gdje λ - specifična toplota fuzije. Prilikom kristalizacije tijela oslobađa se ista količina toplote.
Količina toplote koja se oslobađa tokom potpunog sagorevanja mase goriva m,
\(~Q = qm, \qquad (4)\)
gdje q- specifična toplota sagorevanja.
SI jedinica za specifične toplote isparavanja, topljenja i sagorevanja je džul po kilogramu (J/kg).
Književnost
Aksenovich L. A. Fizika u srednja škola: Theory. Zadaci. Testovi: Proc. dodatak za institucije koje pružaju op. okruženja, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 154-155.
« fizika - 10. razred
U kojim procesima dolazi do agregatne transformacije materije?
Kako se možeš promijeniti stanje agregacije supstance?
Možete promijeniti unutrašnju energiju bilo kojeg tijela vršeći rad, zagrijavajući ga ili, obrnuto, hlađenjem.
Tako se pri kovanju metala obavlja rad i on se zagreva, a istovremeno se metal može zagrevati nad zapaljenim plamenom.
Takođe, ako je klip fiksiran (Sl. 13.5), tada se zapremina gasa ne menja pri zagrevanju i ne radi se nikakav rad. Ali temperatura plina, a time i njegova unutrašnja energija, raste.
Unutrašnja energija se može povećavati i smanjivati, tako da količina topline može biti pozitivna ili negativna.
Proces prijenosa energije s jednog tijela na drugo bez vršenja rada naziva se izmjena toplote.
Kvantitativna mjera promjene unutrašnje energije tokom prijenosa topline naziva se količinu toplote.
Molekularna slika prijenosa topline.
Prilikom razmjene topline na granici između tijela, sporo pokretni molekuli hladnog tijela stupaju u interakciju s molekulima koji se brzo kreću vrućeg tijela. Kao rezultat, kinetičke energije molekula se izjednačavaju i brzine molekula hladnog tijela se povećavaju, dok se kod vrućeg tijela smanjuju.
U toku razmene toplote ne dolazi do pretvaranja energije iz jednog oblika u drugi, deo unutrašnje energije toplijeg tela se prenosi na manje zagrejano telo.
Količina topline i toplinski kapacitet.
Već znate da je za zagrijavanje tijela mase m sa temperature t 1 na temperaturu t 2 potrebno prenijeti na njega količinu topline:
Q \u003d cm (t 2 - t 1) \u003d cm Δt. (13.5)
Kada se tijelo ohladi, njegova konačna temperatura t 2 ispada da je manja od početne temperature t 1 i količina topline koju tijelo daje negativna.
Koeficijent c u formuli (13.5) se zove specifični toplotni kapacitet supstance.
Specifična toplota- ovo je vrijednost brojčano jednaka količini topline koju prima ili odaje tvar mase 1 kg kada se njena temperatura promijeni za 1 K.
Specifični toplotni kapacitet gasova zavisi od procesa kojim se toplota prenosi. Ako zagrijete plin pri konstantnom pritisku, on će se proširiti i obaviti rad. Da bi se plin zagrijao za 1 °C pri konstantnom pritisku, potrebno je da prenese više topline nego da ga zagrije pri konstantnoj zapremini, kada će se plin samo zagrijati.
tečnost i čvrsta tela lagano proširiti kada se zagrije. Njihovi specifični toplotni kapaciteti pri konstantnoj zapremini i konstantnom pritisku se malo razlikuju.
Specifična toplota isparavanja.
Da bi se tekućina pretvorila u paru tokom procesa ključanja, potrebno joj je prenijeti određenu količinu topline. Temperatura tečnosti se ne menja kada proključa. Transformacija tekućine u paru pri konstantnoj temperaturi ne dovodi do povećanja kinetičke energije molekula, već je praćena povećanjem potencijalne energije njihove interakcije. Na kraju krajeva, prosječna udaljenost između molekula plina je mnogo veća nego između molekula tekućine.
Naziva se brojčana vrijednost koja je jednaka količini topline koja je potrebna za pretvaranje tekućine od 1 kg u paru pri konstantnoj temperaturi specifična toplota isparavanja.
Proces isparavanja tečnosti odvija se na bilo kojoj temperaturi, dok najbrži molekuli napuštaju tečnost, a ona se hladi tokom isparavanja. Specifična toplota isparavanja je jednaka specifičnoj toploti isparavanja.
Ova vrijednost je označena slovom r i izražena je u džulima po kilogramu (J/kg).
Specifična toplota isparavanja vode je veoma visoka: r H20 = 2,256 10 6 J/kg na temperaturi od 100 °C. U drugim tečnostima, kao što su alkohol, etar, živa, kerozin, specifična toplota isparavanja je 3-10 puta manja od vode.
Za pretvaranje tekućine mase m u paru potrebna je količina topline jednaka:
Q p \u003d rm. (13.6)
Kada se para kondenzuje, oslobađa se ista količina toplote:
Q k \u003d -rm. (13.7)
Specifična toplota fuzije.
Kada se kristalno tijelo topi, sva toplina dovedena u njega odlazi na povećanje potencijalne energije interakcije molekula. Kinetička energija molekula se ne mijenja, jer se topljenje događa na konstantnoj temperaturi.
Vrijednost numerički jednaka količini topline potrebne za transformaciju kristalna supstanca težine 1 kg na tački topljenja u tečnost, naziva se specifična toplota fuzije i označeni su slovom λ.
Prilikom kristalizacije supstance mase 1 kg oslobađa se tačno ista količina toplote koja se apsorbuje tokom topljenja.
Specifična toplota topljenja leda je prilično visoka: 3,34 10 5 J/kg.
“Kada led ne bi imao visoku toplinu fuzije, tada bi se u proljeće čitava masa leda morala otopiti za nekoliko minuta ili sekundi, jer se toplota neprekidno prenosi na led iz zraka. Posljedice ovoga bi bile strašne; jer čak iu sadašnjoj situaciji velike poplave i velike vodene bujice nastaju topljenjem velikih masa leda ili snijega.” R. Black, 18. vijek
Da bi se rastopilo kristalno tijelo mase m, potrebna je količina topline jednaka:
Qpl \u003d λm. (13.8)
Količina toplote koja se oslobađa tokom kristalizacije tela jednaka je:
Q cr = -λm (13.9)
Jednačina toplotnog bilansa.
Razmislite o razmjeni toplote unutar sistema koji se sastoji od nekoliko tijela koja u početku imaju različite temperature, na primjer, razmjenu topline između vode u posudi i vruće željezne kugle spuštene u vodu. Prema zakonu održanja energije, količina toplote koju odaje jedno tijelo numerički je jednaka količini toplote koju primi drugo.
Zadana količina topline smatra se negativnom, primljena količina topline smatra se pozitivnom. Dakle, ukupna količina toplote Q1 + Q2 = 0.
Ako dođe do razmene toplote između više tela u izolovanom sistemu, onda
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Jednačina (13.10) se zove jednačina toplotnog bilansa.
Ovde Q 1 Q 2 , Q 3 - količina toplote koju primaju ili predaju tela. Ove količine toplote izražavaju se formulom (13.5) ili formulama (13.6) - (13.9), ako se u procesu prenosa toplote dešavaju različite fazne transformacije supstance (topljenje, kristalizacija, isparavanje, kondenzacija).
