La quantità di calore assorbita dal corpo durante la formula riscaldata. Quantità di calore

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In quali processi avviene la trasformazione aggregata della materia?
Come si può cambiare lo stato della materia?

Puoi cambiare l'energia interna di qualsiasi corpo facendo lavoro, riscaldandolo o, al contrario, raffreddandolo.
Pertanto, quando si forgia un metallo, il lavoro viene eseguito e viene riscaldato, mentre allo stesso tempo il metallo può essere riscaldato su una fiamma ardente.

Inoltre, se il pistone è fisso (Fig. 13.5), il volume del gas non cambia quando viene riscaldato e non viene eseguito alcun lavoro. Ma la temperatura del gas, e quindi la sua energia interna, aumenta.

L'energia interna può aumentare e diminuire, quindi la quantità di calore può essere positiva o negativa.

Viene chiamato il processo di trasferimento di energia da un corpo all'altro senza fare lavoro scambio di calore.

misura quantitativa del cambiamento Energia interna in trasferimento di calore è chiamato quantità di calore.

Immagine molecolare del trasferimento di calore.

Durante lo scambio di calore al confine tra i corpi, le molecole in lento movimento di un corpo freddo interagiscono con le molecole in rapido movimento di un corpo caldo. Di conseguenza, le energie cinetiche delle molecole vengono equalizzate e le velocità delle molecole di un corpo freddo aumentano, mentre quelle di un corpo caldo diminuiscono.

Durante lo scambio di calore, non c'è conversione di energia da una forma all'altra; parte dell'energia interna di un corpo più caldo viene trasferita a un corpo meno riscaldato.

La quantità di calore e la capacità termica.

Sai già che per riscaldare un corpo di massa m dalla temperatura t 1 alla temperatura t 2, è necessario trasferirgli la quantità di calore:

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

Quando il corpo si raffredda, la sua temperatura finale t 2 risulta essere inferiore alla temperatura iniziale t 1 e la quantità di calore ceduta dal corpo è negativa.

Viene chiamato il coefficiente c nella formula (13.5). capacità termica specifica sostanze.

Calore specifico- questo è un valore numericamente uguale alla quantità di calore che una sostanza di massa di 1 kg riceve o emette quando la sua temperatura cambia di 1 K.

La capacità termica specifica dei gas dipende dal processo mediante il quale viene trasferito il calore. Se riscaldi un gas a pressione costante, si espanderà e funzionerà. Per riscaldare un gas di 1 °C a pressione costante, deve essere trasferito grande quantità calore che per riscaldarlo a volume costante, quando il gas si riscalderà solo.

Liquidi e solidi si espandono leggermente quando riscaldati. Le loro capacità termiche specifiche a volume costante e pressione costante differiscono poco.

Calore specifico di vaporizzazione.

Per convertire un liquido in vapore durante il processo di ebollizione, è necessario trasferirgli una certa quantità di calore. La temperatura di un liquido non cambia quando bolle. La trasformazione del liquido in vapore a temperatura costante non porta ad un aumento dell'energia cinetica delle molecole, ma è accompagnata da un aumento dell'energia potenziale della loro interazione. Dopotutto, la distanza media tra le molecole di gas è molto maggiore di quella tra le molecole liquide.

Viene chiamato il valore numericamente uguale alla quantità di calore necessaria per convertire un liquido di 1 kg in vapore a temperatura costante calore specifico di vaporizzazione.

Il processo di evaporazione del liquido avviene a qualsiasi temperatura, mentre le molecole più veloci lasciano il liquido e si raffredda durante l'evaporazione. Il calore specifico di vaporizzazione è uguale al calore specifico di vaporizzazione.

Questo valore è indicato dalla lettera r ed è espresso in joule per chilogrammo (J/kg).

