Energia internă a unui sistem termodinamic poate fi modificată în două moduri:
- comite peste funcționarea sistemului,
- prin interacțiunea termică.
Transferul de căldură către un corp nu este legat de efectuarea lucrărilor macroscopice asupra corpului. În acest caz, modificarea energiei interne este cauzată de faptul că moleculele individuale ale corpului cu o temperatură mai mare lucrează asupra unor molecule ale corpului, care au o temperatură mai scăzută. În acest caz, interacțiunea termică se realizează datorită conducției termice. Transferul de energie este posibil și cu ajutorul radiațiilor. Sistemul de procese microscopice (care nu se referă la întregul corp, ci la molecule individuale) se numește transfer de căldură. Cantitatea de energie care este transferată de la un corp la altul ca urmare a transferului de căldură este determinată de cantitatea de căldură care este transferată de la un corp la altul.
Definiție
căldură numită energia care este primită (sau dată) de către organism în procesul de schimb de căldură cu corpurile înconjurătoare (mediul). Căldura este indicată, de obicei, prin litera Q.
Aceasta este una dintre mărimile de bază în termodinamică. Căldura este inclusă în expresiile matematice ale primei și celei de-a doua legi ale termodinamicii. Se spune că căldura este energie sub formă de mișcare moleculară.
Căldura poate fi comunicată sistemului (corpului), sau poate fi preluată din acesta. Se crede că dacă căldura este transmisă sistemului, atunci aceasta este pozitivă.
Formula de calcul a căldurii cu o schimbare a temperaturii
Cantitatea elementară de căldură se notează cu . Rețineți că elementul de căldură pe care sistemul îl primește (degajă) cu o mică modificare a stării sale nu este o diferență totală. Motivul pentru aceasta este că căldura este o funcție a procesului de schimbare a stării sistemului.
Cantitatea elementară de căldură care este raportată sistemului, iar temperatura se schimbă de la T la T + dT, este:
unde C este capacitatea termică a corpului. Dacă corpul luat în considerare este omogen, atunci formula (1) pentru cantitatea de căldură poate fi reprezentată ca:
unde este căldura specifică a corpului, m este masa corpului, este capacitatea de căldură molară, - Masă molară substanță, este numărul de moli ai substanței.
Dacă corpul este omogen, iar capacitatea termică este considerată independentă de temperatură, atunci cantitatea de căldură () pe care o primește corpul atunci când temperatura acestuia crește cu o valoare poate fi calculată ca:
unde t 2 , t 1 temperatura corpului înainte și după încălzire. Vă rugăm să rețineți că atunci când găsiți diferența () în calcule, temperaturile pot fi înlocuite atât în grade Celsius, cât și în kelvin.
Formula pentru cantitatea de căldură în timpul tranzițiilor de fază
Trecerea de la o fază a unei substanțe la alta este însoțită de absorbția sau eliberarea unei anumite cantități de căldură, care se numește căldura tranziției de fază.
Deci, pentru a transfera un element de materie dintr-o stare solidă într-un lichid, ar trebui să fie informat cu privire la cantitatea de căldură () egală cu:
unde este căldura specifică de fuziune, dm este elementul de masă corporală. În acest caz, trebuie avut în vedere faptul că organismul trebuie să aibă o temperatură egală cu punctul de topire al substanței în cauză. În timpul cristalizării, se eliberează căldură egală cu (4).
Cantitatea de căldură (căldura de vaporizare) necesară pentru a transforma lichidul în vapori poate fi găsită ca:
unde r este căldura specifică de vaporizare. Când aburul se condensează, căldura este eliberată. Căldura de evaporare este egală cu căldura de condensare a unor mase egale de materie.
Unități pentru măsurarea cantității de căldură
Unitatea de bază pentru măsurarea cantității de căldură din sistemul SI este: [Q]=J
O unitate de căldură în afara sistemului, care se găsește adesea în calculele tehnice. [Q]=cal (calorii). 1 cal = 4,1868 J.
Exemple de rezolvare a problemelor
Exemplu
Exercițiu. Ce volume de apă trebuie amestecate pentru a obține 200 de litri de apă la o temperatură de t=40C, dacă temperatura unei mase de apă este t 1 =10C, a doua masă de apă este t 2 =60C?
