La quantité de chaleur absorbée par le corps lorsque la formule est chauffée. Quantité de chaleur

« Physique - 10e année "

Dans quels processus se produit la transformation agrégée de la matière ?
Comment changer l'état de la matière ?

Vous pouvez modifier l'énergie interne de n'importe quel corps en travaillant, en le chauffant ou, au contraire, en le refroidissant.
Ainsi, lors du forgeage d'un métal, le travail est effectué et il est chauffé, tandis qu'en même temps le métal peut être chauffé au-dessus d'une flamme brûlante.

De plus, si le piston est fixe (Fig. 13.5), le volume de gaz ne change pas lorsqu'il est chauffé et aucun travail n'est effectué. Mais la température du gaz, et donc son énergie interne, augmente.

L'énergie interne peut augmenter et diminuer, de sorte que la quantité de chaleur peut être positive ou négative.

Le processus de transfert d'énergie d'un corps à un autre sans faire de travail s'appelle échange de chaleur.

mesure quantitative du changement énergie interne dans le transfert de chaleur s'appelle quantité de chaleur.

Image moléculaire du transfert de chaleur.

Lors de l'échange de chaleur à la frontière entre les corps, les molécules en mouvement lent d'un corps froid interagissent avec les molécules en mouvement rapide d'un corps chaud. En conséquence, les énergies cinétiques des molécules s'alignent et les vitesses des molécules d'un corps froid augmentent, tandis que celles d'un corps chaud diminuent.

Lors de l'échange de chaleur, il n'y a pas de conversion d'énergie d'une forme à une autre, une partie de l'énergie interne d'un corps plus chaud est transférée à un corps moins chauffé.

La quantité de chaleur et la capacité calorifique.

Vous savez déjà que pour chauffer un corps de masse m de la température t 1 à la température t 2, il faut lui transférer la quantité de chaleur :

Q \u003d cm (t 2 - t 1) \u003d cm Δt. (13.5)

Lorsque le corps se refroidit, sa température finale t 2 s'avère inférieure à la température initiale t 1 et la quantité de chaleur dégagée par le corps est négative.

Le coefficient c dans la formule (13.5) est appelé la capacité thermique spécifique substances.

Chaleur spécifique- il s'agit d'une valeur numériquement égale à la quantité de chaleur qu'une substance d'une masse de 1 kg reçoit ou dégage lorsque sa température change de 1 K.

La capacité calorifique spécifique des gaz dépend du processus par lequel la chaleur est transférée. Si vous chauffez un gaz à pression constante, il se dilatera et fonctionnera. Pour chauffer un gaz de 1 °C à pression constante, il faut le transférer grande quantité chaleur que pour le chauffer à volume constant, alors que le gaz ne fera que s'échauffer.

Les liquides et les solides se dilatent légèrement lorsqu'ils sont chauffés. Leurs capacités calorifiques spécifiques à volume constant et à pression constante diffèrent peu.

Chaleur spécifique de vaporisation.

Pour convertir un liquide en vapeur pendant le processus d'ébullition, il est nécessaire de lui transférer une certaine quantité de chaleur. La température d'un liquide ne change pas lorsqu'il bout. La transformation du liquide en vapeur à température constante n'entraîne pas une augmentation de l'énergie cinétique des molécules, mais s'accompagne d'une augmentation de l'énergie potentielle de leur interaction. Après tout, la distance moyenne entre les molécules de gaz est beaucoup plus grande qu'entre les molécules de liquide.

La valeur numériquement égale à la quantité de chaleur nécessaire pour convertir un liquide de 1 kg en vapeur à température constante est appelée chaleur spécifique de vaporisation.

Le processus d'évaporation du liquide se produit à n'importe quelle température, tandis que les molécules les plus rapides quittent le liquide et qu'il se refroidit pendant l'évaporation. La chaleur spécifique de vaporisation est égale à la chaleur spécifique de vaporisation.

Cette valeur est désignée par la lettre r et est exprimée en joules par kilogramme (J/kg).

La chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est très élevée : r H20 = 2,256 10 6 J/kg à une température de 100 °C. Dans d'autres liquides, tels que l'alcool, l'éther, le mercure, le kérosène, la chaleur spécifique de vaporisation est 3 à 10 fois inférieure à celle de l'eau.

Pour convertir un liquide de masse m en vapeur, il faut une quantité de chaleur égale à :

Q p \u003d rm. (13.6)

Lorsque la vapeur se condense, la même quantité de chaleur est dégagée :

Q k \u003d -rm. (13.7)

Chaleur spécifique de fusion.

Lorsqu'un corps cristallin fond, toute la chaleur qui lui est fournie va augmenter l'énergie potentielle d'interaction des molécules. L'énergie cinétique des molécules ne change pas, car la fusion se produit à température constante.

La valeur numériquement égale à la quantité de chaleur nécessaire pour transformer une substance cristalline pesant 1 kg à un point de fusion en un liquide est appelée chaleur spécifique de fusion et sont notés par la lettre λ.

Lors de la cristallisation d'une substance d'une masse de 1 kg, il se dégage exactement la même quantité de chaleur que celle absorbée lors de la fusion.

La chaleur spécifique de fonte de la glace est assez élevée : 3,34 10 5 J/kg.

"Si la glace n'avait pas une chaleur de fusion élevée, alors au printemps, toute la masse de glace devrait fondre en quelques minutes ou quelques secondes, car la chaleur est continuellement transférée à la glace depuis l'air. Les conséquences en seraient désastreuses; après tout, même dans la situation actuelle, de grandes inondations et de forts courants d'eau se produisent lorsque de grandes masses de glace ou de neige fondent. R. Black, XVIIIe siècle

Pour fondre un corps cristallin de masse m, il faut une quantité de chaleur égale à :

Qpl \u003d λm. (13.8)

La quantité de chaleur dégagée lors de la cristallisation du corps est égale à :

Q cr = -λm (13.9)

Équation du bilan thermique.

Considérons l'échange de chaleur au sein d'un système composé de plusieurs corps ayant initialement des températures différentes, par exemple, l'échange de chaleur entre l'eau dans un récipient et une boule de fer chaude descendue dans l'eau. Selon la loi de conservation de l'énergie, la quantité de chaleur dégagée par un corps est numériquement égale à la quantité de chaleur reçue par un autre.

La quantité de chaleur donnée est considérée comme négative, la quantité de chaleur reçue est considérée comme positive. Par conséquent, la quantité totale de chaleur Q1 + Q2 = 0.

Si un échange de chaleur se produit entre plusieurs corps dans un système isolé, alors

Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)

L'équation (13.10) est appelée équation du bilan thermique.

Ici Q 1 Q 2 , Q 3 - la quantité de chaleur reçue ou dégagée par les corps. Ces quantités de chaleur sont exprimées par la formule (13.5) ou les formules (13.6) - (13.9), si diverses transformations de phase de la substance se produisent au cours du processus de transfert de chaleur (fusion, cristallisation, vaporisation, condensation).

Dans cette leçon, nous apprendrons à calculer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps ou la libérer lorsqu'il se refroidit. Pour ce faire, nous allons résumer les connaissances qui ont été acquises dans les leçons précédentes.

De plus, nous apprendrons à utiliser la formule de la quantité de chaleur pour exprimer les quantités restantes de cette formule et les calculer, connaissant d'autres quantités. Un exemple de problème avec une solution pour calculer la quantité de chaleur sera également considéré.

Cette leçon est consacrée au calcul de la quantité de chaleur lorsqu'un corps est chauffé ou dégagé par celui-ci lorsqu'il est refroidi.

Capacité à calculer quantité requise la chaleur est très importante. Cela peut être nécessaire, par exemple, lors du calcul de la quantité de chaleur qui doit être transmise à l'eau pour chauffer une pièce.

