Вспоминаем физику: теплота. Внутренняя энергия

ТЕПЛООБМЕН.

1.Теплообмен.

Теплообмен или теплопередача – это процесс передачи внутренней энергии одного тела другому без совершения работы.

Существуют три вида теплообмена.

1) Теплопроводность – это теплообмен между телами при их непосредственном контакте.

2) Конвекция – это теплообмен, при котором перенос тепла осуществляется потоками газа или жидкости.

3) Излучение – это теплообмен посредством электромагнитного излучения.

2.Количество теплоты.

Количество теплоты – это мера изменения внутренней энергии тела при теплообмене. Обозначается буквой Q .

Единица измерения количества теплоты = 1 Дж.

Количество теплоты, полученное телом от другого тела в результате теплообмена, может тратиться на увеличение температуры (увеличение кинетической энергии молекул) или на изменение агрегатного состояния (увеличение потенциальной энергии).

3.Удельная теплоёмкость вещества.

Опыт показывает, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от температуры Т 1 до температуры Т 2 пропорционально массе тела m и разности температур (Т 2 – Т 1), т.е.

Q = cm (Т 2 – Т 1 ) = с m Δ Т,

с называется удельной теплоёмкостью вещества нагреваемого тела.

Удельная теплоёмкость вещества равна количеству теплоту, которое необходимо сообщить 1 кг вещества, чтобы нагреть его на 1 К.

Единица измерения удельной теплоёмкости =.

Значения теплоёмкости различных веществ можно найти в физических таблицах.

Точно такое же количество теплоты Q будет выделяться при охлаждении тела на ΔТ.

4.Удельная теплота парообразования.

Опыт показывает, что количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар, пропорционально массе жидкости, т.е.

Q = Lm ,

где коэффициент пропорциональности L называется удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования равна количеству теплоты, которое необходимо для превращения в пар 1 кг жидкости, находящейся при температуре кипения.

Единица измерения удельной теплоты парообразования .

При обратном процессе, конденсации пара, теплота выделяется в том же количестве, которое затрачено на парообразование.

5.Удельная теплота плавления.

Опыт показывает, что количество теплоты, необходимое для превращения твёрдого тела в жидкость, пропорционально массе тела, т.е.

Q = λ m ,

где коэффициент пропорциональности λ называется удельной теплотой плавления.

Удельная теплота плавления равна количеству теплоты, которое необходимо для превращения в жидкость твёрдого тела массой 1 кг при температуре плавления.

Единица измерения удельной теплоты плавления .

При обратном процессе, кристаллизации жидкости, теплота выделяется в том же количестве, которое затрачено на плавление.

6.Удельная теплота сгорания.

Опыт показывает, что количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива, пропорционально массе топлива, т.е.

Q = q m ,

Где коэффициент пропорциональности q называется удельной теплотой сгорания.

Удельная теплота сгорания равна количеству теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива.

Единица измерения удельной теплоты сгорания.

7.Уравнение теплового баланса.

В теплообмене участвуют два или более тела. Одни тела отдают теплоту, а другие принимают. Теплообмен происходит до тех пор, пока температуры тел не станут равными. По закону сохранения энергии, количество теплоты, которое отдаётся, равно количеству, которое принимается. На этом основании записывается уравнение теплового баланса.

Рассмотрим пример.

Тело массой m 1 , теплоёмкость которого с 1 , имеет температуру Т 1 , а тело массой m 2 , теплоёмкость которого с 2 , имеет температуру Т 2 . Причём Т 1 больше Т 2 . Эти тела приведены в соприкосновение. Опыт показывает, что холодное тело (m 2) начинает нагреваться, а горячее тело (m 1) – охлаждаться. Это говорит о том, что часть внутренней энергии горячего тела передаётся холодному, и температуры выравниваются. Обозначим конечную общую температуру θ.

Количество теплоты, переданной горячим телом холодному

Q передан. = c 1 m 1 (Т 1 – θ )

Количество теплоты, полученной холодным телом от горячего

Q получен. = c 2 m 2 (θ – Т 2 )

По закону сохранения энергии Q передан. = Q получен. , т.е.

c 1 m 1 (Т 1 – θ )= c 2 m 2 (θ – Т 2 )

Раскроем скобки и выразим значение общей установившейся температуры θ.