Il calore specifico di vaporizzazione dell'acqua è molto elevato: r H20 = 2.256 10 6 J/kg alla temperatura di 100 °C. In altri liquidi, come alcol, etere, mercurio, cherosene, il calore specifico di vaporizzazione è 3-10 volte inferiore a quello dell'acqua.

Per convertire un liquido di massa m in vapore è necessaria una quantità di calore pari a:

Q p \u003d rm. (13.6)

Quando il vapore condensa, viene rilasciata la stessa quantità di calore:

Q k \u003d -rm. (13.7)

Calore specifico di fusione.

Quando un corpo cristallino si scioglie, tutto il calore che gli viene fornito va ad aumentare l'energia potenziale di interazione delle molecole. L'energia cinetica delle molecole non cambia, poiché la fusione avviene a temperatura costante.

Si chiama il valore numericamente uguale alla quantità di calore necessaria per trasformare una sostanza cristallina del peso di 1 kg al punto di fusione in un liquido calore specifico di fusione e sono indicati dalla lettera λ.

Durante la cristallizzazione di una sostanza con una massa di 1 kg, viene rilasciata esattamente la stessa quantità di calore che viene assorbita durante la fusione.

Il calore specifico di scioglimento del ghiaccio è piuttosto elevato: 3,34 10 5 J/kg.

“Se il ghiaccio non avesse un elevato calore di fusione, in primavera l'intera massa di ghiaccio dovrebbe sciogliersi in pochi minuti o secondi, poiché il calore viene continuamente trasferito al ghiaccio dall'aria. Le conseguenze di ciò sarebbero terribili; poiché anche nella situazione attuale grandi inondazioni e grandi torrenti d'acqua sorgono dallo scioglimento di grandi masse di ghiaccio o di neve”. R. Nero, XVIII secolo

Per fondere un corpo cristallino di massa m è necessaria una quantità di calore pari a:

Qpl \u003d λm. (13.8)

La quantità di calore rilasciata durante la cristallizzazione del corpo è pari a:

Q cr = -λm (13.9)

Equazione del bilancio termico.

Si consideri lo scambio di calore all'interno di un sistema costituito da più corpi aventi inizialmente temperature diverse, ad esempio lo scambio di calore tra l'acqua in un recipiente e una sfera di ferro calda calata nell'acqua. Secondo la legge di conservazione dell'energia, la quantità di calore sprigionata da un corpo è numericamente uguale alla quantità di calore ricevuta da un altro.

La quantità di calore data è considerata negativa, la quantità di calore ricevuta è considerata positiva. Pertanto, la quantità totale di calore Q1 + Q2 = 0.

Se lo scambio di calore avviene tra più corpi in un sistema isolato, allora

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

Viene chiamata l'equazione (13.10). equazione del bilancio termico.

Qui Q 1 Q 2 , Q 3 - la quantità di calore ricevuta o ceduta dai corpi. Queste quantità di calore sono espresse dalla formula (13.5) o dalle formule (13.6) - (13.9), se si verificano varie trasformazioni di fase della sostanza nel processo di trasferimento del calore (fusione, cristallizzazione, vaporizzazione, condensazione).

In questa lezione impareremo come calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo o rilasciarlo quando si raffredda. Per fare ciò, riassumeremo le conoscenze acquisite nelle lezioni precedenti.

Inoltre, impareremo come utilizzare la formula per la quantità di calore per esprimere le quantità rimanenti da questa formula e calcolarle, conoscendo altre quantità. Verrà anche preso in considerazione un esempio di problema con una soluzione per il calcolo della quantità di calore.

Questa lezione è dedicata al calcolo della quantità di calore quando un corpo viene riscaldato o rilasciato da esso quando viene raffreddato.

Capacità di calcolare importo richiesto il calore è molto importante. Ciò può essere necessario, ad esempio, per calcolare la quantità di calore che deve essere conferita all'acqua per riscaldare una stanza.

