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 godt kan lide at tælle kalorier i den mad, de spiser, for sjov udregne, hvor mange liter vand, der kan koges med den energi, de indtager sammen med maden i løbet af dagen.
Som det er kendt, sker der under forskellige mekaniske processer en ændring i mekanisk energi. Et mål for ændringen i mekanisk energi er arbejdet med kræfter påført systemet:
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 mængden af varme, der kræves for at opvarme et legeme med masse m fra temperatur til temperatur, beregnes ved formlen
hvor c er stoffets specifikke varmekapacitet;
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 krop er numerisk lig med mængden af varme, der kræves for at ændre kropstemperaturen med 1 K:
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
hvor L er den specifikke fordampningsvarme. Når damp kondenserer, frigives den samme mængde varme.
« 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.
Læringsmål: Introducere begreberne varmemængde og specifik varmekapacitet.
Udviklingsmål: At dyrke opmærksomhed; lære at tænke, drage konklusioner.
1. Opdatering af emnet
2. Forklaring af nyt materiale. 50 min.
Du ved allerede, at den indre energi i en krop kan ændre sig både ved at udføre arbejde og ved varmeoverførsel (uden at udføre arbejde).
Den energi, som en krop får eller taber under varmeoverførsel, kaldes mængden af varme. (skriv i notesbog)
Det betyder, at enhederne til at måle mængden af varme også er Joule ( J).
Vi udfører et eksperiment: to glas i det ene med 300 g vand, og i det andet med 150 g, og en jerncylinder, der vejer 150 g. Begge glas placeres på samme flise. Efter nogen tid vil termometre vise, at vandet i karret, hvori kroppen befinder sig, opvarmes hurtigere.
Det betyder, at opvarmning af 150 g jern kræver mindre varme end opvarmning af 150 g vand.
Mængden af varme, der overføres til et legeme, afhænger af den type stof, som kroppen er lavet af. (skriv i notesbog)
Vi foreslår spørgsmålet: kræves den samme mængde varme for at opvarme legemer med samme masse, men bestående af forskellige stoffer, til den samme temperatur?
Vi udfører et eksperiment med Tyndalls enhed for at bestemme specifik varmekapacitet.
Vi konkluderer: legemer lavet af forskellige stoffer, men af samme masse, giver op, når de afkøles og kræver forskellige mængder varme, når de opvarmes med det samme antal grader.
Vi drager konklusioner:
1. For at opvarme legemer af samme masse, bestående af forskellige stoffer, til samme temperatur, kræves der forskellige mængder varme.
2. Legemer af samme masse, bestående af forskellige stoffer og opvarmet til samme temperatur. Ved afkøling med det samme antal grader frigives forskellige mængder varme.
Det konkluderer vi mængden af varme, der kræves for at opvarme en enhedsmasse af forskellige stoffer med én grad, vil variere.
Vi giver definitionen af specifik varmekapacitet.
En fysisk mængde numerisk lig med den mængde varme, der skal overføres til et legeme, der vejer 1 kg, for at dets temperatur kan ændre sig med 1 grad, kaldes et stofs specifikke varmekapacitet.
Indtast måleenheden for specifik varmekapacitet: 1J/kg*grad.
Begrebets fysiske betydning : Specifik varmekapacitet viser, hvor meget den indre energi på 1g (kg) af et stof ændres, når det opvarmes eller afkøles med 1 grad.
Lad os se på tabellen over specifikke varmekapaciteter for nogle stoffer.
Vi løser problemet analytisk
Hvor meget varme skal der til for at opvarme et glas vand (200 g) fra 20 0 til 70 0 C.
For at opvarme 1 g pr. 1 g kræves 4,2 J.
Og for at opvarme 200 g med 1 g, vil det tage 200 mere - 200 * 4,2 J.
Og for at opvarme 200 g med (70 0 -20 0) vil det tage endnu en (70-20) mere - 200 * (70-20) * 4,2 J
Ved at erstatte dataene får vi Q = 200 * 50 * 4,2 J = 42000 J.