Значение температуры θ в данном случае получим в кельвинах.

Однако, так как в выражениях для Q передан. и Q получен. стоит разность двух температур, а она и в кельвинах, и в градусах Цельсия одинакова, то расчёт можно вести и в градусах Цельсия. Тогда

В этом случае значение температуры θ получим в градусах Цельсия.

Выравнивание температур в результате теплопроводности можно объяснить на основании молекулярно-кинетической теории как обмен кинетической энергией между молекулами при сталкивании в процессе теплового хаотического движения.

Этот пример можно проиллюстрировать графиком.

Как известно, при различных механических процессах происходит изменение механической энергии . Мерой изменения механической энергии является работа сил, приложенных к системе:

При теплообмене происходит изменение внутренней энергии тела. Мерой изменения внутренней энергии при теплообмене является количество теплоты.

Количество теплоты - это мера изменения внутренней энергии, которую тело получает (или отдает) в процессе теплообмена.

Таким образом, и работа, и количество теплоты характеризуют изменение энергии, но не тождественны энергии. Они не характеризуют само состояние системы, а определяют процесс перехода энергии из одного вида в другой (от одного тела к другому) при изменении состояния и существенно зависят от характера процесса.

Основное различие между работой и количеством теплоты состоит в том, что работа характеризует процесс изменения внутренней энергии системы, сопровождающийся превращением энергии из одного вида в другой (из механической во внутреннюю). Количество теплоты характеризует процесс передачи внутренней энергии от одних тел к другим (от более нагретых к менее нагретым), не сопровождающийся превращениями энергии.

Опыт показывает, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела массой m от температуры до температуры , рассчитывается по формуле

где c - удельная теплоемкость вещества;

Единицей удельной теплоемкости в СИ является джоуль на килограмм-Кельвин (Дж/(кг·К)).

Удельная теплоемкость c численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу массой 1 кг, чтобы нагреть его на 1 К.

Теплоемкость тела численно равна количеству теплоты, необходимому для изменения температуры тела на 1 К:

Единицей теплоемкости тела в СИ является джоуль на Кельвин (Дж/К).

Для превращения жидкости в пар при неизменной температуре необходимо затратить количество теплоты

где L - удельная теплота парообразования. При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты.

В данном уроке мы научимся рассчитывать количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении. Для этого мы обобщим те знания, которые были получены на предыдущих уроках.

Кроме того, мы научимся с помощью формулы для количества теплоты выражать остальные величины из этой формулы и рассчитывать их, зная другие величины. Также будет рассмотрен пример задачи с решением на вычисление количества теплоты.

Данный урок посвящен вычислению количества теплоты при нагревании тела или выделяемого им при охлаждении.

Умение вычислять необходимое количество теплоты является очень важным. Это может понадобиться, к примеру, при вычислении количества теплоты, которое необходимо сообщить воде для обогрева помещения.

Рис. 1. Количество теплоты, которое необходимо сообщить воде для обогрева помещения

Или для вычисления количества теплоты, которое выделяется при сжигании топлива в различных двигателях:

Рис. 2. Количество теплоты, которое выделяется при сжигании топлива в двигателе

Также эти знания нужны, например, чтобы определить количество теплоты, которое выделяется Солнцем и попадает на Землю:

Рис. 3. Количество теплоты, выделяемое Солнцем и попадающее на Землю

Для вычисления количества теплоты необходимо знать три вещи (рис. 4):

• массу тела (которую, обычно, можно измерить с помощью весов);
• разность температур, на которую необходимо нагреть тело или охладить его (обычно измеряется с помощью термометра);
• удельную теплоемкость тела (которую можно определить по таблице).

Рис. 4. Что необходимо знать для определения

Формула, по которой вычисляется количество теплоты, выглядит так:

В этой формуле фигурируют следующие величины:

Количество теплоты, измеряется в джоулях (Дж);

Удельная теплоемкость вещества, измеряется в ;

- разность температур, измеряется в градусах Цельсия ().

Рассмотрим задачу на вычисление количества теплоты.

Задача

В медном стакане массой грамм находится вода объемом литра при температуре . Какое количество теплоты необходимо передать стакану с водой, чтобы его температура стала равна ?

Рис. 5. Иллюстрация условия задачи

Сначала запишем краткое условие (Дано ) и переведем все величины в систему интернационал (СИ).