Riz. 1. La quantité de chaleur qu'il faut rapporter à l'eau pour chauffer la pièce

Ou pour calculer la quantité de chaleur dégagée lorsque le carburant est brûlé dans divers moteurs :

Riz. 2. La quantité de chaleur dégagée lorsque le carburant est brûlé dans le moteur

De plus, cette connaissance est nécessaire, par exemple, pour déterminer la quantité de chaleur dégagée par le Soleil et frappant la Terre :

Riz. 3. La quantité de chaleur dégagée par le Soleil et tombant sur la Terre

Pour calculer la quantité de chaleur, vous devez savoir trois choses (Fig. 4) :

• poids corporel (qui peut généralement être mesuré avec une balance);
• la différence de température par laquelle il est nécessaire de chauffer le corps ou de le refroidir (généralement mesurée avec un thermomètre);
• capacité thermique spécifique du corps (qui peut être déterminée à partir du tableau).

Riz. 4. Ce que vous devez savoir pour déterminer

La formule de calcul de la quantité de chaleur est la suivante :

Cette formule contient les quantités suivantes :

La quantité de chaleur, mesurée en joules (J);

Chaleur spécifique substances, mesurées en;

- différence de température, mesurée en degrés Celsius ().

Considérons le problème du calcul de la quantité de chaleur.

Une tâche

Un verre de cuivre d'une masse de grammes contient de l'eau d'un volume d'un litre à une température de . Quelle quantité de chaleur doit être transférée à un verre d'eau pour que sa température devienne égale à ?

Riz. 5. Illustration de l'état du problème

On écrit d'abord état court (Étant donné) et convertir toutes les quantités dans le système international (SI).

Étant donné:	SI
Trouver:

Solution:

Tout d'abord, déterminez les autres quantités dont nous avons besoin pour résoudre ce problème. D'après le tableau de capacité calorifique spécifique (tableau 1), on trouve (capacité calorifique spécifique du cuivre, puisque par condition le verre est du cuivre), (capacité calorifique spécifique de l'eau, puisque par condition il y a de l'eau dans le verre). De plus, nous savons que pour calculer la quantité de chaleur, nous avons besoin d'une masse d'eau. Par condition, on ne nous donne que le volume. Par conséquent, nous prenons la densité de l'eau du tableau: (Tableau 2).

Languette. 1. Capacité calorifique spécifique de certaines substances,

Languette. 2. Densités de certains liquides

Maintenant, nous avons tout ce dont nous avons besoin pour résoudre ce problème.

Notez que la quantité totale de chaleur consistera en la somme de la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer le verre de cuivre et de la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer l'eau qu'il contient :

Nous calculons d'abord la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer le verre de cuivre :

Avant de calculer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer l'eau, nous calculons la masse d'eau en utilisant la formule qui nous est familière depuis la 7e année:

Maintenant on peut calculer :

On peut alors calculer :

Rappelez-vous ce que cela signifie : kilojoules. Le préfixe "kilo" signifie .

Répondre:.

Pour faciliter la résolution des problèmes de recherche de la quantité de chaleur (les problèmes dits directs) et des quantités associées à ce concept, vous pouvez utiliser le tableau suivant.

Valeur souhaitée	La désignation	Unités	Formule de base	Formule pour la quantité
Quantité de chaleur

Vous pouvez modifier l'énergie interne du gaz dans la bouteille non seulement en travaillant, mais également en chauffant le gaz (Fig. 43). Si le piston est fixe, le volume de gaz ne changera pas, mais la température, et donc l'énergie interne, augmentera.

Le processus de transfert d'énergie d'un corps à un autre sans faire de travail est appelé transfert de chaleur ou transfert de chaleur.

L'énergie transférée au corps à la suite d'un transfert de chaleur s'appelle la quantité de chaleur. La quantité de chaleur est également appelée l'énergie que le corps dégage lors du processus de transfert de chaleur.

