Som det er kendt, sker der under forskellige mekaniske processer en ændring i mekanisk energi W meh. Et mål for ændringen i mekanisk energi er arbejdet med kræfter påført systemet:
\(~\Delta W_(meh) = A.\)
Under varmevekslingen sker der en ændring i kroppens indre energi. Et mål for ændringen i intern energi under varmeoverførsel er mængden af varme.
Mængde varme er et mål for ændringen i indre energi, som et legeme modtager (eller opgiver) under varmeudvekslingsprocessen.
Både arbejde og varmemængden præger således energiændringen, men er ikke identisk med energi. De karakteriserer ikke selve systemets tilstand, men bestemmer processen med energiovergang fra en type til en anden (fra en krop til en anden), når tilstanden ændrer sig og afhænger væsentligt af processens art.
Den største forskel mellem arbejde og mængden af varme er, at arbejde karakteriserer processen med at ændre den indre energi i et system, ledsaget af omdannelsen af energi fra en type til en anden (fra mekanisk til intern). Mængden af varme karakteriserer processen med overførsel af intern energi fra en krop til en anden (fra mere opvarmet til mindre opvarmet), ikke ledsaget af energitransformationer.
Erfaring viser, at den mængde varme, der kræves for at opvarme en kropsmasse m på temperatur T 1 til temperatur T 2, beregnet ved formlen
\(~Q = cm (T_2 - T_1) = cm \Delta T, \qquad (1)\)
Hvor c- stoffets specifikke varmekapacitet;
\(~c = \frac(Q)(m (T_2 - T_1)).\)
SI-enheden for specifik varmekapacitet er joule pr. kilogram Kelvin (J/(kg K)).
Specifik varme c er numerisk lig med den mængde varme, der skal tilføres en krop, der vejer 1 kg for at opvarme den med 1 K.
Varmekapacitet legeme C T er numerisk lig med mængden af varme, der kræves for at ændre kropstemperaturen med 1 K:
\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = cm.\)
SI-enheden for et legemes varmekapacitet er joule per Kelvin (J/K).
For at omdanne en væske til damp ved en konstant temperatur er det nødvendigt at bruge en mængde varme
\(~Q = Lm, \qquad (2)\)
Hvor L- specifik fordampningsvarme. Når damp kondenserer, frigives den samme mængde varme.
For at smelte en krystallinsk krop vejning m ved smeltepunktet skal kroppen kommunikere mængden af varme
\(~Q = \lambda m, \qquad (3)\)
Hvor λ - specifik fusionsvarme. Når en krop krystalliserer, frigives den samme mængde varme.
Mængden af varme frigivet under fuldstændig forbrænding af en masse brændstof m,
\(~Q = qm, \qquad (4)\)
Hvor q- specifik forbrændingsvarme.
SI-enheden for specifikke varme for fordampning, smeltning og forbrænding er joule pr. kilogram (J/kg).
Litteratur
Aksenovich L. A. Fysik i gymnasiet: Teori. Opgaver. Prøver: Lærebog. tilskud til institutioner, der tilbyder almen uddannelse. miljø, uddannelse / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - S. 154-155.
721. Hvorfor bruges vand til at afkøle nogle mekanismer?
Vand har en høj specifik varmekapacitet, hvilket letter en god varmeafledning fra mekanismen.
722. I hvilket tilfælde er det nødvendigt at bruge mere energi: at opvarme en liter vand med 1 °C eller at opvarme hundrede gram vand med 1 °C?
For at opvarme en liter vand, jo større masse, jo mere energi skal der bruges.
723. Kobbernikkelsølv og sølvgafler af lige masse blev sænket ned i varmt vand. Vil de modtage den samme mængde varme fra vandet?
En cupronickel gaffel vil modtage mere varme, fordi den specifikke varme af cupronickel er større end den for sølv.
724. Et stykke bly og et stykke støbejern af samme masse blev slået tre gange med en forhammer. Hvilket stykke blev varmere?
