Що швидше нагріється на плиті – чайник чи відро води? Відповідь очевидна – чайник. Тоді друге питання – чому?
Відповідь не менш очевидна - тому що маса води в чайнику менша. Чудово. А тепер ви можете зробити самостійно справжнісінький фізичний досвід в домашніх умовах. Для цього вам знадобиться дві однакові невеликі каструльки, рівна кількість води та олії, наприклад, по півлітра та плита. На однаковий вогонь ставте каструльки з олією та водою. А тепер просто спостерігайте, що швидше нагріватиметься. Якщо є градусник для рідин, можна застосувати його, якщо ні, можна просто пробувати температуру іноді пальцем, тільки обережно, щоб не обпектися. У будь-якому випадку ви незабаром переконаєтеся, що олія нагрівається значно швидше за воду. І ще одне питання, яке теж можна продати у вигляді досвіду. Що швидше закипить – тепла вода чи холодна? Все знову очевидно – тепла буде на фініші першою. Навіщо всі ці дивні питання та досліди? До того щоб визначити фізичну величину, звану «кількістю теплоти».
Кількість теплоти
Кількість теплоти - це енергія, яку тіло втрачає або набуває при теплопередачі. Це зрозуміло і з назви. При охолодженні тіло втрачатиме кілька теплоти, а при нагріванні - поглинати. А відповіді на наші запитання показали нам, від чого залежить кількість теплотиПо-перше, чим більше маса тіла, тим більше теплоти треба витратити на зміну його температури на один градус. По-друге, кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла, залежить від тієї речовини, з якої воно складається, тобто від роду речовини. І по-третє, різниця температур тіла до та після теплопередачі також важлива для наших розрахунків. Виходячи з усього вищесказаного, ми можемо визначити кількість теплоти формулою:
де Q - кількість теплоти,
m - маса тіла,
(t_2-t_1) - різниця між початковою та кінцевою температурами тіла,
c - питома теплоємність речовини, що знаходиться з відповідних таблиць.
За цією формулою можна зробити розрахунок кількості теплоти, яку необхідно, щоб нагріти будь-яке тіло або яке це тіло виділить при охолодженні.
Вимірюється кількість теплоти в джоулях (1 Дж), як і будь-який вид енергії. Однак, цю величину ввели не так давно, а вимірювати кількість теплоти люди почали набагато раніше. І користувалися вони одиницею, що широко використовується й у наш час – калорія (1 кал). 1 калорія - це така кількість теплоти, яка буде потрібна для нагрівання 1 грама води на 1 градус Цельсія. Керуючись цими даними, любителі підраховувати калорії в їжі, що можуть з'їдати, можуть заради інтересу підрахувати, скільки літрів води можна закип'ятити тією енергією, яку вони споживають з їжею протягом дня.
(або теплопередачі).
Питома теплоємність речовини.
Теплоємність- Це кількість теплоти, що поглинається тілом при нагріванні на 1 градус.
Теплоємність тіла позначається великою латинською літерою З.
Від чого залежить теплоємність тіла? Насамперед, від його маси . Ясно, що для нагрівання, наприклад, 1 кілограма води потрібно більше тепла, ніж для нагрівання 200 грамів.
А від роду речовини? Зробимо досвід. Візьмемо дві однакові судини і, наливши в одну з них воду масою 400 г, а в іншій — олію масою 400 г, почнемо їх нагрівати за допомогою однакових пальників. Спостерігаючи за показаннями термометрів, ми побачимо, що олія нагрівається швидке. Щоб нагріти воду та олію до однієї і тієї ж температури, воду слід нагрівати довше. Але чим довше ми нагріваємо воду, тим більше теплоти вона отримує від пальника.
Таким чином, для нагрівання однієї і тієї ж маси різних речовин до однакової температури потрібна різна кількість теплоти. Кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла і, отже, його теплоємність залежить від роду речовини, з якого складається це тіло.
Так, наприклад, щоб збільшити на 1 ° С температуру води масою 1 кг, потрібна кількість теплоти, що дорівнює 4200 Дж, а для нагрівання на 1 ° С такої ж маси соняшникової олії необхідна кількість теплоти, що дорівнює 1700 Дж.
Фізична величина, що показує, скільки теплоти потрібно для нагрівання 1 кг речовини на 1 ºС, називається питомою теплоємністюцієї речовини.