Riso. 1. La quantità di calore che deve essere comunicata all'acqua per riscaldare la stanza

Oppure per calcolare la quantità di calore che viene rilasciata quando il carburante viene bruciato in vari motori:

Riso. 2. La quantità di calore rilasciata quando il carburante viene bruciato nel motore

Inoltre, questa conoscenza è necessaria, ad esempio, per determinare la quantità di calore che viene rilasciata dal Sole e colpisce la Terra:

Riso. 3. La quantità di calore rilasciata dal Sole e che cade sulla Terra

Per calcolare la quantità di calore, devi sapere tre cose (Fig. 4):

• peso corporeo (che di solito può essere misurato con una bilancia);
• la differenza di temperatura per la quale è necessario riscaldare o raffreddare il corpo (solitamente misurata con un termometro);
• capacità termica specifica del corpo (che può essere determinata dalla tabella).

Riso. 4. Cosa devi sapere per determinare

La formula per calcolare la quantità di calore è la seguente:

Questa formula contiene le seguenti quantità:

La quantità di calore, misurata in joule (J);

Calore specifico sostanze, misurate in;

- differenza di temperatura, misurata in gradi Celsius ().

Considera il problema del calcolo della quantità di calore.

Un compito

Un bicchiere di rame con una massa di grammi contiene acqua con un volume di un litro ad una temperatura di . Quanto calore deve essere trasferito a un bicchiere d'acqua affinché la sua temperatura diventi uguale a?

Riso. 5. Illustrazione della condizione del problema

Per prima cosa scriviamo condizione breve (Dato) e convertire tutte le quantità nel sistema internazionale (SI).

Dato:	SI
Trova:

Soluzione:

Innanzitutto, determina quali altre quantità ci servono per risolvere questo problema. Secondo la tabella della capacità termica specifica (Tabella 1), troviamo (capacità termica specifica del rame, poiché per condizione il vetro è rame), (capacità termica specifica dell'acqua, poiché per condizione c'è acqua nel vetro). Inoltre, sappiamo che per calcolare la quantità di calore, abbiamo bisogno di una massa d'acqua. Per condizione, ci viene dato solo il volume. Pertanto, prendiamo la densità dell'acqua dalla tabella: (Tabella 2).

Tab. 1. Capacità termica specifica di alcune sostanze,

Tab. 2. Densità di alcuni liquidi

Ora abbiamo tutto ciò di cui abbiamo bisogno per risolvere questo problema.

Si noti che la quantità totale di calore consisterà nella somma della quantità di calore richiesta per riscaldare il vetro di rame e la quantità di calore necessaria per riscaldare l'acqua al suo interno:

Per prima cosa calcoliamo la quantità di calore necessaria per riscaldare il vetro di rame:

Prima di calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare l'acqua, calcoliamo la massa d'acqua usando la formula a noi familiare dal grado 7:

Ora possiamo calcolare:

Allora possiamo calcolare:

Ricorda cosa significa: kilojoule. Il prefisso "chilo" significa .

Risposta:.

Per comodità di risolvere i problemi di trovare la quantità di calore (i cosiddetti problemi diretti) e le quantità associate a questo concetto, puoi utilizzare la tabella seguente.

Valore desiderato	Designazione	Unità	Formula di base	Formula per quantità
Quantità di calore

È possibile modificare l'energia interna del gas nel cilindro non solo lavorando, ma anche riscaldando il gas (Fig. 43). Se il pistone è fisso, il volume del gas non cambierà, ma la temperatura, e quindi l'energia interna, aumenterà.

Il processo di trasferimento di energia da un corpo all'altro senza lavoro è chiamato trasferimento di calore o trasferimento di calore.

L'energia trasferita al corpo come risultato del trasferimento di calore è chiamata quantità di calore. La quantità di calore è anche chiamata energia che il corpo emette nel processo di trasferimento del calore.