Решение:

Сначала определи, какие еще величины потребуются нам для решения данной задачи. По таблице удельной теплоемкости (табл. 1) находим (удельная теплоемкость меди, так как по условию стакан медный), (удельная теплоемкость воды, так как по условию в стакане находится вода). Кроме того, мы знаем, что для вычисления количества теплоты нам понадобится масса воды. По условию нам дан лишь объем. Поэтому из таблицы возьмем плотность воды: (табл. 2).

Табл. 1. Удельная теплоемкость некоторых веществ,

Табл. 2. Плотности некоторых жидкостей

Теперь у нас есть все необходимое для решения данной задачи.

Заметим, что итоговое количество теплоты будет состоять из суммы количества теплоты, необходимого для нагревания медного стакана и количества теплоты, необходимого для нагревания воды в нем:

Рассчитаем сначала количество теплоты, необходимое для нагревания медного стакана:

Прежде чем вычислить количество теплоты, необходимое для нагревания воды, рассчитаем массу воды по формуле, хорошо знакомой нам из 7 класса:

Теперь можем вычислить:

Тогда можем вычислить:

Напомним, что означает: килоджоули. Приставка «кило» означает , то есть .

Ответ: .

Для удобства решения задач на нахождение количества теплоты (так называемые прямые задачи) и связанных с этим понятием величин можно пользоваться следующей таблицей.

На этом уроке мы продолжим изучение внутренней энергии тела, а конкретнее - способов её изменения. И предметом нашего внимания на этот раз станет теплообмен. Мы вспомним, на какие виды он разделяется, в чём измеряется, и по каким соотношениям можно вычислить количество теплоты, переданное в результате теплообмена, также мы дадим определение удельной теплоёмкости тела.

Тема: Основы термодинамики
Урок: Количество теплоты. Удельная теплоемкость

Как мы уже знаем из младших классов, и как мы вспомнили на прошлом уроке, существует два способа изменить внутреннюю энергию тела: выполнить над ним работу или передать ему некое количество теплоты. О первом способе нам уже известно из, опять-таки, прошлого урока, но и о втором мы достаточно много говорили в курсе восьмого класса.

Процесс передачи теплоты (количества теплоты или энергии) без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей. Разделяется он по механизмам передачи, как мы знаем, на три вида:

1. Теплопроводность
2. Конвекция
3. Излучение

В результате одного из этих процессов телу передаётся некое количество теплоты, на значение которого, собственно, и меняется внутренняя энергия. Охарактеризуем эту величину.

Определение. Количество теплоты . Обозначение - Q. Единицы измерения - Дж. При изменении температуры тела (что эквивалентно изменению внутренней энергии) количество теплоты, затраченное на это изменение, можно вычислить по формуле:

Здесь: - масса тела; - удельная теплоёмкость тела; - изменение температуры тела.

Причём, если , то есть при охлаждении, говорят, что тело отдало некоторое количество теплоты, или же телу передали отрицательное количество теплоты. Если же , то есть наблюдается нагрев тела, количество переданной теплоты, конечно же, будет положительным.

Особое внимание следует обратить на величину удельной теплоёмкости тела.

Определение. Удельная теплоёмкость - величина, численно равная количеству теплоты, которую необходимо передать, чтобы нагреть один килограмм вещества на один градус. Удельная теплоёмкость - индивидуальная величина для каждого отдельного вещества. Поэтому это табличная величина, заведомо известная при условии, что нам известно, порции какого вещества передаётся тепло.

Единицу измерения удельной теплоёмкости в системе СИ можно получить из вышеприведённого уравнения:

Таким образом:

Рассмотрим теперь случаи, когда передача некого количества теплоты приводит к изменению агрегатного состояния вещества. Напомним, что такие переходы называются плавлением, кристаллизацией, испарением и конденсацией.

При переходе от жидкости к твёрдому телу и наоборот количество теплоты высчитывается по формуле:

Здесь: - масса тела; - удельная теплота плавления тела (количество теплоты, необходимое для полного плавления одного килограмма вещества).

Для того чтобы расплавить тело, ему необходимо передать некое количество теплоты, а при конденсации тело само отдаёт в окружающую среду некое количество теплоты.