Bly vil opvarme mere, fordi dets specifikke varmekapacitet er lavere end støbejern, og det kræver mindre energi at opvarme blyet.
725. Den ene kolbe indeholder vand, den anden indeholder petroleum af samme masse og temperatur. En lige så opvarmet jernterning blev droppet i hver kolbe. Hvad vil varme op til en højere temperatur - vand eller petroleum?
Petroleum.
726. Hvorfor er temperaturudsving om vinteren og sommeren mindre skarpe i byer ved kysten end i byer beliggende inde i landet?
Vand opvarmes og afkøles langsommere end luft. Om vinteren køler det og flytter varme luftmasser ind på land, hvilket gør klimaet ved kysten varmere.
727. Den specifikke varmekapacitet af aluminium er 920 J/kg °C. Hvad betyder det?
Det betyder, at for at opvarme 1 kg aluminium med 1 °C er det nødvendigt at bruge 920 J.
728. Aluminium- og kobberstænger af samme masse 1 kg afkøles med 1 °C. Hvor meget vil den indre energi i hver blok ændre sig? For hvilken bar vil det ændre sig mere og med hvor meget?
729. Hvilken mængde varme skal der til for at opvarme et kilogram jernemne med 45 °C?
730. Hvor meget varme skal der til for at opvarme 0,25 kg vand fra 30 °C til 50 °C?
731. Hvordan vil den indre energi i to liter vand ændre sig, når den opvarmes med 5 °C?
732. Hvor meget varme skal der til for at opvarme 5 g vand fra 20 °C til 30 °C?
733. Hvor meget varme skal der til for at opvarme en aluminiumskugle, der vejer 0,03 kg, med 72 °C?
734. Beregn mængden af varme, der kræves for at opvarme 15 kg kobber med 80 °C.
735. Beregn mængden af varme, der kræves for at opvarme 5 kg kobber fra 10 °C til 200 °C.
736. Hvor meget varme skal der til for at opvarme 0,2 kg vand fra 15 °C til 20 °C?
737. Vand på 0,3 kg er afkølet med 20 °C. Hvor meget er vandets indre energi faldet?
738. Hvor meget varme skal der til for at opvarme 0,4 kg vand ved en temperatur på 20 °C til en temperatur på 30 °C?
739. Hvilken mængde varme bruges til at opvarme 2,5 kg vand med 20 °C?
740. Hvilken mængde varme blev frigivet, når 250 g vand afkøledes fra 90 °C til 40 °C?
741. Hvor meget varme skal der til for at opvarme 0,015 liter vand med 1 °C?
742. Beregn mængden af varme, der kræves for at opvarme en dam med et volumen på 300 m3 gange 10 °C?
743. Hvilken mængde varme skal tilsættes 1 kg vand for at øge dets temperatur fra 30 °C til 40 °C?
744. Vand med en volumen på 10 liter er afkølet fra en temperatur på 100 °C til en temperatur på 40 °C. Hvor meget varme blev frigivet under dette?
745. Beregn mængden af varme, der kræves for at opvarme 1 m3 sand med 60 °C.
746. Luftmængde 60 m3, specifik varmekapacitet 1000 J/kg °C, luftdensitet 1,29 kg/m3. Hvor meget varme skal der til for at hæve den til 22°C?
747. Vand blev opvarmet med 10 °C, hvilket forbrugte 4,20 103 J varme. Bestem mængden af vand.
748. 20,95 kJ varme blev givet til vand, der vejede 0,5 kg. Hvad blev vandtemperaturen, hvis den oprindelige vandtemperatur var 20 °C?
749. En kobbergryde på 2,5 kg fyldes med 8 kg vand ved 10 °C. Hvor meget varme skal der til for at varme vandet i gryden op til kog?
750. En liter vand ved en temperatur på 15 °C hældes i en kobberske, der vejer 300 g. Hvor meget varme skal der til for at opvarme vandet i skeen til 85 °C?
751. Et stykke opvarmet granit på 3 kg lægges i vand. Granit overfører 12,6 kJ varme til vand og afkøles med 10 °C. Hvad er stenens specifikke varmekapacitet?