Immagine molecolare del trasferimento di calore. Durante lo scambio di calore al confine tra i corpi, le molecole che si muovono lentamente di un corpo freddo interagiscono con le molecole che si muovono più velocemente di un corpo caldo. Di conseguenza, le energie cinetiche

le molecole sono allineate e le velocità delle molecole di un corpo freddo aumentano e quelle di un corpo caldo diminuiscono.

Durante lo scambio di calore, non c'è conversione di energia da una forma all'altra: parte dell'energia interna di un corpo caldo viene trasferita a un corpo freddo.

La quantità di calore e la capacità termica. Dal corso di fisica della classe VII è noto che per riscaldare di temperatura in temperatura un corpo con una massa è necessario informarlo della quantità di calore

Quando il corpo si raffredda, la sua temperatura finale è inferiore a quella iniziale e la quantità di calore sprigionata dal corpo è negativa.

Viene chiamato il coefficiente c nella formula (4.5). calore specifico. La capacità termica specifica è la quantità di calore che 1 kg di una sostanza riceve o emette quando la sua temperatura cambia di 1 K -

La capacità termica specifica è espressa in joule per chilogrammo moltiplicato per kelvin. Corpi diversi richiedono una quantità disuguale di energia per aumentare la temperatura di I K. Pertanto, la capacità termica specifica dell'acqua e del rame

La capacità termica specifica dipende non solo dalle proprietà della sostanza, ma anche dal processo mediante il quale avviene il trasferimento di calore.Se riscaldi un gas a pressione costante, si espanderà e funzionerà. Per riscaldare un gas di 1 °C a pressione costante, dovrà trasferire più calore che riscaldarlo a volume costante.

liquido e corpi solidi si espandono leggermente quando vengono riscaldati e le loro capacità termiche specifiche a volume e pressione costanti differiscono leggermente.

Calore specifico di vaporizzazione. Per convertire un liquido in vapore, è necessario trasferirvi una certa quantità di calore. La temperatura del liquido non cambia durante questa trasformazione. La trasformazione del liquido in vapore a temperatura costante non porta ad un aumento dell'energia cinetica delle molecole, ma è accompagnata da un aumento della loro energia potenziale. Dopotutto, la distanza media tra le molecole di gas è molte volte maggiore che tra le molecole liquide. Inoltre, l'aumento di volume durante la transizione di una sostanza da stato liquido nel gassoso richiede che si lavori contro le forze della pressione esterna.

Viene chiamata la quantità di calore necessaria per trasformare 1 kg di liquido in vapore a temperatura costante

calore specifico di vaporizzazione. Questo valore è indicato da una lettera ed è espresso in joule per chilogrammo.

Il calore specifico di vaporizzazione dell'acqua è molto elevato: alla temperatura di 100°C. Per altri liquidi (alcool, etere, mercurio, cherosene, ecc.), il calore specifico di vaporizzazione è 3-10 volte inferiore.

Per convertire una massa liquida in vapore è necessaria una quantità di calore pari a:

Quando il vapore condensa, viene rilasciata la stessa quantità di calore:

Calore specifico di fusione. Quando un corpo cristallino si scioglie, tutto il calore che gli viene fornito va ad aumentare l'energia potenziale delle molecole. L'energia cinetica delle molecole non cambia, poiché la fusione avviene a temperatura costante.

La quantità di calore A richiesta per convertire 1 kg di una sostanza cristallina al punto di fusione in un liquido della stessa temperatura è chiamata calore specifico di fusione.

Durante la cristallizzazione di 1 kg di una sostanza, viene rilasciata esattamente la stessa quantità di calore. Il calore specifico di scioglimento del ghiaccio è piuttosto elevato:

Per fondere un corpo cristallino con una massa è necessaria una quantità di calore pari a:

La quantità di calore rilasciata durante la cristallizzazione del corpo è pari a:

1. Come si chiama la quantità di calore? 2. Cosa determina la capacità termica specifica delle sostanze? 3. Come si chiama il calore specifico di vaporizzazione? 4. Come si chiama calore specifico di fusione? 5. In quali casi la quantità di calore trasferito è negativa?