Soluţie. Să scriem ecuația echilibru termic la fel de:
unde Q=cmt - cantitatea de căldură preparată după amestecarea apei; Q 1 \u003d cm 1 t 1 - cantitatea de căldură a unei părți de apă cu temperatura t 1 și masa m 1; Q 2 \u003d cm 2 t 2 - cantitatea de căldură a unei părți de apă cu temperatura t 2 și masa m 2.
Ecuația (1.1) implică:
Când combinăm părți de apă rece (V 1) și fierbinte (V 2) într-un singur volum (V), putem accepta că:
Deci, obținem un sistem de ecuații:
Rezolvând-o, obținem:
Planul de schiță
lectie deschisa fizică în clasa 8 "E".
MOU gimnaziul Nr. 77, o. Toliatti
profesori de fizică
Ivanova Maria Konstantinovna
Tema lecției:
Rezolvarea problemelor pentru calcularea cantității de căldură necesară pentru încălzirea corpului sau eliberată de acesta în timpul răcirii.
Data de:
Scopul lecției:
să dezvolte abilități practice în calcularea cantității de căldură necesară pentru încălzire și eliberată în timpul răcirii;
dezvoltarea abilităților de numărare, îmbunătățirea abilităților logice în analiza diagramei problemelor, rezolvarea problemelor calitative și de calcul;
să-și cultive capacitatea de a lucra în perechi, să respecte opinia adversarului și să-și apere punctul de vedere, să fie atent la îndeplinirea sarcinilor de fizică.
Echipament pentru lecție:
calculator, proiector, prezentare pe tema (Anexa nr. 1), materiale colecție unică resurse educaționale digitale.
Tip de lecție:
rezolvarea problemelor.
„Pune-ți degetul în flacăra de la un chibrit și vei experimenta o senzație care nu este egală în cer sau pe pământ; cu toate acestea, tot ceea ce s-a întâmplat este pur și simplu rezultatul ciocnirilor de molecule.
J. Wheeler
În timpul orelor:
Organizarea timpului
Salutarea elevilor.
Verificarea elevilor absenți.
Prezentarea temei și a obiectivelor lecției.
Verificarea temelor.
1.Sondaj frontal
Care este capacitatea termică specifică a unei substanțe? (Diapozitivul #1)
Care este unitatea de măsură a capacității termice specifice a unei substanțe?
De ce corpurile de apă îngheață încet? De ce gheața nu părăsește râurile și în special lacurile pentru o lungă perioadă de timp, deși vremea a fost caldă de mult timp?
De ce este suficient de cald pe coasta Mării Negre din Caucaz chiar și iarna?
De ce multe metale se răcesc semnificativ? mai repede decât apa? (Diapozitivul #2)
2. Sondaj individual (fișe cu sarcini pe mai multe niveluri pentru mai mulți elevi)
Explorarea unui subiect nou.
1. Repetarea conceptului de cantitate de căldură.
Cantitatea de căldură- o măsură cantitativă a modificării energiei interne în timpul transferului de căldură.
Cantitatea de căldură absorbită de corp este considerată pozitivă, iar cantitatea de căldură eliberată este negativă. Expresia „corpul are o anumită cantitate de căldură” sau „corpul conține (depozitează) o oarecare cantitate de căldură” nu are sens. Cantitatea de căldură poate fi primită sau transmisă în orice proces, dar nu poate fi deținută.
În timpul schimbului de căldură la granița dintre corpuri, moleculele care se mișcă încet ale unui corp rece interacționează cu moleculele care se mișcă rapid ale unui corp fierbinte. Ca urmare, energiile cinetice ale moleculelor sunt egalizate și vitezele moleculelor unui corp rece cresc, în timp ce cele ale unui corp fierbinte scad.
În timpul schimbului de căldură, nu există nicio conversie a energiei dintr-o formă în alta; o parte din energia internă a unui corp fierbinte este transferată într-un corp rece.
2. Formula pentru cantitatea de căldură.
Obținem o formulă de lucru pentru a rezolva problemele de calculare a cantității de căldură: Q = cm ( t 2 - t 1 ) - scris pe tablă și în caiete.