752. Varmt vand ved 50 °C blev tilsat til 5 kg vand ved 12 °C, hvilket gav en blanding med en temperatur på 30 °C. Hvor meget vand tilsatte du?
753. Vand ved 20 °C blev tilsat til 3 liter vand ved 60 °C, hvilket gav vand ved 40 °C. Hvor meget vand tilsatte du?
754. Hvad bliver temperaturen på blandingen, hvis man blander 600 g vand ved 80 °C med 200 g vand ved 20 °C?
755. En liter vand ved 90 °C blev hældt i vand ved 10 °C, og vandtemperaturen blev 60 °C. Hvor meget koldt vand var der?
756. Bestem, hvor meget varmt vand opvarmet til 60 °C der skal hældes i en beholder, hvis beholderen allerede indeholder 20 liter koldt vand ved en temperatur på 15 °C; blandingens temperatur skal være 40 °C.
757. Bestem, hvor meget varme der skal til for at opvarme 425 g vand med 20 °C.
758. Hvor mange grader varmes 5 kg vand op, hvis vandet får 167,2 kJ?
759. Hvor meget varme skal der til for at opvarme m gram vand ved temperatur t1 til temperatur t2?
760. 2 kg vand hældes i et kalorimeter ved en temperatur på 15 °C. Til hvilken temperatur vil kalorimetervandet varmes op, hvis en 500 g messingvægt opvarmet til 100 °C sænkes ned i det? Den specifikke varmekapacitet for messing er 0,37 kJ/(kg °C).
761. Der er stykker af kobber, tin og aluminium af samme volumen. Hvilken af disse stykker har den største og hvilken har den mindste varmekapacitet?
762. 450 g vand, hvis temperatur var 20 °C, blev hældt i kalorimeteret. Når 200 g jernspåner opvarmet til 100 °C blev nedsænket i dette vand, blev vandtemperaturen 24 °C. Bestem den specifikke varmekapacitet af savsmuld.
763. Et kobberkalorimeter, der vejer 100 g, rummer 738 g vand, hvis temperatur er 15 °C. 200 g kobber blev sænket ned i dette kalorimeter ved en temperatur på 100 °C, hvorefter temperaturen på kalorimeteret steg til 17 °C. Hvad er den specifikke varmekapacitet af kobber?
764. En stålkugle på 10 g tages ud af ovnen og anbringes i vand ved en temperatur på 10 °C. Vandtemperaturen steg til 25 °C. Hvad var temperaturen på kuglen i ovnen, hvis vandmassen var 50 g? Stålets specifikke varmekapacitet er 0,5 kJ/(kg °C).
770. En stålskærer på 2 kg blev opvarmet til en temperatur på 800 °C og derefter sænket ned i en beholder indeholdende 15 liter vand ved en temperatur på 10 °C. Til hvilken temperatur vil vandet i beholderen varmes op?
(Indikation: For at løse dette problem er det nødvendigt at lave en ligning, hvor den ukendte temperatur af vandet i beholderen efter sænkning af kutteren tages som den ukendte.)
771. Hvilken temperatur får vandet, hvis man blander 0,02 kg vand ved 15 °C, 0,03 kg vand ved 25 °C og 0,01 kg vand ved 60 °C?
772. Til opvarmning af en velventileret klasse er den nødvendige varmemængde 4,19 MJ i timen. Vand kommer ind i radiatorerne ved 80 °C og forlader dem ved 72 °C. Hvor meget vand skal der tilføres radiatorerne hver time?
773. Bly med en vægt på 0,1 kg ved en temperatur på 100 °C blev nedsænket i et aluminiumkalorimeter med en vægt på 0,04 kg indeholdende 0,24 kg vand ved en temperatur på 15 °C. Hvorefter temperaturen i kalorimeteret nåede 16 °C. Hvad er den specifikke varme af bly?
Hvad vil varmes op hurtigere på komfuret - en kedel eller en spand vand? Svaret er indlysende - en tekande. Så er det andet spørgsmål hvorfor?