Viene chiamato il processo di trasferimento di energia da un corpo all'altro senza fare lavoro scambio di calore o trasferimento di calore. Il trasferimento di calore avviene tra corpi che hanno temperatura diversa. Quando si stabilisce il contatto tra corpi con temperature diverse, una parte dell'energia interna viene trasferita da un corpo con una temperatura più alta a un corpo con una temperatura più bassa. Viene chiamata l'energia trasferita al corpo a seguito del trasferimento di calore quantità di calore.

Capacità termica specifica di una sostanza:

Se il processo di trasferimento del calore non è accompagnato da lavoro, allora, in base alla prima legge della termodinamica, la quantità di calore è uguale alla variazione dell'energia interna del corpo: .

L'energia media del moto di traslazione casuale delle molecole è proporzionale alla temperatura assoluta. La variazione dell'energia interna di un corpo è uguale alla somma algebrica delle variazioni dell'energia di tutti gli atomi o molecole, il cui numero è proporzionale alla massa del corpo, quindi la variazione dell'energia interna e, di conseguenza, la quantità di calore è proporzionale alla massa e alla variazione di temperatura:

Viene chiamato il fattore di proporzionalità in questa equazione capacità termica specifica di una sostanza. La capacità termica specifica indica quanto calore è necessario per aumentare di 1 K la temperatura di 1 kg di una sostanza.

Lavoro in termodinamica:

In meccanica, il lavoro è definito come il prodotto dei moduli di forza e spostamento e il coseno dell'angolo tra di loro. Il lavoro si compie quando una forza agisce su un corpo in movimento ed è uguale alla variazione della sua energia cinetica.

In termodinamica, il movimento di un corpo nel suo insieme non viene considerato, stiamo parlando del movimento di parti di un corpo macroscopico l'una rispetto all'altra. Di conseguenza, il volume del corpo cambia e la sua velocità rimane uguale a zero. Il lavoro in termodinamica è definito allo stesso modo in meccanica, ma è uguale al cambiamento non nell'energia cinetica del corpo, ma nella sua energia interna.

Al termine del lavoro (compressione o espansione), l'energia interna del gas cambia. La ragione di ciò è la seguente: durante le collisioni elastiche di molecole di gas con un pistone in movimento, la loro energia cinetica cambia.

Calcoliamo il lavoro del gas durante l'espansione. Il gas agisce sul pistone con una forza
, dove è la pressione del gas, e - superficie pistone. Quando il gas si espande, il pistone si muove nella direzione della forza per una breve distanza
. Se la distanza è piccola, la pressione del gas può essere considerata costante. Il lavoro del gas è:

Dove
- variazione del volume del gas.

Nel processo di espansione del gas, fa un lavoro positivo, poiché la direzione della forza e lo spostamento coincidono. Nel processo di espansione, il gas cede energia ai corpi circostanti.

Il lavoro svolto da corpi esterni su un gas differisce dal lavoro di un gas solo in segno
, perché la forza agire sul gas è opposto alla forza , con cui il gas agisce sul pistone, ed è ad esso uguale in valore assoluto (terza legge di Newton); e il movimento rimane lo stesso. Pertanto, il lavoro delle forze esterne è uguale a:

.

Primo principio della termodinamica:

La prima legge della termodinamica è la legge di conservazione dell'energia, estesa ai fenomeni termici. Legge di risparmio energetico: l'energia in natura non nasce dal nulla e non scompare: la quantità di energia è invariata, cambia solo da una forma all'altra.

In termodinamica vengono considerati i corpi, la cui posizione del baricentro praticamente non cambia. L'energia meccanica di tali corpi rimane costante e solo l'energia interna può cambiare.

