Ilość ciepła wchłoniętego przez organizm po podgrzaniu formuły. Ilość ciepła

« Fizyka - klasa 10 "

W jakich procesach zachodzi agregacyjna transformacja materii?
Jak można zmienić stan materii?

Możesz zmienić energię wewnętrzną dowolnego ciała, wykonując pracę, ogrzewając lub odwrotnie, chłodząc je.
Tak więc podczas kucia metalu praca jest wykonywana i jest podgrzewana, podczas gdy w tym samym czasie metal może być podgrzewany nad płonącym płomieniem.

Ponadto, jeśli tłok jest zamocowany (ryc. 13.5), objętość gazu nie zmienia się po podgrzaniu i nie wykonuje się żadnej pracy. Ale temperatura gazu, a tym samym jego energia wewnętrzna, wzrasta.

Energia wewnętrzna może wzrastać i maleć, więc ilość ciepła może być dodatnia lub ujemna.

Proces przenoszenia energii z jednego ciała do drugiego bez wykonywania pracy nazywa się wymiana ciepła.

ilościowa miara zmiany energia wewnętrzna w wymianie ciepła nazywa się ilość ciepła.

Molekularny obraz wymiany ciepła.

Podczas wymiany ciepła na granicy między ciałami wolno poruszające się molekuły zimnego ciała oddziałują z szybko poruszającymi się molekułami gorącego ciała. W rezultacie energie kinetyczne cząsteczek są wyrównane, a prędkości cząsteczek zimnego ciała wzrastają, podczas gdy gorącego ciała maleją.

Podczas wymiany ciepła nie następuje zamiana energii z jednej postaci na drugą, część energii wewnętrznej cieplejszego ciała jest przekazywana do mniej nagrzanego ciała.

Ilość ciepła i pojemność cieplna.

Wiesz już, że aby ogrzać ciało o masie m od temperatury t 1 do temperatury t 2, konieczne jest przekazanie mu ilości ciepła:

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

Gdy ciało się ochładza, okazuje się, że jego temperatura końcowa t 2 jest niższa niż temperatura początkowa t 1, a ilość ciepła wydzielanego przez ciało jest ujemna.

Współczynnik c we wzorze (13.5) nazywa się specyficzna pojemność cieplna Substancje.

Ciepło właściwe- jest to wartość liczbowo równa ilości ciepła, jaką otrzymuje lub oddaje substancja o masie 1 kg, gdy jej temperatura zmienia się o 1 K.

Właściwa pojemność cieplna gazów zależy od procesu przenoszenia ciepła. Jeśli podgrzejesz gaz pod stałym ciśnieniem, rozszerzy się i zadziała. Aby ogrzać gaz o 1 °C przy stałym ciśnieniu, należy go przenieść duża ilość ciepła niż do podgrzewania go ze stałą objętością, gdy gaz będzie się tylko nagrzewał.

Ciecze i ciała stałe nieznacznie rozszerzają się po podgrzaniu. Ich ciepło właściwe przy stałej objętości i stałym ciśnieniu niewiele się różni.

Ciepło właściwe parowania.

Aby przekształcić ciecz w parę podczas procesu wrzenia, konieczne jest przeniesienie do niej pewnej ilości ciepła. Temperatura płynu nie zmienia się podczas wrzenia. Przemiana cieczy w parę w stałej temperaturze nie prowadzi do wzrostu energii kinetycznej cząsteczek, ale towarzyszy jej wzrost energii potencjalnej ich oddziaływania. W końcu średnia odległość między cząsteczkami gazu jest znacznie większa niż między cząsteczkami cieczy.

Nazywa się wartość liczbowo równą ilości ciepła wymaganego do przekształcenia 1 kg cieczy w parę o stałej temperaturze ciepło właściwe waporyzacji.

Proces parowania cieczy zachodzi w dowolnej temperaturze, podczas gdy najszybsze cząsteczki opuszczają ciecz, która podczas parowania ochładza się. Ciepło właściwe waporyzacji jest równe ciepłu właściwemu waporyzacji.

Wartość ta jest oznaczona literą r i wyrażona w dżulach na kilogram (J / kg).

