Količina toplote, ki jo telo absorbira pri segreti formuli. Količina toplote

« Fizika - 10. razred

V katerih procesih poteka agregatna preobrazba snovi?
Kako je mogoče spremeniti stanje snovi?

Notranjo energijo katerega koli telesa lahko spremenite z delom, segrevanjem ali, nasprotno, hlajenjem.
Tako se pri kovanju kovine opravi delo in se segreje, hkrati pa se kovina lahko segreje nad gorečim plamenom.

Tudi, če je bat fiksiran (slika 13.5), potem se volumen plina pri segrevanju ne spremeni in delo ni opravljeno. Toda temperatura plina in s tem njegova notranja energija se poveča.

Notranja energija se lahko povečuje in zmanjšuje, zato je količina toplote lahko pozitivna ali negativna.

Imenuje se proces prenosa energije z enega telesa na drugo brez opravljanja dela izmenjava toplote.

kvantitativno merilo spremembe notranja energija pri prenosu toplote se imenuje količino toplote.

Molekularna slika prenosa toplote.

Med izmenjavo toplote na meji med telesi počasi premikajoče se molekule hladnega telesa medsebojno delujejo s hitro premikajočimi se molekulami vročega telesa. Posledično se kinetične energije molekul izenačijo in hitrosti molekul hladnega telesa se povečajo, medtem ko se pri vročem telesu zmanjšajo.

Pri izmenjavi toplote ne pride do pretvorbe energije iz ene oblike v drugo, del notranje energije bolj vročega telesa se prenese na manj segreto telo.

Količina toplote in toplotna zmogljivost.

Že veste, da je za segrevanje telesa z maso m s temperature t 1 na temperaturo t 2 potrebno nanj prenesti količino toplote:

Q \u003d cm (t 2 - t 1) \u003d cm Δt. (13,5)

Ko se telo ohladi, se izkaže, da je njegova končna temperatura t 2 nižja od začetne temperature t 1 in količina toplote, ki jo telo odda, je negativna.

Koeficient c v formuli (13.5) se imenuje specifična toplotna zmogljivost snovi.

Specifična toplota- to je vrednost, številčno enaka količini toplote, ki jo prejme ali odda snov z maso 1 kg, ko se njena temperatura spremeni za 1 K.

Specifična toplotna zmogljivost plinov je odvisna od procesa, s katerim se toplota prenaša. Če plin segrevate pri konstantnem tlaku, se bo razširil in delal. Če želite plin segreti za 1 °C pri stalnem tlaku, ga je treba prenesti velika količina toplote kot za segrevanje pri konstantni prostornini, ko se bo plin samo segreval.

Tekočine in trdne snovi se pri segrevanju rahlo razširijo. Njihove specifične toplotne kapacitete pri konstantni prostornini in konstantnem tlaku se malo razlikujejo.

Specifična toplota izhlapevanja.

Za pretvorbo tekočine v paro med vrenjem je potrebno nanjo prenesti določeno količino toplote. Temperatura tekočine se pri vrenju ne spremeni. Preoblikovanje tekočine v paro pri konstantni temperaturi ne vodi do povečanja kinetične energije molekul, ampak jo spremlja povečanje potencialne energije njihove interakcije. Konec koncev je povprečna razdalja med molekulami plina veliko večja kot med molekulami tekočine.

Imenuje se vrednost, ki je številčno enaka količini toplote, ki je potrebna za pretvorbo 1 kg tekočine v paro pri konstantni temperaturi specifična toplota izhlapevanja.

Proces izhlapevanja tekočine poteka pri kateri koli temperaturi, medtem ko najhitrejše molekule zapustijo tekočino in se med izhlapevanjem ohladi. Specifična toplota uparjanja je enaka specifični toploti uparjanja.

Ta vrednost je označena s črko r in je izražena v joulih na kilogram (J / kg).

Specifična toplota izhlapevanja vode je zelo visoka: r H20 = 2,256 10 6 J/kg pri temperaturi 100 °C. V drugih tekočinah, kot so alkohol, eter, živo srebro, kerozin, je specifična toplota izhlapevanja 3-10 krat manjša kot pri vodi.

Za pretvorbo tekočine z maso m v paro je potrebna količina toplote enaka:

Q p \u003d rm. (13.6)

Ko se para kondenzira, se sprosti enaka količina toplote:

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

Specifična toplota fuzije.

Ko se kristalno telo stopi, gre vsa toplota, ki se mu dovaja, za povečanje potencialne energije interakcije molekul. Kinetična energija molekul se ne spremeni, saj taljenje poteka pri konstantni temperaturi.