Lad os skrive den resulterende formel i form af de tilsvarende mængder
4. Hvad bestemmer mængden af varme, som en krop modtager, når den opvarmes?
Bemærk venligst, at mængden af varme, der kræves for at opvarme et legeme, er proportional med kroppens masse og ændringen i dens temperatur.,
Der er to cylindre med samme masse: jern og messing. Skal den samme mængde varme til at opvarme dem det samme antal grader? Hvorfor?
Hvilken mængde varme skal der til for at opvarme 250 g vand fra 20 o til 60 0 C.
Hvad er forholdet mellem kalorie og joule?
En kalorie er den mængde varme, der kræves for at opvarme 1 g vand med 1 grad.
1 cal = 4,19 = 4,2 J
1kcal=1000cal
1kcal=4190J=4200J
3. Problemløsning. 28 min.
Hvis cylindre af bly, tin og stål med en vægt på 1 kg opvarmet i kogende vand lægges på is, afkøles de, og en del af isen under dem smelter. Hvordan vil cylindrenes indre energi ændre sig? Under hvilken cylinder smelter mere is, under hvilken mindre?
En opvarmet sten, der vejer 5 kg. Afkøling i vand med 1 grad overfører den 2,1 kJ energi til den. Hvad er stenens specifikke varmekapacitet?
Ved hærdning af en mejsel blev den først opvarmet til 650 0, derefter sænket i olie, hvor den afkøledes til 50 0 C. Hvilken mængde varme blev frigivet, hvis dens masse var 500 gram.
Hvor meget varme blev brugt til at opvarme et stålemne til kompressorens krumtapaksel med en vægt på 35 kg fra 20 0 til 1220 0 C.
Selvstændigt arbejde
Hvilken type varmeoverførsel?
Eleverne udfylder tabellen.
- Luften i rummet opvarmes gennem væggene.
- Gennem et åbent vindue, hvor varm luft kommer ind.
- Gennem glas, der lukker solens stråler ind.
- Jorden opvarmes af solens stråler.
- Væsken opvarmes på komfuret.
- Stålskeen opvarmes af teen.
- Luften opvarmes af stearinlyset.
- Gassen bevæger sig nær de brændstofgenererende dele af maskinen.
- Opvarmning af et maskingeværløb.
- Kogende mælk.
5. Hjemmearbejde: Peryshkin A.V. "Fysik 8" § §7, 8; opgavesamling 7-8 Lukashik V.I. nr. 778-780, 792.793 2 min.
Den indre energi i en krop ændres, når der udføres arbejde eller varme overføres. I fænomenet varmeoverførsel overføres intern energi ved ledning, konvektion eller stråling.
Hver krop, når den opvarmes eller afkøles (gennem varmeoverførsel), vinder eller mister en vis mængde energi. Ud fra dette er det sædvanligt at kalde denne mængde energi for varmemængden.
Så, mængden af varme er den energi, som et legeme giver eller modtager under varmeoverførselsprocessen.
Hvor meget varme skal der til for at opvarme vandet? Ved at bruge et simpelt eksempel kan du forstå, at opvarmning af forskellige mængder vand vil kræve forskellige mængder varme. Lad os sige, at vi tager to reagensglas med 1 liter vand og 2 liter vand. I hvilket tilfælde kræves der mere varme? I det andet, hvor der er 2 liter vand i et reagensglas. Det andet reagensglas vil tage længere tid at varme op, hvis vi opvarmer dem med samme brandkilde.
Mængden af varme afhænger således af kropsmassen. Jo større massen er, desto større mængde varme kræves der til opvarmning, og jo længere tid tager det at afkøle kroppen.
Hvad afhænger mængden af varme ellers af? Naturligvis fra forskellen i kropstemperaturer. Men det er ikke alt. Når alt kommer til alt, hvis vi forsøger at varme vand eller mælk, får vi brug for forskellig tid. Det vil sige, at det viser sig, at mængden af varme afhænger af det stof, som kroppen består af.