Svaret er ikke mindre indlysende - fordi massen af vand i elkedlen er mindre. Store. Og nu kan du selv lave en rigtig fysisk oplevelse derhjemme. For at gøre dette skal du bruge to identiske små gryder, en lige stor mængde vand og vegetabilsk olie, for eksempel en halv liter hver og et komfur. Sæt gryder med olie og vand på samme varme. Se nu bare, hvad der varmes hurtigere op. Hvis du har et termometer til væsker, kan du bruge det, hvis ikke, kan du blot teste temperaturen med fingeren fra tid til anden, bare pas på ikke at blive brændt. Under alle omstændigheder vil du hurtigt se, at olien opvarmes meget hurtigere end vand. Og et spørgsmål mere, som også kan implementeres i form af erfaring. Hvad vil koge hurtigere - varmt vand eller koldt? Alt er tydeligt igen - den varme bliver først ved målstregen. Hvorfor alle disse mærkelige spørgsmål og eksperimenter? For at bestemme den fysiske mængde kaldet "varmemængde".
Mængde varme
Mængden af varme er den energi, som en krop taber eller vinder under varmeoverførsel. Dette fremgår tydeligt af navnet. Ved afkøling vil kroppen miste en vis mængde varme, og ved opvarmning vil den absorbere. Og svarene på vores spørgsmål viste os Hvad afhænger mængden af varme af? For det første, jo større massen af et legeme er, desto større mængde varme skal der bruges for at ændre dets temperatur med én grad. For det andet afhænger mængden af varme, der kræves for at opvarme et legeme, af det stof, det består af, det vil sige af typen af stof. Og for det tredje er forskellen i kropstemperatur før og efter varmeoverførsel også vigtig for vores beregninger. Ud fra ovenstående kan vi Bestem mængden af varme ved hjælp af formlen:
hvor Q er mængden af varme,
m - kropsvægt,
(t_2-t_1) - forskellen mellem den indledende og endelige kropstemperatur,
c er stoffets specifikke varmekapacitet, fundet fra de tilsvarende tabeller.
Ved hjælp af denne formel kan du beregne mængden af varme, der er nødvendig for at opvarme enhver krop, eller som denne krop vil frigive ved afkøling.
Mængden af varme måles i joule (1 J), ligesom enhver form for energi. Denne værdi blev dog introduceret for ikke så længe siden, og folk begyndte at måle mængden af varme meget tidligere. Og de brugte en enhed, der er meget brugt i vores tid - kalorie (1 cal). 1 kalorie er den mængde varme, der kræves for at opvarme 1 gram vand med 1 grad celsius. Vejledt af disse data kan de, der kan lide at tælle kalorier i den mad, de spiser, for sjov, beregne, hvor mange liter vand, der kan koges med den energi, de indtager sammen med maden i løbet af dagen.
« Fysik - 10. klasse"
I hvilke processer sker aggregerede transformationer af stof?
Hvordan kan du ændre et stofs aggregeringstilstand?
Du kan ændre den indre energi i enhver krop ved at arbejde, opvarme eller omvendt afkøle den.
Så når man smeder et metal, arbejdes der og det varmes op, samtidig kan metallet opvarmes over en brændende flamme.
Også, hvis stemplet er fastgjort (fig. 13.5), så ændres gasvolumenet ikke, når det opvarmes, og der udføres intet arbejde. Men gassens temperatur, og derfor dens indre energi, stiger.
Intern energi kan stige og falde, så mængden af varme kan være positiv eller negativ.
Processen med at overføre energi fra en krop til en anden uden at udføre arbejde kaldes varmeveksling.
Det kvantitative mål for ændringen i indre energi under varmeoverførsel kaldes mængden af varme.
Molekylært billede af varmeoverførsel.