Vrednost, številčno enaka količini toplote, ki je potrebna za pretvorbo kristalne snovi, ki tehta 1 kg pri tališču, v tekočino, se imenuje specifična talilna toplota in so označeni s črko λ.

Pri kristalizaciji snovi z maso 1 kg se sprosti natanko toliko toplote, kot se absorbira pri taljenju.

Specifična toplota taljenja ledu je precej visoka: 3,34 10 5 J/kg.

»Če led ne bi imel visoke toplote fuzije, bi se spomladi morala celotna masa ledu stopiti v nekaj minutah ali sekundah, saj se toplota neprekinjeno prenaša na led iz zraka. Posledice tega bi bile strašne; saj tudi v sedanjih razmerah zaradi taljenja velikih množic ledu ali snega nastanejo velike poplave in veliki vodni hudourniki. R. Črni, 18. stoletje

Za taljenje kristalnega telesa z maso m je potrebna količina toplote enaka:

Qpl \u003d λm. (13,8)

Količina toplote, ki se sprosti med kristalizacijo telesa, je enaka:

Q cr = -λm (13,9)

Enačba toplotne bilance.

Razmislite o izmenjavi toplote v sistemu, sestavljenem iz več teles, ki imajo na začetku različne temperature, na primer izmenjavo toplote med vodo v posodi in vročo železno kroglo, spuščeno v vodo. Po zakonu o ohranjanju energije je količina toplote, ki jo odda eno telo, številčno enaka količini toplote, ki jo prejme drugo.

Dana količina toplote se šteje za negativno, prejeta količina toplote se šteje za pozitivno. Torej je skupna količina toplote Q1 + Q2 = 0.

Če pride do izmenjave toplote med več telesi v izoliranem sistemu, potem

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

Enačba (13.10) se imenuje enačba toplotne bilance.

Tukaj Q 1 Q 2 , Q 3 - količina toplote, ki jo prejmejo ali oddajo telesa. Te količine toplote so izražene s formulo (13.5) ali formulami (13.6) - (13.9), če v procesu prenosa toplote pride do različnih faznih transformacij snovi (taljenje, kristalizacija, uparjanje, kondenzacija).

V tej lekciji se bomo naučili izračunati količino toplote, ki je potrebna za segrevanje telesa ali njegovo sprostitev, ko se ohladi. Da bi to naredili, bomo povzeli znanje, pridobljeno v prejšnjih urah.

Poleg tega se bomo naučili, kako uporabiti formulo za količino toplote, da izrazimo preostale količine iz te formule in jih izračunamo, poznamo druge količine. Upoštevan bo tudi primer problema z rešitvijo za izračun količine toplote.

Ta lekcija je namenjena izračunu količine toplote, ko telo segreje ali sprosti, ko se ohladi.

Sposobnost izračunavanja zahtevani znesek toplota je zelo pomembna. To je morda potrebno, na primer, pri izračunu količine toplote, ki jo je treba dati vodi za ogrevanje prostora.

riž. 1. Količina toplote, ki jo je treba sporočiti vodi za ogrevanje prostora

Ali pa izračunati količino toplote, ki se sprosti, ko gorivo zgoreva v različnih motorjih:

riž. 2. Količina toplote, ki se sprosti pri zgorevanju goriva v motorju

Tudi to znanje je potrebno, na primer, za določitev količine toplote, ki jo sprosti Sonce in zadene Zemljo:

riž. 3. Količina toplote, ki jo sprosti Sonce in pade na Zemljo

Za izračun količine toplote morate vedeti tri stvari (slika 4):

• telesna teža (ki jo je običajno mogoče izmeriti s tehtnico);
• temperaturna razlika, s katero je treba telo ogreti ali ohladiti (običajno se meri s termometrom);
• specifična toplotna kapaciteta telesa (ki jo je mogoče določiti iz tabele).

riž. 4. Kaj morate vedeti, da ugotovite

Formula za izračun količine toplote je naslednja:

Ta formula vsebuje naslednje količine:

Količina toplote, merjena v joulih (J);

Specifična toplota snovi, merjene v;

- temperaturna razlika, merjena v stopinjah Celzija ().

Razmislite o problemu izračuna količine toplote.