Image moléculaire du transfert de chaleur. Lors de l'échange de chaleur à la frontière entre les corps, les molécules en mouvement lent d'un corps froid interagissent avec les molécules en mouvement plus rapide d'un corps chaud. Par conséquent, les énergies cinétiques

les molécules s'alignent et les vitesses des molécules d'un corps froid augmentent, et celles d'un corps chaud diminuent.

Lors d'un échange de chaleur, il n'y a pas de conversion d'énergie d'une forme à une autre : une partie de l'énergie interne d'un corps chaud est transférée à un corps froid.

La quantité de chaleur et la capacité calorifique. Il est connu du cours de physique de la classe VII que pour chauffer un corps avec une masse de température en température, il est nécessaire de l'informer de la quantité de chaleur

Lorsque le corps se refroidit, sa température finale est inférieure à la température initiale et la quantité de chaleur dégagée par le corps est négative.

Le coefficient c dans la formule (4.5) est appelé chaleur spécifique. La capacité thermique spécifique est la quantité de chaleur que 1 kg d'une substance reçoit ou dégage lorsque sa température change de 1 K -

La capacité thermique spécifique est exprimée en joules par kilogramme multipliée par kelvin. Différents corps nécessitent une quantité d'énergie inégale pour augmenter la température de I K. Ainsi, la capacité thermique spécifique de l'eau et du cuivre

La capacité thermique spécifique dépend non seulement des propriétés de la substance, mais également du processus par lequel le transfert de chaleur a lieu.Si vous chauffez un gaz à pression constante, il se dilatera et fonctionnera. Pour chauffer un gaz de 1 °C à pression constante, il devra transférer plus de chaleur que pour le chauffer à volume constant.

liquide et corps solides se dilatent légèrement lorsqu'ils sont chauffés, et leurs capacités thermiques spécifiques à volume constant et à pression constante diffèrent peu.

Chaleur spécifique de vaporisation. Pour transformer un liquide en vapeur, il faut lui transférer une certaine quantité de chaleur. La température du liquide ne change pas pendant cette transformation. La transformation d'un liquide en vapeur à température constante n'entraîne pas une augmentation de l'énergie cinétique des molécules, mais s'accompagne d'une augmentation de leur énergie potentielle. Après tout, la distance moyenne entre les molécules de gaz est plusieurs fois supérieure à celle entre les molécules de liquide. De plus, l'augmentation de volume lors de la transition d'une substance de état liquide dans le gazeux nécessite un travail contre les forces de pression externe.

La quantité de chaleur nécessaire pour transformer 1 kg de liquide en vapeur à température constante est appelée

chaleur spécifique de vaporisation. Cette valeur est indiquée par une lettre et exprimée en joules par kilogramme.

La chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est très élevée : à une température de 100°C. Pour les autres liquides (alcool, éther, mercure, kérosène, etc.), la chaleur spécifique de vaporisation est 3 à 10 fois inférieure.

Pour transformer une masse liquide en vapeur, il faut une quantité de chaleur égale à :

Lorsque la vapeur se condense, la même quantité de chaleur est dégagée :

Chaleur spécifique de fusion. Lorsqu'un corps cristallin fond, toute la chaleur qui lui est fournie va augmenter l'énergie potentielle des molécules. L'énergie cinétique des molécules ne change pas, car la fusion se produit à température constante.

La quantité de chaleur A nécessaire pour convertir 1 kg d'une substance cristalline au point de fusion en un liquide à la même température est appelée chaleur spécifique de fusion.

Lors de la cristallisation de 1 kg d'une substance, exactement la même quantité de chaleur est dégagée. La chaleur spécifique de fonte de la glace est assez élevée :

Pour fondre un corps cristallin avec une masse, il faut une quantité de chaleur égale à :

La quantité de chaleur dégagée lors de la cristallisation du corps est égale à :

1. Qu'appelle-t-on la quantité de chaleur ? 2. Qu'est-ce qui détermine la capacité calorifique spécifique des substances ? 3. Qu'appelle-t-on la chaleur spécifique de vaporisation ? 4. Qu'appelle-t-on la chaleur spécifique de fusion ? 5. Dans quels cas la quantité de chaleur transférée est-elle négative ?