При переходе от жидкости к газообразному телу и наоборот количество теплоты высчитывается по формуле:

Здесь: - масса тела; - удельная теплота парообразования тела (количество теплоты, необходимое для полного испарения одного килограмма вещества).

Для того чтобы испарить жидкость, ей необходимо передать некое количество теплоты, а при конденсации пар сам отдаёт в окружающую среду некое количество теплоты.

Следует подчеркнуть также, что и плавление с кристаллизацией, и испарение с конденсацией проходят при постоянной температуре (температура плавления и кипения соответственно) (рис. 1).

Рис. 1. График зависимости температуры (в градусах Цельсия) от полученного количества вещества ()

Отдельно стоит отметить вычисление количества теплоты, выделяющееся при сгорании некоторой массы топлива:

Здесь: - масса топлива; - удельная теплота сгорания топлива (количество теплоты, выделяющееся при сгорании одного килограмма топлива).

Особое внимание нужно обратить на тот факт, что помимо того, что для разных веществ удельные теплоёмкости принимают разные значения, этот параметр может быть различным и для одного и того же вещества при различных условиях. Например, выделяют разные значения удельных теплоёмкостей для процессов нагревания, протекающих при постоянном объёме () и для процессов, протекающих при постоянном давлении ().

Различают также молярную теплоёмкость и просто теплоёмкость.

Определение. Молярная теплоёмкость () - количество теплоты, необходимое для того, чтобы нагреть один моль вещества на один градус.

Теплоёмкость (C ) - количество теплоты, необходимое, чтобы нагреть на один градус порцию вещества определённой массы. Связь теплоёмкости с удельной теплоёмкостью:

На следующем уроке мы рассмотрим такой важный закон, как первый закон термодинамики, который связывает изменение внутренней энергии с работой газа и количеством переданной теплоты.

Список литературы

1. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярная физика. Термодинамика. - М.: Дрофа, 2010.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. - М.: Дрофа, 2010.

1. Словари и энциклопедии на Академике ().
2. Tt.pstu.ru ().
3. Elementy.ru ().

Домашнее задание

1. Стр. 83: № 643-646. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А.П. - М.: Дрофа, 2013. ()
2. Как связаны между собой молярная и удельная теплоёмкости?
3. Почему иногда поверхности окон запотевают? С какой стороны окон это происходит?
4. В какую погоду быстрее высыхают лужи: в спокойную или в ветреную?
5. *На что затрачивается теплота, полученная телом при плавлении?

Внутренняя энергия тела может изменяться за счет работы внешних сил. Для характеристики изменения внутренней энергии при теплообмене вводится величина, называемая количеством теплоты и обозначаемая Q .

В международной системе единицей количества теплоты, также как работы и энергии, является джоуль: = = = 1 Дж.

На практике еще иногда применяется внесистемная единица количества теплоты – калория. 1 кал. = 4,2 Дж.

Следует отметить, что термин «количество теплоты» неудачен. Он был введен в то время, когда считалось, что в телах содержится некая невесомая, неуловимая жидкость – теплород. Процесс теплообмена, якобы, заключается в том, что теплород, переливаясь из одного тела в другое, переносит с собой и некоторое количество теплоты. Сейчас, зная основы молекулярно-кинетической теории строения вещества, мы понимаем, что теплорода в телах нет, механизм изменения внутренней энергии тела иной. Однако, сила традиций велика и мы продолжаем пользоваться термином, введенным на основе неверных представлений о природе теплоты. Вместе с тем, понимая природу теплообмена, не следует полностью игнорировать неверные представления о нем. Напротив, проводя аналогию между потоком тепла и потоком гипотетической жидкости теплорода, количеством теплоты и количеством теплорода, можно при решении некоторых классов задач наглядно представить протекающие процессы и верно решить задачи. В конце-концов, верные уравнения, описывающие процессы теплообмена, были в свое время получены на основе неверных представлений о теплороде, как носителе теплоты.

Рассмотрим более подробно процессы, которые могут протекать в результате теплообмена.

Нальем в пробирку немного воды и закроем ее пробкой. Подвесим пробирку к стержню, закрепленному в штативе, и подведем под нее открытое пламя. От пламени пробирка получает некоторое количество теплоты и температура жидкости, находящейся в ней, повышается. При повышении температуры внутренняя энергия жидкости увеличивается. Происходит интенсивный процесс ее парообразования. Расширяющиеся пары жидкости совершают механическую работу по выталкиванию пробки из пробирки.