У кожної речовини своя питома теплоємність, яка позначається латинською літерою с і вимірюється в джоулях на кілограм-градус (Дж/(кг · ° С)).
Питома теплоємність однієї й тієї ж речовини в різних агрегатних станах (твердому, рідкому та газоподібному) різна. Наприклад, питома теплоємність води дорівнює 4200 Дж/(кг · ºС), а питома теплоємність льоду 2100 Дж/(кг · °С); алюміній у твердому стані має питому теплоємність, що дорівнює 920 Дж/(кг - °С), а в рідкому - 1080 Дж/(кг - °С).
Зауважимо, що вода має дуже велику питому теплоємність. Тому вода в морях та океанах, нагріваючись улітку, поглинає з повітря велику кількість тепла. Завдяки цьому в тих місцях, які розташовані поблизу великих водойм, літо не буває таким спекотним, як у місцях віддалених від води.
Розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла або виділеного ним при охолодженні.
З вищевикладеного ясно, що кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла, залежить від роду речовини, з якого складається тіло (тобто його питомої теплоємності), і зажадав від маси тіла. Зрозуміло також, що кількість теплоти залежить від того, скільки градусів ми збираємося збільшити температуру тіла.
Отже, щоб визначити кількість теплоти, необхідну для нагрівання тіла або виділене ним при охолодженні, потрібно питому теплоємність тіла помножити на його масу і на різницю між кінцевою і початковою температурами:
Q = cm (t 2 - t 1 ) ,
де Q- кількість теплоти, c- Питома теплоємність, m- Маса тіла, t 1 - Початкова температура, t 2 - Кінцева температура.
При нагріванні тіла t 2 > t 1 і, отже, Q > 0 . При охолодженні тіла t 2і< t 1 і, отже, Q< 0 .
Якщо відома теплоємність всього тіла З, Qвизначається за формулою:
Q = C (t 2 - t 1 ) .
Процес передачі енергії від одного тіла до іншого без виконання роботи називається теплообміномабо теплопередачею. Теплообмін відбувається між тілами, що мають різну температуру. При встановленні контакту між тілами з різними температурами відбувається передача частини внутрішньої енергії від тіла з вищою температурою тілу, у якого температура нижче. Енергія, передана тілу внаслідок теплообміну, називається кількістю теплоти.
Питома теплоємність речовини:
Якщо процес теплопередачі не супроводжується роботою, то на підставі першого закону термодинаміки кількість теплоти дорівнює зміні внутрішньої енергії тіла: .
Середня енергія безладного поступального руху молекул пропорційна до абсолютної температури. Зміна внутрішньої енергії тіла дорівнює сумі алгебри змін енергії всіх атомів або молекул, число яких пропорційно масі тіла, тому зміна внутрішньої енергії і, отже, кількість теплоти пропорційно масі і зміні температури:
Коефіцієнт пропорційності у цьому рівнянні називається питомою теплоємністю речовини. Питома теплоємність показує, скільки теплоти необхідне нагрівання 1 кг речовини на 1 До.
Робота в термодинаміці:
У механіці робота визначається як добуток модулів сили та переміщення та косинуса кута між ними. Робота відбувається при дії сили на тіло, що рухається, і дорівнює зміні його кінетичної енергії.
У термодинаміці рух тіла як цілого не розглядається, йдеться про переміщення частин макроскопічного тіла щодо один одного. У результаті змінюється об'єм тіла, яке швидкість залишається рівної нулю. Робота в термодинаміці визначається так само, як і в механіці, але дорівнює зміні кінетичної енергії тіла, а його внутрішньої енергії.
При виконанні роботи (стисненні чи розширенні) змінюється внутрішня енергія газу. Причина цього полягає в наступному: при пружних зіткненнях молекул газу з поршнем, що рухається, змінюється їх кінетична енергія.
Обчислимо роботу газу під час розширення. Газ діє поршень із силою , де- тиск газу, а- площа поверхніпоршня. При розширенні газу поршень зміщується у бік силина мала відстань. Якщо відстань мала, то тиск газу вважатимуться постійним. Робота газу дорівнює:
Де – зміна обсягу газу.
У процесі розширення газу здійснює позитивну роботу, оскільки напрям сили та переміщення збігаються. У процесі розширення газ віддає енергію оточуючим тілам.