Aflăm că cantitatea de căldură dată sau primită de corp depinde de temperatura inițială a corpului, de masa acestuia și de capacitatea termică specifică.
În practică, calculele termice sunt adesea folosite. De exemplu, la construirea clădirilor, este necesar să se țină cont de câtă căldură ar trebui să ofere întregul sistem de încălzire clădirii. De asemenea, ar trebui să știți câtă căldură va intra în spațiul înconjurător prin ferestre, pereți, uși.
3 . Dependența cantității de căldură de diferite cantități . (Diapozitive #3, #4, #5, #6)
4 . Căldura specifică (Diapozitivul numărul 7)
5. Unități pentru măsurarea cantității de căldură (Diapozitivul numărul 8)
6. Un exemplu de rezolvare a unei probleme pentru calcularea cantității de căldură (Diapozitivul numărul 10)
7. Rezolvarea problemelor pentru calcularea cantității de căldură pe tablă și în caiete
De asemenea, aflăm că, dacă are loc schimbul de căldură între corpuri, atunci energia internă a tuturor corpurilor de încălzire crește cu atât cât scade energia internă a corpurilor de răcire. Pentru a face acest lucru, folosim un exemplu de problemă rezolvată din § 9 din manual.
Pauza dinamica.
IV. Consolidarea materialului studiat.
1. Întrebări pentru autocontrol (Diapozitivul numărul 9)
2. Rezolvarea problemelor de calitate:
De ce este cald în deșert ziua, dar noaptea temperatura scade sub 0°C? (Nisipul are o capacitate termică specifică scăzută, deci se încălzește și se răcește rapid.)
O bucată de plumb și o bucată de oțel de aceeași masă au fost lovite cu un ciocan de același număr de ori. Care piesa a devenit mai fierbinte? De ce? (Bucata de plumb s-a încălzit mai mult, deoarece capacitatea termică specifică a plumbului este mai mică.)
De ce sobele de fier încălzesc o cameră mai repede decât sobele de cărămidă, dar nu rămân calde atât de mult? (Căldura specifică mai puțin cupru decât cărămidă.)
Greutăților de cupru și oțel de aceeași masă li se dau cantități egale de căldură. Care greutate va schimba cel mai mult temperatura? (La cupru, pentru că capacitatea termică specifică a cuprului este mai mică.)
Ce consumă mai multă energie: încălzirea apei sau încălzirea unei tigăi de aluminiu, dacă masele lor sunt aceleași? (Pentru încălzirea apei, deoarece capacitatea termică specifică a apei este mare.)
După cum știți, fierul are o capacitate termică specifică mai mare decât cuprul. În consecință, un înțepăt din fier ar avea o cantitate mai mare de energie internă decât aceeași înțepătură din cupru, dacă masele și temperaturile lor sunt egale. De ce, în ciuda acestui fapt, vârfurile fierului de lipit sunt făcute din cupru? (Cuprul are conductivitate termică mare.)
Se știe că conductivitatea termică a metalului este mult mai mare decât conductivitatea termică a sticlei. De ce, atunci, calorimetrele sunt făcute din metal și nu din sticlă? (Metalul are o conductivitate termică ridicată și căldură specifică scăzută, datorită cărora temperatura din interiorul calorimetrului se egalizează rapid și se consumă puțină căldură pentru încălzirea acestuia. În plus, radiația metalică este mult mai mică decât radiația de sticlă, ceea ce reduce pierderea de căldură.)
Se știe că zăpada afanată protejează bine solul de îngheț, deoarece conține mult aer, care este un slab conductor de căldură. Dar până la urmă, chiar și straturile de aer se învecinează cu solul care nu este acoperit cu zăpadă. Atunci de ce nu îngheață prea mult în acest caz? (Aerul, aflat în contact cu solul neacoperit cu zăpadă, este permanent în mișcare, amestecat. Acest aer în mișcare elimină căldura de pe pământ și crește evaporarea umidității din acesta. Aerul, care se află între particulele de zăpadă, este inactiv și, ca un slab conductor de căldură, protejează pământul de îngheț.)