L'energia interna può essere modificata in due modi: trasferimento di calore e lavoro. Nel caso generale, l'energia interna cambia sia per il trasferimento di calore che per l'esecuzione del lavoro. Il primo principio della termodinamica è formulato proprio per tali casi generali:

La variazione dell'energia interna del sistema durante il suo passaggio da uno stato all'altro è uguale alla somma del lavoro delle forze esterne e della quantità di calore trasferita al sistema:

Se il sistema è isolato, non viene eseguito alcun lavoro su di esso e non scambia calore con i corpi circostanti. Secondo il primo principio della termodinamica l'energia interna di un sistema isolato rimane invariata.

Dato che
, il primo principio della termodinamica può essere scritto come segue:

La quantità di calore ceduta al sistema va a modificarne l'energia interna e ad eseguire interventi sui corpi esterni da parte del sistema.

Secondo principio della termodinamica: è impossibile trasferire calore da un sistema più freddo a uno più caldo in assenza di altre variazioni simultanee in entrambi i sistemi o nei corpi circostanti.

Cosa si scalda più velocemente sul fornello: un bollitore o un secchio d'acqua? La risposta è ovvia: un bollitore. Allora la seconda domanda è perché?

La risposta non è meno ovvia, perché la massa d'acqua nel bollitore è inferiore. Eccellente. Ora puoi rendere reale il tuo esperienza fisica a casa. Per fare questo, avrai bisogno di due piccole pentole identiche, una uguale quantità di acqua e olio vegetale, ad esempio, mezzo litro e un fornello. Mettere pentole di olio e acqua sullo stesso fuoco. E ora guarda cosa si scalderà più velocemente. Se c'è un termometro per liquidi puoi usarlo, in caso contrario puoi solo provare la temperatura di tanto in tanto con il dito, ma fai attenzione a non scottarti. In ogni caso, vedrai presto che l'olio si riscalda molto più velocemente dell'acqua. E un'altra domanda, che può essere implementata anche sotto forma di esperienza. Cosa bolle più velocemente - acqua calda o freddo? Tutto è di nuovo ovvio: quello caldo sarà il primo a finire. Perché tutte queste strane domande ed esperimenti? Per definire quantità fisica, chiamato "la quantità di calore".

Quantità di calore

La quantità di calore è l'energia che il corpo perde o guadagna durante il trasferimento di calore. Questo è chiaro dal nome. Durante il raffreddamento, il corpo perderà una certa quantità di calore e, una volta riscaldato, lo assorbirà. E le risposte alle nostre domande ce lo hanno mostrato da cosa dipende la quantità di calore? In primo luogo, maggiore è la massa del corpo, maggiore è la quantità di calore che deve essere spesa per cambiare la sua temperatura di un grado. In secondo luogo, la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo dipende dalla sostanza di cui è composto, cioè dal tipo di sostanza. E in terzo luogo, anche la differenza di temperatura corporea prima e dopo il trasferimento di calore è importante per i nostri calcoli. Sulla base di quanto sopra, possiamo determinare la quantità di calore con la formula:

dove Q è la quantità di calore,
m - peso corporeo,
(t_2-t_1) - la differenza tra la temperatura corporea iniziale e quella finale,
c - capacità termica specifica della sostanza, risulta dalle relative tabelle.

Usando questa formula, puoi calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare qualsiasi corpo o che questo corpo rilascerà quando si raffredda.

La quantità di calore è misurata in joule (1 J), come qualsiasi altra forma di energia. Tuttavia, questo valore è stato introdotto non molto tempo fa e le persone hanno iniziato a misurare la quantità di calore molto prima. E hanno usato un'unità ampiamente utilizzata ai nostri tempi: una caloria (1 cal). 1 caloria è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 grammo di acqua di 1 grado Celsius. Guidati da questi dati, gli amanti del conteggio delle calorie nel cibo che mangiano possono, per motivi di interesse, calcolare quanti litri di acqua possono essere bolliti con l'energia che consumano con il cibo durante la giornata.