Ciepło właściwe parowania wody jest bardzo wysokie: r H20 = 2,256 106 J/kg w temperaturze 100°C. W innych cieczach, takich jak alkohol, eter, rtęć, nafta, ciepło właściwe parowania jest 3-10 razy mniejsze niż wody.

Aby przekształcić ciecz o masie m w parę, wymagana jest ilość ciepła równa:

Q p \u003d rm. (13.6)

Kiedy para się skrapla, uwalniana jest taka sama ilość ciepła:

Q k \u003d -rm. (13,7)

Ciepło właściwe topnienia.

Kiedy ciało krystaliczne topi się, całe dostarczone do niego ciepło idzie na zwiększenie energii potencjalnej interakcji cząsteczek. Energia kinetyczna cząsteczek nie zmienia się, ponieważ topienie zachodzi w stałej temperaturze.

Nazywa się wartość liczbowo równą ilości ciepła potrzebnego do przekształcenia substancji krystalicznej o masie 1 kg w temperaturze topnienia w ciecz ciepło właściwe topnienia i są oznaczone literą λ.

Podczas krystalizacji substancji o masie 1 kg uwalniana jest dokładnie taka sama ilość ciepła, jaka jest pochłaniana podczas topienia.

Ciepło właściwe topnienia lodu jest dość wysokie: 3,34 · 10 5 J/kg.

„Gdyby lód nie miał wysokiej temperatury topnienia, to wiosną cała masa lodu musiałaby stopić się w ciągu kilku minut lub sekund, ponieważ ciepło jest stale przenoszone do lodu z powietrza. Konsekwencje tego byłyby tragiczne; wszak nawet w obecnej sytuacji wielkie powodzie i silne strumienie wody występują, gdy topnieją duże masy lodu lub śniegu. R. Czarny, XVIII w.

Aby stopić ciało krystaliczne o masie m, potrzebna jest ilość ciepła równa:

Qpl \u003d λm. (13.8)

Ilość ciepła uwalnianego podczas krystalizacji ciała jest równa:

Q cr = -λm (13,9)

Równanie bilansu ciepła.

Rozważ wymianę ciepła w układzie składającym się z kilku ciał o początkowo różnych temperaturach, na przykład wymianę ciepła między wodą w naczyniu a gorącą żelazną kulą zanurzoną w wodzie. Zgodnie z prawem zachowania energii ilość ciepła wydzielanego przez jedno ciało jest liczbowo równa ilości ciepła odbieranego przez inne ciało.

Podana ilość ciepła jest uważana za ujemną, odebraną ilość ciepła za dodatnią. Dlatego całkowita ilość ciepła Q1 + Q2 = 0.

Jeśli wymiana ciepła zachodzi między kilkoma ciałami w izolowanym systemie, to

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

Równanie (13.10) nazywa się równanie bilansu cieplnego.

Tutaj Q 1 Q 2 , Q 3 - ilość ciepła odebranego lub oddanego przez ciała. Te ilości ciepła wyraża się wzorem (13.5) lub wzorami (13.6) - (13.9), jeżeli w procesie wymiany ciepła zachodzą różne przemiany fazowe substancji (topienie, krystalizacja, parowanie, kondensacja).

W tej lekcji dowiemy się, jak obliczyć ilość ciepła potrzebną do ogrzania ciała lub uwolnienia go, gdy ostygnie. Aby to zrobić, podsumujemy wiedzę zdobytą na poprzednich lekcjach.

Ponadto nauczymy się, jak korzystać ze wzoru na ilość ciepła, aby wyrazić pozostałe wielkości z tego wzoru i obliczyć je, znając inne wielkości. Rozpatrzony zostanie również przykład problemu z rozwiązaniem do obliczania ilości ciepła.

Ta lekcja poświęcona jest obliczaniu ilości ciepła, kiedy ciało jest ogrzewane lub uwalniane przez nie po schłodzeniu.

Umiejętność obliczania wymagana ilość ciepło jest bardzo ważne. Może to być konieczne na przykład przy obliczaniu ilości ciepła, które musi zostać dostarczone do wody, aby ogrzać pomieszczenie.