3. Rezolvarea problemelor de calcul
Primele două sarcini sunt rezolvate de către elevi foarte motivați la tablă cu discuție colectivă. Găsim abordările potrivite în raționamentul și rezolvarea problemelor.
Sarcina 1.
La încălzirea unei bucăți de cupru de la 20°C la 170°C, s-au consumat 140.000 J de căldură. Determinați masa cuprului.
Sarcina #2
Care este capacitatea termică specifică a unui lichid dacă a fost nevoie de 150.000 J pentru a încălzi 2 litri din acesta cu 20 ° C. Densitatea lichidului este de 1,5 g / cm³
Elevii răspund la următoarele întrebări în perechi:
Sarcina numărul 3.
Două bile de cupru de masă m o si 4m oîncălzit astfel încât ambele bile să primească aceeași cantitate de căldură. În același timp, bila mare s-a încălzit cu 5 ° C. Cât de mult s-a încălzit bila de masă mai mică?
Sarcina numărul 4.
Câtă căldură se eliberează când 4 m³ de gheață se răcesc de la 10°C la -40°C?
Sarcina numărul 5.
În acest caz, va fi necesară mai multă căldură pentru a încălzi două substanțe dacă încălzirea a două substanțe este aceeași ∆ t 1 = ∆t 2 Prima substanță este o cărămidă cu o masă de 2 kg și s = 880 J / kg ∙ ° C, iar alamă - o masă de 2 kg și s \u003d 400 J / kg ∙ ° C
Sarcina numărul 6.
Se încălzește o bară de oțel cu masa de 4 kg. În acest caz, s-au consumat 200.000 J de căldură. Determinați temperatura finală a corpului dacă temperatura inițială este t 0 = 10°C
Când elevii rezolvă singuri probleme, este firesc să apară întrebări. Cele mai frecvente întrebări sunt discutate colectiv. Acele întrebări care sunt de natură privată primesc răspunsuri individuale.
Reflecţie. Punerea semnelor.
Profesor: Deci, băieți, ce ați învățat la lecția de astăzi și ce ați învățat nou?
Exemple de răspunsuri ale elevilor :
A dezvoltat abilitățile de rezolvare a problemelor calitative și de calcul pe tema „Calculul cantității de căldură necesară pentru încălzirea corpului și eliberată în timpul răcirii”.
În practică, am fost convinși de modul în care subiecte precum fizica și matematica se suprapun și sunt conectate.
Teme pentru acasă:
Rezolvați problemele nr. 1024, 1025, din colecția de probleme de V.I. Lukashik, E. V. Ivanova.
În mod independent, veniți cu o problemă pentru calcularea cantității de căldură necesară pentru încălzirea corpului sau eliberată de acesta în timpul răcirii.
După cum știți, în timpul diferitelor procese mecanice, există o schimbare a energiei mecanice W meh. Măsura schimbării energiei mecanice este munca forțelor aplicate sistemului:
\(~\Delta W_(meh) = A.\)
În timpul transferului de căldură, are loc o schimbare a energiei interne a corpului. Măsura modificării energiei interne în timpul transferului de căldură este cantitatea de căldură.
Cantitatea de căldură este o măsură a modificării energiei interne pe care corpul o primește (sau o dă) în procesul de transfer de căldură.
Astfel, atât munca cât și cantitatea de căldură caracterizează schimbarea energiei, dar nu sunt identice cu energia. Ele nu caracterizează starea sistemului în sine, ci determină procesul de tranziție a energiei de la o formă la alta (de la un corp la altul) atunci când starea se schimbă și depind în esență de natura procesului.
Principala diferență dintre muncă și cantitatea de căldură este că munca caracterizează procesul de modificare a energiei interne a sistemului, însoțită de transformarea energiei de la un tip la altul (de la mecanic la intern). Cantitatea de căldură caracterizează procesul de transfer al energiei interne de la un corp la altul (de la mai încălzit la mai puțin încălzit), neînsoțit de transformări energetice.
Experiența arată că cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp cu o masă m temperatura T 1 la temperatură T 2 se calculează prin formula
\(~Q = cm (T_2 - T_1) = cm \Delta T, \qquad (1)\)
Unde c- capacitatea termică specifică a substanței;
\(~c = \frac(Q)(m (T_2 - T_1)).\)
Unitatea SI a căldurii specifice este joule pe kilogram-Kelvin (J/(kg K)).