Naloga

Bakreno kozarec z maso gramov vsebuje vodo s prostornino enega litra pri temperaturi . Koliko toplote je treba prenesti kozarec vode, da njegova temperatura postane enaka?

riž. 5. Prikaz stanja problema

Najprej pišemo kratko stanje (dano) in pretvori vse količine v mednarodni sistem (SI).

dano:	SI
Najti:

Odločitev:

Najprej določimo, katere druge količine potrebujemo za rešitev tega problema. Glede na tabelo specifične toplotne kapacitete (tabela 1) ugotovimo (specifična toplotna zmogljivost bakra, saj je po pogoju steklo baker), (specifična toplotna kapaciteta vode, saj je po pogoju voda v kozarcu). Poleg tega vemo, da za izračun količine toplote potrebujemo maso vode. Po pogoju nam je dana samo prostornina. Zato vzamemo gostoto vode iz tabele: (Tabela 2).

Tab. 1. Specifična toplotna zmogljivost nekaterih snovi,

Tab. 2. Gostote nekaterih tekočin

Zdaj imamo vse, kar potrebujemo za rešitev tega problema.

Upoštevajte, da bo skupna količina toplote sestavljena iz vsote količine toplote, potrebne za segrevanje bakrenega stekla, in količine toplote, potrebne za segrevanje vode v njem:

Najprej izračunamo količino toplote, potrebno za segrevanje bakrenega stekla:

Pred izračunom količine toplote, potrebne za ogrevanje vode, izračunamo maso vode po formuli, ki nam je znana iz 7. razreda:

Zdaj lahko izračunamo:

Potem lahko izračunamo:

Spomnimo se, kaj pomeni: kilodžuli. Predpona "kilo" pomeni .

odgovor:.

Za udobje reševanja problemov iskanja količine toplote (tako imenovani neposredni problemi) in količin, povezanih s tem konceptom, lahko uporabite naslednjo tabelo.

Želena vrednost	Poimenovanje	enote	Osnovna formula	Formula za količino
Količina toplote

Notranjo energijo plina v jeklenki lahko spreminjate ne samo z delom, temveč tudi s segrevanjem plina (slika 43). Če je bat fiksiran, se prostornina plina ne bo spremenila, vendar se bo temperatura in s tem notranja energija povečala.

Proces prenosa energije z enega telesa na drugo brez dela se imenuje prenos toplote ali prenos toplote.

Energija, ki se prenaša na telo kot posledica prenosa toplote, se imenuje količina toplote. Količina toplote se imenuje tudi energija, ki jo telo odda v procesu prenosa toplote.

Molekularna slika prenosa toplote. Med izmenjavo toplote na meji med telesi počasi premikajoče se molekule hladnega telesa medsebojno delujejo s hitreje gibljivimi molekulami vročega telesa. Kot rezultat, kinetične energije

molekule se poravnajo in hitrosti molekul hladnega telesa se povečajo, pri vročem pa zmanjšajo.

Pri izmenjavi toplote ni pretvorbe energije iz ene oblike v drugo: del notranje energije vročega telesa se prenese na hladno telo.

Količina toplote in toplotna zmogljivost. Iz tečaja fizike VII razreda je znano, da je za segrevanje telesa z maso s temperature na temperaturo potrebno, da ga obvestimo o količini toplote

Ko se telo ohladi, je njegova končna temperatura nižja od začetne in količina toplote, ki jo telo odda, je negativna.

Koeficient c v formuli (4.5) se imenuje Specifična toplota. Specifična toplotna kapaciteta je količina toplote, ki jo prejme ali odda 1 kg snovi, ko se njena temperatura spremeni za 1 K -

Specifična toplotna kapaciteta je izražena v joulih na kilogram po kelvinu. Različna telesa potrebujejo neenako količino energije, da zvišajo temperaturo za I K. Tako je specifična toplotna zmogljivost vode in bakra

Specifična toplotna zmogljivost ni odvisna samo od lastnosti snovi, temveč tudi od procesa, s katerim poteka prenos toplote.Če plin segrevate pri konstantnem tlaku, se bo razširil in opravil delo. Za segrevanje plina za 1 °C pri konstantnem tlaku bo moral prenesti več toplote, kot da bi ga segreval pri konstantni prostornini.

tekočina in trdna telesa se pri segrevanju rahlo razširijo, njihove specifične toplotne kapacitete pri konstantni prostornini in konstantnem tlaku pa se malo razlikujejo.

Specifična toplota izhlapevanja. Za pretvorbo tekočine v paro je treba nanjo prenesti določeno količino toplote. Temperatura tekočine se med to transformacijo ne spremeni. Preoblikovanje tekočine v paro pri konstantni temperaturi ne vodi do povečanja kinetične energije molekul, ampak jo spremlja povečanje njihove potencialne energije. Konec koncev je povprečna razdalja med molekulami plina večkrat večja kot med molekulami tekočine. Poleg tega se poveča volumen med prehodom snovi iz tekoče stanje v plinasto zahteva delo proti silam zunanjega tlaka.