Le processus de transfert d'énergie d'un corps à un autre sans faire de travail s'appelle échange de chaleur ou transfert de chaleur. Le transfert de chaleur se produit entre les corps qui ont température différente. Lorsqu'un contact s'établit entre des corps de températures différentes, une partie de l'énergie interne est transférée d'un corps à température plus élevée vers un corps à température plus basse. L'énergie transférée au corps à la suite d'un transfert de chaleur s'appelle quantité de chaleur.

Capacité calorifique spécifique d'une substance :

Si le processus de transfert de chaleur ne s'accompagne pas de travail, alors, selon la première loi de la thermodynamique, la quantité de chaleur est égale à la variation de l'énergie interne du corps : .

L'énergie moyenne du mouvement de translation aléatoire des molécules est proportionnelle à la température absolue. La variation de l'énergie interne d'un corps est égale à la somme algébrique des variations de l'énergie de tous les atomes ou molécules, dont le nombre est proportionnel à la masse du corps, donc la variation de l'énergie interne et, par conséquent, la quantité de chaleur est proportionnelle à la masse et au changement de température :

Le facteur de proportionnalité dans cette équation est appelé capacité calorifique spécifique d'une substance. La capacité thermique spécifique indique la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 1 kg d'une substance de 1 K.

Travail en thermodynamique :

En mécanique, le travail est défini comme le produit des modules de force et de déplacement et du cosinus de l'angle entre eux. Le travail est effectué lorsqu'une force agit sur un corps en mouvement et est égale à la variation de son énergie cinétique.

En thermodynamique, le mouvement d'un corps dans son ensemble n'est pas considéré, nous parlons du mouvement des parties d'un corps macroscopique les unes par rapport aux autres. En conséquence, le volume du corps change et sa vitesse reste égale à zéro. Le travail en thermodynamique est défini de la même manière qu'en mécanique, mais il est égal à la variation non pas de l'énergie cinétique du corps, mais de son énergie interne.

Lorsque le travail est effectué (compression ou détente), l'énergie interne du gaz change. La raison pour cela est la suivante: lors de collisions élastiques de molécules de gaz avec un piston en mouvement, leur énergie cinétique change.

Calculons le travail du gaz pendant la détente. Le gaz agit sur le piston avec une force
, où est la pression du gaz, et - superficie piston. Lorsque le gaz se dilate, le piston se déplace dans le sens de la force pour une courte distance
. Si la distance est petite, la pression du gaz peut être considérée comme constante. Le travail du gaz est :

Où
- modification du volume de gaz.

Dans le processus d'expansion du gaz, il fait un travail positif, car la direction de la force et le déplacement coïncident. Dans le processus d'expansion, le gaz cède de l'énergie aux corps environnants.

Le travail effectué par des corps extérieurs sur le gaz ne diffère du travail du gaz que par le signe
, parce que la force agissant sur le gaz est opposé à la force , avec lequel le gaz agit sur le piston, et lui est égal en valeur absolue (troisième loi de Newton) ; et le mouvement reste le même. Par conséquent, le travail des forces extérieures est égal à :

.

Première loi de la thermodynamique :

La première loi de la thermodynamique est la loi de conservation de l'énergie, étendue aux phénomènes thermiques. Loi de conservation de l'énergie : l'énergie dans la nature ne surgit pas de rien et ne disparaît pas : la quantité d'énergie est inchangée, elle change seulement d'une forme à l'autre.

En thermodynamique, on considère des corps dont la position du centre de gravité ne change pratiquement pas. L'énergie mécanique de tels corps reste constante et seule l'énergie interne peut changer.