Căldura specifică c este numeric egală cu cantitatea de căldură care trebuie transmisă unui corp cu masa de 1 kg pentru a-l încălzi cu 1 K.
Capacitate termica corp C T este numeric egal cu cantitatea de căldură necesară pentru a modifica temperatura corpului cu 1 K:
\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = cm.\)
Unitatea SI a capacității termice a unui corp este joule pe Kelvin (J/K).
Pentru a transforma un lichid într-un vapor la o temperatură constantă, cantitatea de căldură necesară este
\(~Q = Lm, \qquad (2)\)
Unde L- caldura specifica de vaporizare. Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.
Pentru a topi un corp cristalin cu o masă m la punctul de topire, este necesar ca organismul să raporteze cantitatea de căldură
\(~Q = \lambda m, \qquad (3)\)
Unde λ - căldură specifică de fuziune. În timpul cristalizării unui corp, se eliberează aceeași cantitate de căldură.
Cantitatea de căldură care este eliberată în timpul arderii complete a masei de combustibil m,
\(~Q = qm, \qquad (4)\)
Unde q- caldura specifica de ardere.
Unitatea SI a căldurilor specifice de vaporizare, topire și ardere este joule pe kilogram (J/kg).
Literatură
Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini. Teste: Proc. indemnizație pentru instituțiile care oferă general. medii, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 154-155.
« Fizica - clasa a 10-a "
În ce procese are loc transformarea agregată a materiei?
Cum te poți schimba starea de agregare substante?
Puteți schimba energia internă a oricărui corp lucrând, încălzindu-l sau, dimpotrivă, răcindu-l.
Astfel, la forjarea unui metal, se lucrează și acesta este încălzit, în timp ce metalul poate fi încălzit în același timp peste o flacără care arde.
De asemenea, dacă pistonul este fix (Fig. 13.5), atunci volumul de gaz nu se modifică atunci când este încălzit și nu se lucrează. Dar temperatura gazului și, prin urmare, energia sa internă, crește.
Energia internă poate crește și scădea, astfel încât cantitatea de căldură poate fi pozitivă sau negativă.
Se numește procesul de transfer de energie de la un corp la altul fără a lucra schimb de caldura.
Măsura cantitativă a modificării energiei interne în timpul transferului de căldură se numește cantitatea de căldură.
Imaginea moleculară a transferului de căldură.
În timpul schimbului de căldură la granița dintre corpuri, moleculele care se mișcă încet ale unui corp rece interacționează cu moleculele care se mișcă rapid ale unui corp fierbinte. Ca urmare, energiile cinetice ale moleculelor sunt egalizate și vitezele moleculelor unui corp rece cresc, în timp ce cele ale unui corp fierbinte scad.
În timpul schimbului de căldură, nu există nicio conversie a energiei dintr-o formă în alta; o parte din energia internă a unui corp mai fierbinte este transferată unui corp mai puțin încălzit.
Cantitatea de căldură și capacitatea de căldură.
Știți deja că pentru a încălzi un corp cu masa m de la temperatura t 1 la temperatura t 2, este necesar să se transfere în el cantitatea de căldură:
Q \u003d cm (t 2 - t 1) \u003d cm Δt. (13,5)
Când corpul se răcește, temperatura sa finală t 2 se dovedește a fi mai mică decât temperatura inițială t 1 și cantitatea de căldură degajată de corp este negativă.
Se numește coeficientul c din formula (13.5). capacitatea termică specifică substante.
Căldura specifică- aceasta este o valoare egală numeric cu cantitatea de căldură pe care o primește sau o degajă o substanță cu masa de 1 kg atunci când temperatura sa se schimbă cu 1 K.
Capacitatea termică specifică a gazelor depinde de procesul prin care este transferată căldura. Dacă încălziți un gaz la presiune constantă, acesta se va extinde și va funcționa. Pentru a încălzi un gaz cu 1 °C la presiune constantă, trebuie să transfere mai multă căldură decât să-l încălzească la un volum constant, când gazul se va încălzi doar.
lichidă şi corpuri solide se dilata usor la incalzire. Capacitățile lor specifice de căldură la volum constant și presiune constantă diferă puțin.