Som et resultat viser det sig, at mængden af varme, der er nødvendig til opvarmning eller mængden af varme, der frigives, når et legeme afkøles, afhænger af dets masse, af temperaturændringen og af typen af stof, som kroppen er af. sammensat.
Hvordan måles mængden af varme?
Bag varmeenhed det er almindeligt accepteret 1 Joule. Før fremkomsten af måleenheden for energi, betragtede forskerne mængden af varme som kalorier. Denne måleenhed forkortes normalt som "J"
Kalorie- dette er den mængde varme, der skal til for at opvarme 1 gram vand med 1 grad celsius. Den forkortede form for kaloriemåling er "cal".
1 cal = 4,19 J.
Bemærk venligst, at i disse energienheder er det sædvanligt at angive næringsværdien af fødevarer i kJ og kcal.
1 kcal = 1000 cal.
1 kJ = 1000 J
1 kcal = 4190 J = 4,19 kJ
Hvad er specifik varmekapacitet
Hvert stof i naturen har sine egne egenskaber, og opvarmning af hvert enkelt stof kræver forskellig mængde energi, dvs. mængden af varme.
Et stofs specifikke varmekapacitet- dette er en mængde svarende til den mængde varme, der skal overføres til en krop med en masse på 1 kg for at opvarme den til en temperatur på 1 0 C
Specifik varmekapacitet er angivet med bogstavet c og har en måleværdi på J/kg*
For eksempel er vands specifikke varmekapacitet 4200 J/kg* 0 C. Det vil sige, det er den mængde varme, der skal overføres til 1 kg vand for at opvarme det med 1 0 C
Det skal huskes, at den specifikke varmekapacitet af stoffer i forskellige aggregeringstilstande er forskellig. Det vil sige at opvarme isen med 1 0 C vil kræve en anden mængde varme.
Hvordan man beregner mængden af varme for at opvarme en krop
For eksempel er det nødvendigt at beregne mængden af varme, der skal bruges for at opvarme 3 kg vand fra en temperatur på 15 0 C op til temperatur 85 0 C. Vi kender vands specifikke varmekapacitet, det vil sige den mængde energi, der skal til for at opvarme 1 kg vand med 1 grad. Det vil sige, at for at finde ud af mængden af varme i vores tilfælde, skal du gange vandets specifikke varmekapacitet med 3 og med det antal grader, du vil øge vandtemperaturen med. Så det er 4200*3*(85-15) = 882.000.
I parentes beregner vi det nøjagtige antal grader og trækker det oprindelige resultat fra det endelige krævede resultat
Så for at opvarme 3 kg vand fra 15 til 85 0 C, vi skal bruge 882.000 J varme.
Mængden af varme er angivet med bogstavet Q, formlen til at beregne den er som følger:
Q=c*m*(t2-t1).
Analyse og løsning af problemer
Opgave 1. Hvor meget varme skal der til for at opvarme 0,5 kg vand fra 20 til 50 0 C
Givet:
m = 0,5 kg.,
s = 4200 J/kg* 0 C,
t 1 = 20 0 C,
t2 = 50°C.
Vi bestemte den specifikke varmekapacitet ud fra tabellen.
Løsning:
2-t1).
Erstat værdierne:
Q=4200*0,5*(50-20) = 63.000 J = 63 kJ.
Svar: Q=63 kJ.
Opgave 2. Hvilken mængde varme skal der til for at opvarme en aluminiumsstang, der vejer 0,5 kg gange 85 0 C?
Givet:
m = 0,5 kg.,
s = 920 J/kg* 0 C,
t 1 = 0 0 C,
t2 = 85°C.
Løsning:
varmemængden bestemmes af formlen Q=c*m*(t 2-t1).
Erstat værdierne:
Q=920*0,5*(85-0) = 39.100 J = 39,1 kJ.
Svar: Q = 39,1 kJ.