Робота, що здійснюється зовнішніми тілами над газом, відрізняється від роботи газу тільки знаком, оскільки сила, що діє на газ, протилежна силі, з якою газ діє на поршень, і дорівнює їй за модулем (третій закон Ньютона); а переміщення залишається тим самим. Тому робота зовнішніх сил дорівнює:
Перший закон термодинаміки:
Перший закон термодинаміки є законом збереження енергії, поширеним на теплові явища. Закон збереження енергії: енергія в природі не виникає з нічого і не зникає: кількість енергії незмінна, вона лише переходить із однієї форми до іншої.
У термодинаміці розглядаються тіла, становище центру тяжкості яких мало змінюється. Механічна енергія таких тіл залишається постійною, а може змінюватися лише внутрішня енергія.
Внутрішня енергія може змінюватися двома способами: теплопередачею та виконанням роботи. У випадку внутрішня енергія змінюється як з допомогою теплопередачі, і з допомогою робіт. Перший закон термодинаміки формулюється саме для таких загальних випадків:
Зміна внутрішньої енергії системи при переході її з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил та кількості теплоти, переданої системі:
Якщо система ізольована, то над нею не відбувається робота і вона не обмінюється теплотою з оточуючими тілами. Відповідно до першого закону термодинаміки внутрішня енергія ізольованої системи залишається незмінною.
Враховуючи, що перший закон термодинаміки можна записати так:
Кількість теплоти, передане системі, йде зміну її внутрішньої енергії і здійснення системою роботи над зовнішніми тілами.
Другий закон термодинаміки: неможливо перевести теплоту від холоднішої до гарячішої за відсутності інших одночасних змін в обох системах або в навколишніх тілах.
« Фізика – 10 клас»
У яких процесах відбуваються агрегатні перетворення речовини?
Як можна змінити агрегатний стан речовини?
Змінити внутрішню енергію будь-якого тіла можна, виконуючи роботу, нагріваючи або, навпаки, охолоджуючи його.
Так, при куванні металу здійснюється робота, і він розігрівається, в той же час метал можна розігріти над полум'ям, що горить.
Також якщо закріпити поршень (рис. 13.5), то об'єм газу при нагріванні не змінюється і робота не відбувається. Але температура газу, а отже, та його внутрішня енергія зростають.
Внутрішня енергія може збільшуватися та зменшуватися, тому кількість теплоти може бути позитивною та негативною.
Процес передачі енергії від одного тіла іншому без виконання роботи називають теплообміном.
Кількісний захід зміни внутрішньої енергії при теплообміні називають кількістю теплоти.
Молекулярна картина теплообміну.
При теплообміні на кордоні між тілами відбувається взаємодія повільно рухомих молекул холодного тіла з молекулами гарячого тіла, що швидко рухаються. В результаті кінетичні енергії молекул вирівнюються та швидкості молекул холодного тіла збільшуються, а гарячого зменшуються.
При теплообміні немає перетворення енергії з однієї форми на іншу, частина внутрішньої енергії більш нагрітого тіла передається менш нагрітому тілу.
Кількість теплоти та теплоємність.
Вам вже відомо, що для нагрівання тіла масою від температури t 1 до температури t 2 необхідно передати йому кількість теплоти:
Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)
При остиганні тіла його кінцева температура t 2 виявляється меншою від початкової температури t 1 і кількість теплоти, що віддається тілом, негативно.
Коефіцієнт з формулою (13.5) називають питомою теплоємністюречовини.
Питома теплоємність- це величина, чисельно рівна кількості теплоти, яку одержує або віддає речовину масою 1 кг при зміні її температури на 1 К.
Питома теплоємність газів залежить від цього, у якому процесі здійснюється теплопередача. Якщо нагрівати газ при постійному тиску, то він розширюватиметься і виконуватиме роботу. Для нагрівання газу на 1 °С при постійному тиску йому потрібно передати більше теплоти, ніж для нагрівання його при постійному обсязі, коли газ тільки нагріватиметься.
Рідкі та тверді тіла розширюються при нагріванні незначно. Їхні питомі теплоємності при постійному обсязі та постійному тиску мало різняться.
Питома теплота пароутворення.
Для перетворення рідини на пару в процесі кипіння необхідна передача їй певної кількості теплоти. Температура рідини під час кипіння не змінюється. Перетворення рідини на пару при постійній температурі не веде до збільшення кінетичної енергії молекул, але супроводжується збільшенням потенційної енергії їхньої взаємодії. Адже середня відстань між молекулами газу набагато більша, ніж між молекулами рідини.