Ryż. 1. Ilość ciepła, którą należy zgłosić do wody, aby ogrzać pomieszczenie

Lub obliczyć ilość ciepła uwalnianego podczas spalania paliwa w różnych silnikach:

Ryż. 2. Ilość ciepła uwalnianego podczas spalania paliwa w silniku

Również ta wiedza jest potrzebna np. do określenia ilości ciepła, które jest uwalniane przez Słońce i uderza w Ziemię:

Ryż. 3. Ilość ciepła wydzielanego przez Słońce i padającego na Ziemię

Aby obliczyć ilość ciepła, musisz wiedzieć trzy rzeczy (ryc. 4):

• masa ciała (którą zwykle można zmierzyć za pomocą wagi);
• różnica temperatur, o jaką należy ogrzać ciało lub je schłodzić (zwykle mierzona termometrem);
• właściwa pojemność cieplna ciała (którą można określić z tabeli).

Ryż. 4. Co musisz wiedzieć, aby ustalić

Wzór na obliczenie ilości ciepła jest następujący:

Ta formuła zawiera następujące ilości:

Ilość ciepła mierzona w dżulach (J);

Ciepło właściwe substancje mierzone w;

- różnica temperatur, mierzona w stopniach Celsjusza ().

Rozważ problem obliczenia ilości ciepła.

Zadanie

Miedziane szkło o masie gramów zawiera wodę o objętości jednego litra o temperaturze . Ile ciepła trzeba przenieść do szklanki wody, aby jej temperatura stała się równa ?

Ryż. 5. Ilustracja stanu problemu

Najpierw piszemy krótki warunek (Dany) i przeliczyć wszystkie ilości na system międzynarodowy (SI).

Dany:	SI
Znaleźć:

Rozwiązanie:

Najpierw określ, jakie inne wielkości potrzebujemy, aby rozwiązać ten problem. Zgodnie z tabelą pojemności cieplnej właściwej (Tabela 1) znajdujemy (ciepło właściwe miedzi, ponieważ według stanu szkło jest miedzią) (ciepło właściwe wody, ponieważ według stanu w szkle znajduje się woda). Dodatkowo wiemy, że aby obliczyć ilość ciepła, potrzebujemy masy wody. Warunkowo otrzymujemy tylko objętość. Dlatego bierzemy gęstość wody z tabeli: (Tabela 2).

Patka. 1. Ciepło właściwe niektórych substancji,

Patka. 2. Gęstości niektórych cieczy

Teraz mamy wszystko, czego potrzebujemy, aby rozwiązać ten problem.

Zauważ, że całkowita ilość ciepła będzie składać się z sumy ilości ciepła potrzebnego do podgrzania miedzianego szkła i ilości ciepła potrzebnego do podgrzania w nim wody:

Najpierw obliczamy ilość ciepła potrzebną do ogrzania szkła miedzianego:

Przed obliczeniem ilości ciepła potrzebnego do podgrzania wody obliczamy masę wody za pomocą wzoru znanego nam z klasy 7:

Teraz możemy obliczyć:

Wtedy możemy obliczyć:

Przypomnij sobie, co to znaczy: kilodżule. Przedrostek „kilo” oznacza .

Odpowiedź:.

Dla wygody rozwiązywania problemów ze znalezieniem ilości ciepła (tzw. problemów bezpośrednich) i ilości związanych z tą koncepcją możesz skorzystać z poniższej tabeli.

Pożądana wartość	Przeznaczenie	Jednostki	Formuła podstawowa	Wzór na ilość
Ilość ciepła

Możesz zmienić energię wewnętrzną gazu w butli nie tylko wykonując pracę, ale także podgrzewając gaz (ryc. 43). Jeśli tłok jest nieruchomy, objętość gazu nie zmieni się, ale wzrośnie temperatura, a tym samym energia wewnętrzna.

Proces przenoszenia energii z jednego ciała do drugiego bez wykonywania pracy nazywa się przenoszeniem ciepła lub przenoszeniem ciepła.

Energia przekazana organizmowi w wyniku wymiany ciepła nazywana jest ilością ciepła. Ilość ciepła nazywana jest również energią, którą organizm oddaje w procesie wymiany ciepła.