Imenuje se količina toplote, ki je potrebna za pretvorbo 1 kg tekočine v paro pri stalni temperaturi

specifična toplota izhlapevanja. Ta vrednost je označena s črko in izražena v joulih na kilogram.

Specifična toplota izhlapevanja vode je zelo visoka: pri temperaturi 100°C. Pri drugih tekočinah (alkohol, eter, živo srebro, kerozin itd.) je specifična toplota izhlapevanja 3-10 krat manjša.

Za pretvorbo tekoče mase v paro je potrebna količina toplote, ki je enaka:

Ko se para kondenzira, se sprosti enaka količina toplote:

Specifična toplota fuzije. Ko se kristalno telo stopi, gre vsa toplota, ki se mu dovaja, za povečanje potencialne energije molekul. Kinetična energija molekul se ne spremeni, saj taljenje poteka pri konstantni temperaturi.

Količina toplote A, potrebna za pretvorbo 1 kg kristalne snovi pri tališču v tekočino enake temperature, se imenuje specifična toplota fuzije.

Pri kristalizaciji 1 kg snovi se sprosti natanko enaka količina toplote. Specifična toplota taljenja ledu je precej visoka:

Za taljenje kristalnega telesa z maso je potrebna količina toplote enaka:

Količina toplote, ki se sprosti med kristalizacijo telesa, je enaka:

1. Kako se imenuje količina toplote? 2. Kaj določa specifično toplotno kapaciteto snovi? 3. Kaj imenujemo specifična toplota izhlapevanja? 4. Kaj imenujemo specifična toplota fuzije? 5. V katerih primerih je količina prenesene toplote negativna?

Imenuje se proces prenosa energije z enega telesa na drugo brez opravljanja dela izmenjava toplote oz prenos toplote. Prenos toplote poteka med telesi, ki imajo drugačna temperatura. Ko se vzpostavi stik med telesi z različnimi temperaturami, se del notranje energije prenese s telesa z višjo temperaturo na telo z nižjo temperaturo. Energija, ki se prenaša na telo kot posledica prenosa toplote, se imenuje količino toplote.

Specifična toplotna zmogljivost snovi:

Če proces prenosa toplote ne spremlja delo, potem je na podlagi prvega zakona termodinamike količina toplote enaka spremembi notranje energije telesa: .

Povprečna energija naključnega translacijskega gibanja molekul je sorazmerna z absolutno temperaturo. Sprememba notranje energije telesa je enaka algebraični vsoti sprememb energije vseh atomov ali molekul, katerih število je sorazmerno z maso telesa, zato je sprememba notranje energije in posledično količina toplote je sorazmerna s spremembo mase in temperature:

Faktor sorazmernosti v tej enačbi se imenuje specifična toplotna zmogljivost snovi. Specifična toplotna kapaciteta kaže, koliko toplote je potrebno, da se temperatura 1 kg snovi dvigne za 1 K.

Delo v termodinamiki:

V mehaniki je delo opredeljeno kot produkt modulov sile in premika ter kosinusa kota med njima. Delo je opravljeno, ko na gibajoče se telo deluje sila in je enako spremembi njegove kinetične energije.

V termodinamiki se gibanje telesa kot celote ne upošteva, govorimo o gibanju delov makroskopskega telesa drug glede na drugega. Posledično se volumen telesa spremeni, njegova hitrost pa ostane enaka nič. Delo v termodinamiki je opredeljeno na enak način kot v mehaniki, vendar je enako spremembi ne kinetične energije telesa, temveč njegove notranje energije.

Ko je delo opravljeno (stiskanje ali ekspanzija), se notranja energija plina spremeni. Razlog za to je naslednji: med elastičnimi trki molekul plina s premikajočim se batom se njihova kinetična energija spremeni.

Izračunajmo delo plina med raztezanjem. Plin deluje na bat s silo
, kje je tlak plina in - površina bat. Ko se plin širi, se bat premika v smeri sile na kratko razdaljo
. Če je razdalja majhna, se tlak plina lahko šteje za konstantnega. Delovanje plina je:

Kje
- sprememba prostornine plina.

V procesu širjenja plina opravlja pozitivno delo, saj smer sile in premik sovpadata. V procesu širjenja plin odda energijo okoliškim telesom.

Delo, ki ga opravijo zunanja telesa na plinu, se od dela plina razlikuje le po predznaku
, ker moč delovanje na plin je nasprotno sili , s katerim plin deluje na bat, in mu je po absolutni vrednosti enak (tretji Newtonov zakon); in gibanje ostane enako. Zato je delo zunanjih sil enako:

.