Величину, чисельно рівну кількості теплоти, необхідної для перетворення при постійній температурі рідини масою 1 кг на пару, називають питомою теплотою пароутворення.
Процес випаровування рідини відбувається за будь-якої температури, при цьому рідина залишають найшвидші молекули, і вона при випаровуванні охолоджується. Питома теплота випаровування дорівнює питомій теплоті пароутворення.
Цю величину позначають буквою r і виражають у джоулях на кілограм (Дж/кг).
Дуже велика питома теплота пароутворення води: r Н20 = 2,256 10 6 Дж/кг за нормальної температури 100 °З. В інших рідин, наприклад, у спирту, ефіру, ртуті, гасу, питома теплота пароутворення менше в 3-10 разів, ніж у води.
Для перетворення рідини масою m на пару потрібна кількість теплоти, що дорівнює:
Q п = rm. (13.6)
При конденсації пари відбувається виділення такої кількості теплоти:
Q до = -rm. (13.7)
Питома теплота плавлення.
При плавленні кристалічного тіла все тепло, що підводиться до нього, йде на збільшення потенційної енергії взаємодії молекул. Кінетична енергія молекул не змінюється, тому що плавлення відбувається за постійної температури.
Величину, чисельно рівну кількості теплоти, необхідної для перетворення кристалічної речовини масою 1 кг при температурі плавлення на рідину, називають питомою теплотою плавленняі позначають літерою?
При кристалізації речовини масою 1 кг виділяється така сама кількість теплоти, яке поглинається при плавленні.
Питома теплота плавлення льоду досить велика: 3,34 10 5 Дж/кг.
«Якби лід не володів великою теплотою плавлення, то тоді навесні вся маса льоду мала б розтанути в кілька хвилин або секунд, оскільки теплота безперервно передається льоду з повітря. Наслідки цього були б жахливі; адже і за існуючого стану виникають великі повені і сильні потоки води при таненні великих мас льоду чи снігу». Р. Блек, XVIII ст.
Для того щоб розплавити кристалічне тіло масою m, необхідна кількість теплоти, що дорівнює:
Q пл = λm. (13.8)
Кількість теплоти, що виділяється при кристалізації тіла, дорівнює:
Q кр = -λm (13.9)
Зрівняння теплового балансу.
Розглянемо теплообмін усередині системи, що складається з декількох тіл, що мають спочатку різні температури, наприклад теплообмін між водою в посудині і опущеною у воду гарячою залізною кулькою. Відповідно до закону збереження енергії кількість теплоти, відданої одним тілом, чисельно дорівнює кількості теплоти, отриманої іншим.
Віддана кількість теплоти вважається негативною, отримана кількість теплоти – позитивною. Тому сумарна кількість теплоти Q1+Q2=0.
Якщо в ізольованій системі відбувається теплообмін між кількома тілами, то
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Рівняння (13.10) називається рівнянням теплового балансу.
Тут Q 1 Q 2 Q 3 - кількості теплоти, отриманої або відданої тілами. Ці кількості теплоти виражаються формулою (13.5) або формулами (13.6)-(13.9), якщо в процесі теплообміну відбуваються різні фазові перетворення речовини (плавлення, кристалізація, пароутворення, конденсація).
Навчальна мета: Ввести поняття кількості теплоти та питомої теплоємності.
Розвиваюча мета: Виховувати уважність; вчити думати, робити висновки.
1. Актуалізація теми
2. Пояснення нового матеріалу. 50 хв.
Вам вже відомо, що внутрішня енергія тіла може змінюватися як шляхом виконання роботи, так і теплопередачі (без виконання роботи).
Енергія, яку отримує або втрачає тіло під час теплопередачі, називають кількістю теплоти. (Запис у зошит)
Значить і одиниці виміру кількості теплоти теж Джоулі ( Дж).
Проводимо досвід: дві склянки в одному 300 г води, а в іншому 150 г і залізний циліндр масою 150 г. Обидві склянки ставляться на одну і ту ж плитку. Через деякий час термометри покажуть, що вода в посудині, де знаходиться тіло, нагрівається швидше.
Це означає, що для нагрівання 150 г залізо потрібна менше теплоти, ніж для нагрівання 150 г води.