Molekularny obraz wymiany ciepła. Podczas wymiany ciepła na granicy między ciałami, wolno poruszające się molekuły zimnego ciała oddziałują z szybciej poruszającymi się molekułami gorącego ciała. W rezultacie energie kinetyczne

cząsteczki ustawiają się w jednej linii i prędkości cząsteczek zimnego ciała wzrastają, a gorącego maleją.

Podczas wymiany ciepła nie zachodzi przemiana energii z jednej postaci w drugą: część energii wewnętrznej gorącego ciała jest przekazywana do zimnego ciała.

Ilość ciepła i pojemność cieplna. Z kursu fizyki VII klasy wiadomo, że aby ogrzać ciało o masie od temperatury do temperatury, konieczne jest poinformowanie go o ilości ciepła

Gdy ciało się ochładza, jego końcowa temperatura jest niższa niż początkowa, a ilość ciepła wydzielanego przez ciało jest ujemna.

Współczynnik c we wzorze (4.5) nazywa się ciepło właściwe. Ciepło właściwe to ilość ciepła, jaką 1 kg substancji odbiera lub oddaje, gdy jej temperatura zmienia się o 1 K -

Ciepło właściwe jest wyrażone w dżulach na kilogram razy kelwin. Różne ciała wymagają nierównej ilości energii, aby podnieść temperaturę o I K. Zatem właściwa pojemność cieplna wody i miedzi

Właściwa pojemność cieplna zależy nie tylko od właściwości substancji, ale także od procesu, w którym zachodzi wymiana ciepła.Gdy podgrzejesz gaz pod stałym ciśnieniem, ulegnie on rozprężeniu i zadziała. Aby ogrzać gaz o 1 °C przy stałym ciśnieniu, będzie musiał przenieść więcej ciepła niż podgrzać go przy stałej objętości.

płyn i ciała stałe rozszerzają się nieznacznie po podgrzaniu, a ich ciepło właściwe przy stałej objętości i stałym ciśnieniu niewiele się różni.

Ciepło właściwe parowania. Aby zamienić ciecz w parę, musi zostać do niej przekazana pewna ilość ciepła. Temperatura cieczy nie zmienia się podczas tej przemiany. Przemiana cieczy w parę o stałej temperaturze nie prowadzi do wzrostu energii kinetycznej cząsteczek, ale towarzyszy jej wzrost ich energii potencjalnej. W końcu średnia odległość między cząsteczkami gazu jest wielokrotnie większa niż między cząsteczkami cieczy. Ponadto wzrost objętości podczas przejścia substancji z stan ciekły w gaz wymaga pracy przeciw siłom ciśnienia zewnętrznego.

Nazywa się ilość ciepła potrzebną do przekształcenia 1 kg cieczy w parę w stałej temperaturze

ciepło właściwe parowania. Wartość ta jest oznaczona literą i wyrażona w dżulach na kilogram.

Ciepło właściwe parowania wody jest bardzo wysokie: w temperaturze 100°C. W przypadku innych cieczy (alkohol, eter, rtęć, nafta itp.) ciepło właściwe parowania jest 3-10 razy mniejsze.

Przekształcenie masy cieczy w parę wymaga ilości ciepła równej:

Kiedy para się skrapla, uwalniana jest taka sama ilość ciepła:

Ciepło właściwe topnienia. Kiedy ciało krystaliczne topi się, całe dostarczone do niego ciepło idzie na zwiększenie energii potencjalnej cząsteczek. Energia kinetyczna cząsteczek nie zmienia się, ponieważ topienie zachodzi w stałej temperaturze.

Ilość ciepła A potrzebna do przekształcenia 1 kg substancji krystalicznej w temperaturze topnienia w ciecz o tej samej temperaturze nazywana jest ciepłem właściwym topnienia.

Podczas krystalizacji 1 kg substancji uwalniana jest dokładnie taka sama ilość ciepła. Ciepło właściwe topnienia lodu jest dość wysokie:

Aby stopić ciało krystaliczne z masą, wymagana jest ilość ciepła równa:

Ilość ciepła uwalnianego podczas krystalizacji ciała jest równa:

1. Jak nazywa się ilość ciepła? 2. Od czego zależy ciepło właściwe substancji? 3. Jak nazywa się ciepło właściwe waporyzacji? 4. Co nazywa się ciepłem właściwym stapiania? 5. W jakich przypadkach ilość przekazywanego ciepła jest ujemna?