Under varmeudveksling ved grænsen mellem legemer opstår interaktionen mellem langsomt bevægende molekyler i et koldt legeme og hurtigt bevægende molekyler i et varmt legeme. Som et resultat udlignes molekylernes kinetiske energier, og hastighederne for molekylerne i et koldt legeme stiger, og hastighederne for et varmt legeme falder.
Under varmeveksling omdannes energi ikke fra en form til en anden; en del af den indre energi i et mere opvarmet legeme overføres til et mindre opvarmet legeme.
Mængde af varme og varmekapacitet.
Du ved allerede, at for at opvarme et legeme med masse m fra temperatur t 1 til temperatur t 2 er det nødvendigt at overføre en mængde varme til det:
Q = cm(t2 - t1) = cm Δt. (13,5)
Når et legeme afkøles, viser dets sluttemperatur t 2 sig at være mindre end starttemperaturen t 1, og mængden af varme, som kroppen afgiver, er negativ.
Koefficienten c i formlen (13.5) kaldes specifik varmekapacitet stoffer.
Specifik varme- dette er en mængde numerisk lig med den mængde varme, som et stof, der vejer 1 kg, modtager eller afgiver, når dets temperatur ændres med 1 K.
Gassernes specifikke varmekapacitet afhænger af den proces, hvorved varmeoverførslen finder sted. Hvis du opvarmer en gas ved konstant tryk, vil den udvide sig og arbejde. For at opvarme en gas med 1 °C ved konstant tryk, skal den overføre mere varme end at opvarme den til et konstant volumen, når gassen kun bliver varmet op.
Væsker og faste stoffer udvider sig lidt ved opvarmning. Deres specifikke varmekapaciteter ved konstant volumen og konstant tryk afviger kun lidt.
Specifik fordampningsvarme.
For at omdanne en væske til damp under kogningsprocessen skal en vis mængde varme overføres til den. Temperaturen på en væske ændres ikke, når den koger. Omdannelsen af en væske til damp ved en konstant temperatur fører ikke til en stigning i den kinetiske energi af molekylerne, men er ledsaget af en stigning i den potentielle energi af deres interaktion. Den gennemsnitlige afstand mellem gasmolekyler er trods alt meget større end mellem flydende molekyler.
En mængde numerisk lig med den mængde varme, der kræves for at omdanne en væske, der vejer 1 kg til damp ved en konstant temperatur, kaldes specifik fordampningsvarme.
Processen med fordampning af en væske sker ved enhver temperatur, mens de hurtigste molekyler forlader væsken, og den afkøles under fordampning. Den specifikke fordampningsvarme er lig med den specifikke fordampningsvarme.
Denne værdi er angivet med bogstavet r og udtrykt i joule pr. kilogram (J/kg).
Vands specifikke fordampningsvarme er meget høj: r H20 = 2,256 10 6 J/kg ved en temperatur på 100 °C. For andre væsker, for eksempel alkohol, ether, kviksølv, petroleum, er den specifikke fordampningsvarme 3-10 gange mindre end vands.
For at omdanne en væske med massen m til damp kræves der en mængde varme svarende til:
Q p = rm. (13,6)
Når damp kondenserer, frigives den samme mængde varme:
Q k = -rm. (13,7)
Specifik fusionsvarme.
Når et krystallinsk legeme smelter, går al den varme, der leveres til det, til at øge den potentielle energi af interaktion mellem molekyler. Molekylernes kinetiske energi ændres ikke, da smeltning sker ved en konstant temperatur.
En værdi numerisk lig med den varmemængde, der kræves for at omdanne et krystallinsk stof, der vejer 1 kg ved smeltepunktet til en væske, kaldes specifik fusionsvarme og angivet med bogstavet λ.
Når et stof, der vejer 1 kg, krystalliserer, frigives nøjagtig den samme mængde varme, som optages ved smeltning.
Den specifikke varme ved smeltning af is er ret høj: 3,34 10 5 J/kg.
”Hvis isen ikke havde en høj fusionsvarme, så skulle hele ismassen om foråret smelte på få minutter eller sekunder, da varme løbende overføres til isen fra luften. Konsekvenserne af dette ville være frygtelige; der opstår jo selv i den nuværende situation store oversvømmelser og kraftige vandstrømme, når store is- eller snemasser smelter.” R. Sort, XVIII århundrede.