Кількість теплоти, передана тілу, залежить від роду речовини, з якої виготовлено тіло. (Запис у зошит)
Пропонуємо питання: чи однакова кількість теплоти потрібна для нагрівання до однієї і тієї ж температури тіл рівної маси, але які складаються з різних речовин?
Проводимо досвід із приладом Тіндаля щодо визначення питомої теплоємності.
Робимо висновок: тіла з різних речовин, але однакової маси, віддають при охолодженні і вимагають при нагріванні на те саме число градусів різну кількість теплоти.
Робимо висновки:
1. Для нагрівання до однієї і тієї ж температури тіл рівної маси, що складаються з різних речовин, потрібна різна кількість теплоти.
2.Тіла рівної маси, що складаються з різних речовин і нагріті до однакової температури. При охолодженні на те саме число градусів віддають різну кількість теплоти.
Робимо висновок, що кількість теплоти, необхідне нагрівання на один градус одиниці мас різних речовин, буде різним.
Даємо визначення питомої теплоємності.
Фізична величина, чисельно рівна кількості теплоти, яку необхідно передати тілу масою 1 кг для того, щоб його температура змінилася на 1 градус, називається питомою теплоємністю речовини.
Вводимо одиницю виміру питомої теплоємності: 1Дж/кг*градус.
Фізичний зміст терміна : питома теплоємність показує, яку величину змінюється внутрішня енергія 1г (кг.) речовини при нагріванні чи охолодженні його за 1 градус.
Розглядаємо таблицю питомих теплоємностей деяких речовин.
Вирішуємо завдання аналітичним шляхом
Яка кількість теплоти потрібна, щоб нагріти склянку води (200 г) від 20 0 до 70 0 С.
Для нагрівання 1 г на 1 г. Потрібно - 4,2 Дж.
А для нагрівання 200 р. на 1 р. потрібно в 200 більше - 200 * 4,2 Дж.
А для нагрівання 200 г. на (70 0 -20 0) потрібно ще в (70-20) більше - 200 * (70-20) * 4,2 Дж
Підставляючи дані, отримаємо Q = 200*50*4,2 Дж=42000 Дж.
Запишемо отриману формулу через відповідні величини
4. Від чого залежить кількість теплоти, одержана тілом при нагріванні?
Звертаємо увагу, що кількість теплоти, необхідна для нагрівання будь-якого тіла, пропорційна масі тіла і зміні його температури.
Є два циліндри однакової маси: залізний та латунний. Чи однакову кількість теплоти необхідно, щоб нагріти їх на одне і те ж число градусів? Чому?
Яку кількість теплоти необхідно, щоб нагріти 250 г води від 20 о до 60 0 С.
Який зв'язок між калорією та джоулем?
Калорія – це кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання 1 г води на 1 градус.
1 кал = 4.19 = 4.2 Дж
1ккал = 1000кал
1ккал = 4190Дж = 4200Дж
3. Розв'язання задач. 28 хв.
Якщо прогріті в окропі циліндри зі свинцю, олова і стали масою 1 кг поставити на лід, то вони охолонуть, і частина льоду під ними розтане. Як зміниться внутрішня енергія циліндрів? Під яким із циліндрів розтане більше льоду, під яким – менше?
Нагрітий камінь масою 5 кг. Охолоджуючись у воді на 1 градус, передає їй 2,1 кДж енергії. Чому дорівнює питома теплоємність каменю
При загартуванні зубила його спочатку нагріли до 650 0 , потім опустили в олію, де вона стигла до 50 0 С. Яка при цьому виділилася кількість теплоти, якщо маса 500 гр.
Яка кількість теплоти пішла на нагрівання від 200 до 12200С. сталевої заготовки для колінчастого валу компресора масою 35 кг.
Самостійна робота
Який вид теплопередачі?
Учні заповнюють таблицю.
- Повітря у кімнаті нагрівається через стіни.
- Через відкрите вікно, до якого входить тепле повітря.
- Через скло, що пропускає промені сонця.
- Земля нагрівається променями сонця.
- Рідина нагрівається на плиті.
- Сталева ложка нагрівається від чаю.
- Повітря нагрівається від свічки.
- Газ рухається біля тепловиділяючих деталей машини.
- Нагрівання стовбура кулемета.
- Кипіння молока.
5. Домашнє завдання: Перишкін А.В. "Фізика 8" § §7, 8; Збірник завдань 7-8 Лукашик В.І. №№778-780, 792,793 2 хв.