Proces przenoszenia energii z jednego ciała do drugiego bez wykonywania pracy nazywa się wymiana ciepła lub wymiana ciepła. Przenikanie ciepła następuje między ciałami, które mają inna temperatura. Kiedy dochodzi do kontaktu między ciałami o różnych temperaturach, część energii wewnętrznej jest przekazywana z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Energia przekazana organizmowi w wyniku wymiany ciepła nazywa się ilość ciepła.

Ciepło właściwe substancji:

Jeżeli procesowi wymiany ciepła nie towarzyszy praca, to zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki ilość ciepła jest równa zmianie energii wewnętrznej ciała: .

Średnia energia losowego ruchu translacyjnego cząsteczek jest proporcjonalna do temperatury bezwzględnej. Zmiana energii wewnętrznej ciała jest równa sumie algebraicznej zmian energii wszystkich atomów lub cząsteczek, których liczba jest proporcjonalna do masy ciała, a więc zmiana energii wewnętrznej, a co za tym idzie, ilość ciepła jest proporcjonalna do zmiany masy i temperatury:

Współczynnik proporcjonalności w tym równaniu nazywa się ciepło właściwe substancji. Ciepło właściwe pokazuje, ile ciepła potrzeba do podgrzania 1 kg substancji o 1 K.

Praca w termodynamice:

W mechanice pracę definiuje się jako iloczyn modułów siły i przemieszczenia oraz cosinusa kąta między nimi. Praca jest wykonywana, gdy siła działa na poruszające się ciało i jest równa zmianie jego energii kinetycznej.

W termodynamice nie bierze się pod uwagę ruchu ciała jako całości, mówimy o ruchu części ciała makroskopowego względem siebie. W rezultacie zmienia się objętość ciała, a jego prędkość pozostaje równa zeru. Praca w termodynamice definiowana jest tak samo jak w mechanice, ale jest to zmiana nie energii kinetycznej ciała, ale jego energii wewnętrznej.

Po zakończeniu pracy (sprężanie lub rozprężanie) zmienia się energia wewnętrzna gazu. Powód tego jest następujący: podczas zderzeń sprężystych cząsteczek gazu z poruszającym się tłokiem zmienia się ich energia kinetyczna.

Obliczmy pracę gazu podczas ekspansji. Gaz działa na tłok z siłą
, gdzie to ciśnienie gazu, i - powierzchnia tłok. W miarę rozszerzania się gazu tłok porusza się w kierunku siły na krótki dystans
. Jeśli odległość jest niewielka, ciśnienie gazu można uznać za stałe. Praca gazu to:

Gdzie
- zmiana objętości gazu.

W procesie rozprężania gazu wykonuje pozytywną pracę, ponieważ kierunek siły i przemieszczenia pokrywają się. W procesie ekspansji gaz oddaje energię do otaczających ciał.

Praca wykonywana przez ciała zewnętrzne na gazie różni się od pracy gazu tylko znakiem
, bo siła działanie na gaz jest przeciwne do siły , z którym gaz działa na tłok i jest mu równy w wartości bezwzględnej (trzecie prawo Newtona); a ruch pozostaje ten sam. Dlatego praca sił zewnętrznych jest równa:

.

Pierwsza zasada termodynamiki:

Pierwszą zasadą termodynamiki jest zasada zachowania energii, rozszerzona na zjawiska cieplne. Prawo zachowania energii: energia w przyrodzie nie powstaje z niczego i nie znika: ilość energii pozostaje niezmienna, zmienia się tylko z jednej formy w drugą.

W termodynamice brane są pod uwagę ciała, których położenie środka ciężkości praktycznie się nie zmienia. Energia mechaniczna takich ciał pozostaje stała, a zmieniać się może tylko energia wewnętrzna.