Căldura specifică de vaporizare.
Pentru a transforma un lichid în vapori în timpul procesului de fierbere, este necesar să îi transferați o anumită cantitate de căldură. Temperatura unui lichid nu se schimbă atunci când fierbe. Transformarea lichidului în vapori la o temperatură constantă nu duce la o creștere a energiei cinetice a moleculelor, ci este însoțită de o creștere a energiei potențiale a interacțiunii lor. La urma urmei, distanța medie dintre moleculele de gaz este mult mai mare decât între moleculele lichide.
Valoarea egală numeric cu cantitatea de căldură necesară pentru a transforma un lichid de 1 kg în abur la o temperatură constantă se numește căldură specifică de vaporizare.
Procesul de evaporare a lichidului are loc la orice temperatură, în timp ce cele mai rapide molecule părăsesc lichidul, iar acesta se răcește în timpul evaporării. Căldura specifică de vaporizare este egală cu căldura specifică de vaporizare.
Această valoare este notă cu litera r și este exprimată în jouli pe kilogram (J / kg).
Căldura specifică de vaporizare a apei este foarte mare: r H20 = 2,256 10 6 J/kg la o temperatură de 100 °C. În alte lichide, precum alcoolul, eterul, mercurul, kerosenul, căldura specifică de vaporizare este de 3-10 ori mai mică decât cea a apei.
Pentru a transforma un lichid cu masa m în abur, este necesară o cantitate de căldură egală cu:
Q p \u003d rm. (13,6)
Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură:
Q k \u003d -rm. (13,7)
Căldura specifică de fuziune.
Când un corp cristalin se topește, toată căldura furnizată acestuia duce la creșterea energiei potențiale de interacțiune a moleculelor. Energia cinetică a moleculelor nu se modifică, deoarece topirea are loc la o temperatură constantă.
O valoare egală numeric cu cantitatea de căldură necesară pentru transformare substanță cristalină cântărind 1 kg la punctul de topire într-un lichid, se numește căldură specifică de fuziuneși sunt notate cu litera λ.
În timpul cristalizării unei substanțe cu o masă de 1 kg, se eliberează exact aceeași cantitate de căldură cum este absorbită în timpul topirii.
Căldura specifică de topire a gheții este destul de mare: 3,34 10 5 J/kg.
„Dacă gheața nu ar avea o căldură mare de fuziune, atunci în primăvară întreaga masă de gheață ar trebui să se topească în câteva minute sau secunde, deoarece căldura este transferată continuu în gheață din aer. Consecințele acestui lucru ar fi cumplite; căci chiar și în situația actuală, din topirea unor mase mari de gheață sau zăpadă apar mari inundații și torenți mari de apă.” R. Black, secolul al XVIII-lea
Pentru a topi un corp cristalin de masa m, este necesară o cantitate de căldură egală cu:
Qpl \u003d λm. (13,8)
Cantitatea de căldură eliberată în timpul cristalizării corpului este egală cu:
Q cr = -λm (13,9)
Ecuația de echilibru termic.
Luați în considerare schimbul de căldură în cadrul unui sistem format din mai multe corpuri având inițial temperaturi diferite, de exemplu, schimbul de căldură între apa dintr-un vas și o minge fierbinte de fier coborâtă în apă. Conform legii conservării energiei, cantitatea de căldură degajată de un corp este numeric egală cu cantitatea de căldură primită de altul.
Cantitatea dată de căldură este considerată negativă, cantitatea de căldură primită este considerată pozitivă. Prin urmare, cantitatea totală de căldură Q1 + Q2 = 0.
Dacă schimbul de căldură are loc între mai multe corpuri dintr-un sistem izolat, atunci
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Ecuația (13.10) se numește ecuația de echilibru termic.
Aici Q 1 Q 2 , Q 3 - cantitatea de căldură primită sau eliberată de corpuri. Aceste cantități de căldură sunt exprimate prin formula (13.5) sau formulele (13.6) - (13.9), dacă în procesul de transfer de căldură au loc diverse transformări de fază ale substanței (topire, cristalizare, vaporizare, condensare).