For at smelte et krystallinsk legeme med massen m kræves en varmemængde svarende til:
Qpl = λm. (13,8)
Mængden af varme frigivet under krystallisation af et legeme er lig med:
Q cr = -λm (13,9)
Varmebalanceligning.
Lad os betragte varmeudvekslingen i et system bestående af flere legemer, der i starten har forskellige temperaturer, for eksempel varmeudvekslingen mellem vand i en beholder og en varm jernkugle, der er sænket ned i vandet. Ifølge loven om bevarelse af energi er mængden af varme, der afgives af et legeme, numerisk lig med mængden af varme modtaget af et andet.
Mængden af givet varme anses for negativ, mængden af modtaget varme betragtes som positiv. Derfor er den samlede mængde varme Q1 + Q2 = 0.
Hvis der sker varmeudveksling mellem flere legemer i et isoleret system, så
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Ligning (13.10) kaldes varmebalanceligning.
Her er Q 1 Q 2, Q 3 mængden af varme modtaget eller afgivet af legemer. Disse varmemængder er udtrykt ved formlen (13.5) eller formlerne (13.6)-(13.9), hvis der sker forskellige faseomdannelser af stoffet (smeltning, krystallisation, fordampning, kondensation) under varmevekslingsprocessen.
Begrebet varmemængde blev dannet i de tidlige stadier af udviklingen af moderne fysik, hvor der ikke var klare ideer om stoffets indre struktur, hvad energi er, hvilke energiformer der findes i naturen og om energi som form af bevægelse og transformation af stof.
Mængden af varme forstås som en fysisk størrelse svarende til den energi, der overføres til et materialelegeme i varmeudvekslingsprocessen.
Den forældede varmeenhed er kalorien, svarende til 4,2 J; i dag bruges denne enhed praktisk talt ikke, og joule har taget sin plads.
Til at begynde med antog man, at bæreren af termisk energi var et eller andet fuldstændig vægtløst medium med en væskes egenskaber. Talrige fysiske problemer med varmeoverførsel er blevet og bliver stadig løst baseret på denne forudsætning. Eksistensen af hypotetisk kalorieindhold var grundlaget for mange i det væsentlige korrekte konstruktioner. Det blev antaget, at kalorier frigives og absorberes i fænomenerne opvarmning og afkøling, smeltning og krystallisation. De korrekte ligninger for varmeoverførselsprocesser blev opnået baseret på forkerte fysiske begreber. Der er en kendt lov, ifølge hvilken mængden af varme er direkte proportional med massen af kroppen, der deltager i varmevekslingen og temperaturgradienten:
Hvor Q er mængden af varme, m er kropsmassen og koefficienten Med– en mængde kaldet specifik varmekapacitet. Specifik varmekapacitet er en egenskab ved et stof, der er involveret i en proces.
Arbejde med termodynamik
Som et resultat af termiske processer kan der udføres rent mekanisk arbejde. For eksempel, når en gas opvarmes, øger den dens volumen. Lad os tage en situation som billedet nedenfor:
I dette tilfælde vil det mekaniske arbejde være lig med kraften af gastrykket på stemplet multipliceret med den vej, stemplet tilbagelægger under tryk. Selvfølgelig er dette det enkleste tilfælde. Men selv i den kan man bemærke en vanskelighed: Trykkraften vil afhænge af gassens volumen, hvilket betyder, at vi ikke har at gøre med konstanter, men med variable mængder. Da alle tre variable: tryk, temperatur og volumen er relateret til hinanden, bliver beregningsarbejdet væsentligt mere kompliceret. Der er nogle ideelle, uendeligt langsomme processer: isobariske, isotermiske, adiabatiske og isokoriske - for hvilke sådanne beregninger kan udføres relativt enkelt. En graf over tryk versus volumen plottes, og arbejdet beregnes som et integral af formen.