Energię wewnętrzną można zmienić na dwa sposoby: przenoszenie ciepła i pracę. W ogólnym przypadku energia wewnętrzna zmienia się zarówno z powodu wymiany ciepła, jak i wykonywania pracy. Pierwsza zasada termodynamiki jest sformułowana właśnie dla takich ogólnych przypadków:

Zmiana energii wewnętrznej układu podczas jego przejścia z jednego stanu do drugiego jest równa sumie pracy sił zewnętrznych i ilości ciepła przekazanego do układu:

Jeśli system jest izolowany, to nie wykonuje się na nim żadnej pracy i nie wymienia ciepła z otaczającymi ciałami. Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki energia wewnętrzna systemu izolowanego pozostaje niezmieniona.

Jeśli się uwzględni
, pierwszą zasadę termodynamiki można zapisać w następujący sposób:

Ilość ciepła przekazanego do systemu idzie na zmianę jego energii wewnętrznej i wykonanie przez system pracy na ciałach zewnętrznych.

Druga zasada termodynamiki: niemożliwe jest przeniesienie ciepła z chłodniejszego systemu do cieplejszego przy braku innych jednoczesnych zmian w obu systemach lub w otaczających ciałach.

Co szybciej nagrzewa się na kuchence - czajnik czy wiadro wody? Odpowiedź jest oczywista - czajnik. Następnie drugie pytanie brzmi: dlaczego?

Odpowiedź jest nie mniej oczywista – bo w czajniku masa wody jest mniejsza. W porządku. Teraz możesz stworzyć własne prawdziwe doświadczenie fizyczne w domu. Aby to zrobić, potrzebujesz dwóch identycznych małych rondli, równej ilości wody i olej roślinny, na przykład pół litra i piec. Umieść garnki z olejem i wodą na tym samym ogniu. A teraz tylko patrz, co szybciej się nagrzeje. Jeśli jest termometr do płynów, możesz go użyć, jeśli nie, możesz po prostu od czasu do czasu sprawdzać temperaturę palcem, tylko uważaj, aby się nie poparzyć. W każdym razie wkrótce zobaczysz, że olej nagrzewa się znacznie szybciej niż woda. I jeszcze jedno pytanie, które można również zrealizować w formie doświadczenia. Co szybciej się zagotuje - ciepła woda czy zimno? Znowu wszystko jest oczywiste – ten ciepły skończy pierwszy. Skąd te wszystkie dziwne pytania i eksperymenty? W celu zdefiniowania wielkość fizyczna, zwany „ilością ciepła”.

Ilość ciepła

Ilość ciepła to energia, którą organizm traci lub zyskuje podczas wymiany ciepła. Wynika to jasno z nazwy. Podczas chłodzenia ciało traci pewną ilość ciepła, a po podgrzaniu pochłania. A odpowiedzi na nasze pytania pokazały nam od czego zależy ilość ciepła? Po pierwsze, im większa masa ciała, tym więcej ciepła trzeba wydać, aby zmienić jego temperaturę o jeden stopień. Po drugie, ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy od substancji, z której się składa, to znaczy od rodzaju substancji. I po trzecie, dla naszych obliczeń ważna jest również różnica temperatury ciała przed i po wymianie ciepła. Na podstawie powyższego możemy określ ilość ciepła według wzoru:

gdzie Q to ilość ciepła,
m - masa ciała,
(t_2-t_1) - różnica między początkową a końcową temperaturą ciała,
c - ciepło właściwe substancji, znajduje się w odpowiednich tabelach.

Korzystając z tego wzoru, możesz obliczyć ilość ciepła, która jest niezbędna do ogrzania dowolnego ciała lub jaką to ciało uwolni, gdy się ochłodzi.

Ilość ciepła jest mierzona w dżulach (1 J), jak każda inna forma energii. Jednak ta wartość została wprowadzona nie tak dawno temu, a ludzie zaczęli mierzyć ilość ciepła znacznie wcześniej. I użyli jednostki, która jest szeroko stosowana w naszych czasach - kalorii (1 cal). 1 kaloria to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1 grama wody o 1 stopień Celsjusza. Kierując się tymi danymi, miłośnicy liczenia kalorii w jedzeniu, które spożywają, mogą ze względu na zainteresowanie obliczyć, ile litrów wody można ugotować z energią, którą spożywają z jedzeniem w ciągu dnia.