Prvi zakon termodinamike:

Prvi zakon termodinamike je zakon ohranjanja energije, razširjen na toplotne pojave. Zakon o ohranjanju energije: energija v naravi ne nastane iz nič in ne izgine: količina energije je nespremenjena, le prehaja iz ene oblike v drugo.

V termodinamiki se upoštevajo telesa, katerih položaj težišča se praktično ne spreminja. Mehanska energija takšnih teles ostaja konstantna, spreminja pa se lahko le notranja energija.

Notranjo energijo lahko spreminjamo na dva načina: prenos toplote in delo. V splošnem se notranja energija spreminja tako zaradi prenosa toplote kot zaradi opravljanja dela. Prvi zakon termodinamike je formuliran prav za takšne splošne primere:

Sprememba notranje energije sistema med prehodom iz enega stanja v drugo je enaka vsoti dela zunanjih sil in količine toplote, ki se prenese v sistem:

Če je sistem izoliran, se na njem ne dela in ne izmenjuje toplote z okoliškimi telesi. Po prvem zakonu termodinamike notranja energija izoliranega sistema ostane nespremenjena.

Glede na to
, lahko prvi zakon termodinamike zapišemo takole:

Količina toplote, ki se prenese v sistem, gre za spremembo njegove notranje energije in za opravljanje dela sistema na zunanjih telesih.

Drugi zakon termodinamike: nemogoče je prenesti toploto iz hladnejšega sistema v toplejše, če ni drugih hkratnih sprememb v obeh sistemih ali v okoliških telesih.

Kaj se na štedilniku hitreje segreje - kotliček ali vedro vode? Odgovor je očiten - kotliček. Potem je drugo vprašanje zakaj?

Odgovor ni nič manj očiten – ker je masa vode v kotličku manjša. V redu. Zdaj lahko naredite svoje resnično fizične izkušnje doma. Če želite to narediti, boste potrebovali dve enaki majhni ponvi, enako količino vode in rastlinsko olje, na primer pol litra in štedilnik. Na isti ogenj pristavimo lonce z oljem in vodo. In zdaj le pazi, kaj se bo hitreje segrelo. Če obstaja termometer za tekočine, ga lahko uporabite, če ne, lahko samo občasno s prstom preizkusite temperaturo, le pazite, da se ne opečete. V vsakem primeru boste kmalu videli, da se olje segreje bistveno hitreje kot voda. In še eno vprašanje, ki ga je mogoče implementirati tudi v obliki izkušenj. Kaj bo hitreje zavrelo - topla voda ali hladno? Spet je vse očitno – prvi bo končal topel. Zakaj vsa ta čudna vprašanja in eksperimenti? Da bi opredelili fizična količina, imenovano "količina toplote".

Količina toplote

Količina toplote je energija, ki jo telo izgubi ali pridobi med prenosom toplote. To je jasno iz imena. Pri hlajenju bo telo izgubilo določeno količino toplote, pri segrevanju pa jo bo absorbiralo. In odgovori na naša vprašanja so nam pokazali od česa je odvisna količina toplote? Prvič, večja kot je masa telesa, večja je količina toplote, ki jo je treba porabiti, da se njegova temperatura spremeni za eno stopinjo. Drugič, količina toplote, potrebna za segrevanje telesa, je odvisna od snovi, iz katere je sestavljeno, torej od vrste snovi. In tretjič, za naše izračune je pomembna tudi razlika v telesni temperaturi pred in po prenosu toplote. Glede na zgoraj navedeno lahko določite količino toplote po formuli:

kjer je Q količina toplote,
m - telesna teža,
(t_2-t_1) - razlika med začetno in končno telesno temperaturo,
c - specifična toplotna kapaciteta snovi, je razvidna iz ustreznih tabel.

S to formulo lahko izračunate količino toplote, ki je potrebna za segrevanje katerega koli telesa ali ki jo bo to telo sprostilo, ko se ohladi.

Količina toplote se meri v joulih (1 J), tako kot katera koli druga oblika energije. Vendar je bila ta vrednost uvedena ne tako dolgo nazaj, ljudje pa so količino toplote začeli meriti veliko prej. In uporabili so enoto, ki se v našem času pogosto uporablja - kalorija (1 cal). 1 kalorija je količina toplote, potrebna za dvig temperature 1 grama vode za 1 stopinjo Celzija. Na podlagi teh podatkov lahko ljubitelji štetja kalorij v hrani, ki jo zaužijejo, zaradi zanimanja izračunajo, koliko litrov vode je mogoče zavreti z energijo, ki jo zaužijejo s hrano čez dan.