L'énergie interne peut être modifiée de deux manières: transfert de chaleur et travail. Dans le cas général, l'énergie interne change à la fois en raison du transfert de chaleur et en raison de l'exécution du travail. La première loi de la thermodynamique est formulée précisément pour de tels cas généraux :

La variation de l'énergie interne du système lors de sa transition d'un état à un autre est égale à la somme du travail des forces externes et de la quantité de chaleur transférée au système :

Si le système est isolé, aucun travail n'est effectué dessus et il n'échange pas de chaleur avec les corps environnants. Selon la première loi de la thermodynamique l'énergie interne d'un système isolé reste inchangée.

Étant donné que
, la première loi de la thermodynamique peut s'écrire comme suit :

La quantité de chaleur transférée au système va changer son énergie interne et effectuer un travail sur les corps externes par le système.

Deuxième loi de la thermodynamique : il est impossible de transférer de la chaleur d'un système plus froid à un système plus chaud en l'absence d'autres changements simultanés dans les deux systèmes ou dans les corps environnants.

Qu'est-ce qui chauffe plus vite sur la cuisinière - une bouilloire ou un seau d'eau ? La réponse est évidente - une bouilloire. Alors la deuxième question est pourquoi?

La réponse n'est pas moins évidente - car la masse d'eau dans la bouilloire est moindre. Amende. Maintenant, vous pouvez créer votre propre réalité expérience physiqueà la maison. Pour ce faire, vous aurez besoin de deux petites casseroles identiques, d'une quantité égale d'eau et huile végétale, par exemple, un demi-litre et un réchaud. Mettez des pots d'huile et d'eau sur le même feu. Et maintenant, regardez ce qui va chauffer plus vite. S'il existe un thermomètre pour liquides, vous pouvez l'utiliser, sinon, vous pouvez simplement essayer la température de temps en temps avec votre doigt, mais faites juste attention à ne pas vous brûler. Dans tous les cas, vous verrez bientôt que l'huile chauffe nettement plus vite que l'eau. Et une autre question, qui peut également être mise en œuvre sous forme d'expérience. Qu'est-ce qui va bouillir plus vite - eau chaude ou froid ? Tout est à nouveau évident - le chaud sera le premier à finir. Pourquoi toutes ces questions et expériences étranges ? Afin de définir quantité physique, appelée "la quantité de chaleur".

Quantité de chaleur

La quantité de chaleur est l'énergie que le corps perd ou gagne pendant le transfert de chaleur. Cela ressort clairement du nom. Lors du refroidissement, le corps perdra une certaine quantité de chaleur et, lorsqu'il sera chauffé, il l'absorbera. Et les réponses à nos questions nous ont montré de quoi dépend la quantité de chaleur? Premièrement, plus la masse du corps est grande, plus la quantité de chaleur qui doit être dépensée pour changer sa température d'un degré est grande. Deuxièmement, la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps dépend de la substance dont il est composé, c'est-à-dire de l'espèce de substance. Et troisièmement, la différence de température corporelle avant et après le transfert de chaleur est également importante pour nos calculs. Sur la base de ce qui précède, nous pouvons déterminer la quantité de chaleur par la formule:

où Q est la quantité de chaleur,
m - poids corporel,
(t_2-t_1) - la différence entre les températures corporelles initiale et finale,
c - capacité thermique spécifique de la substance, se trouve dans les tableaux pertinents.

À l'aide de cette formule, vous pouvez calculer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer n'importe quel corps ou que ce corps dégagera lorsqu'il se refroidira.

La quantité de chaleur se mesure en joules (1 J), comme toute autre forme d'énergie. Cependant, cette valeur a été introduite il n'y a pas si longtemps et les gens ont commencé à mesurer la quantité de chaleur beaucoup plus tôt. Et ils ont utilisé une unité largement utilisée à notre époque - une calorie (1 cal). 1 calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1 gramme d'eau de 1 degré Celsius. Guidés par ces données, les amateurs de comptage des calories dans les aliments qu'ils mangent peuvent, par souci d'intérêt, calculer combien de litres d'eau peuvent être bouillis avec l'énergie qu'ils consomment avec les aliments pendant la journée.