Проведем еще один опыт с моделью пушки, изготовленной из отрезка латунной трубки, которая укреплена на тележке. С одной стороны трубка плотно закрыта эбонитовой пробкой, сквозь которую пропущена шпилька. К шпильке и трубке припаяны провода, оканчивающиеся клеммами, на которые может подаваться напряжение от осветительной сети. Модель пушки, таким образом, представляет собой разновидность электрического кипятильника.

Нальем в ствол пушки немного воды и закроем трубку резиновой пробкой. Подключим пушку к источнику тока. Электрический ток, проходя через воду, нагревает ее. Вода закипает, что приводит к ее интенсивному парообразованию. Давление водяных паров растет и, наконец, они совершают работу по выталкиванию пробки из ствола пушки.

Пушка, вследствие отдачи, откатывается в сторону, противоположную вылету пробки.

Оба опыта объединяют следующие обстоятельства. В процессе нагревания жидкости различными способами, температура жидкости и, соответственно, ее внутренняя энергия увеличивались. Для того, чтобы жидкость кипела и интенсивно испарялась, необходимо было продолжать ее нагревание.

Пары жидкости за счет своей внутренней энергии совершили механическую работу.

Исследуем зависимость количества теплоты, необходимой для нагревания тела, от его массы, изменения температуры и рода вещества. Для исследования данных зависимостей будем использовать воду и масло. (Для измерения температуры в опыте применяется электрический термометр, изготовленный из термопары, подключенной к зеркальному гальванометру. Один спай термопары опущен в сосуд с холодной водой для обеспечения постоянства его температуры. Другой спай термопары измеряет температуру исследуемой жидкости).

Опыт состоит из трех серий. В первой серии исследуется для постоянной массы конкретной жидкости (в нашем случае – воды) зависимость количества теплоты, необходимого для ее нагревания, от изменения температуры. О количестве теплоты, полученной жидкостью от нагревателя (электрической плитки), будем судить по времени нагревания, предполагая, что между ними существует прямо пропорциональная зависимость. Чтобы результат эксперимента соответствовал этому предположению, необходимо обеспечить стационарный поток тепла от электроплитки к нагреваемому телу. Для этого электроплитка была включена в сеть заранее, так чтобы к началу опыта температура ее поверхности перестала изменяться. Для более равномерного нагрева жидкости во время опыта, будем помешивать ее при помощи самой термопары. Будем фиксировать показания термометра через равные промежутки времени до тех пор, пока световой зайчик не дойдет до края шкалы.

Сделаем вывод: между количеством теплоты, необходимым для нагревания тела и изменением его температуры, существует прямая пропорциональная зависимость.

Во второй серии опытов будем сравнивать количества теплоты, необходимые для нагревания одинаковых жидкостей разной массы при изменении их температуры на одну и ту же величину.

Для удобства сравнения получаемых величин массу воды для второго опыта возьмем в два раза меньше, чем в первом опыте.

Вновь будем фиксировать показания термометра через равные промежутки времени.

Сравнивая результаты первого и второго опытов можно сделать следующие выводы.

В третьей серии опытов будем сравнивать количества теплоты, необходимые для нагревания равных масс различных жидкостей, при изменении их температуры на одну и ту же величину.

Будем нагревать на электроплитке масло, масса которого равна массе воды в первом опыте. Будем фиксировать показания термометра через равные промежутки времени.

Результат опыта подтверждает вывод о том, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, прямо пропорционально изменению его температуры и, кроме того, свидетельствует о зависимости этого количества теплоты от рода вещества.

Поскольку в опыте использовалось масло, плотность которого меньше плотности воды и для нагревания масла до некоторой температуры потребовалось меньшее количество теплоты, чем для нагревания воды, можно предположить, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от его плотности.

Чтобы проверить это предположение, будем одновременно нагревать на нагревателе постоянной мощности одинаковые массы воды, парафина и меди.

Через одно и то же время температура меди оказывается примерно в 10 раз, а парафина примерно в 2 раза выше температуры воды.

Но медь имеет большую, а парафин меньшую плотность, чем вода.

Опыт показывает, что величиной, характеризующей скорость изменения температуры веществ, из которых изготовлены тела, участвующие в теплообмене, является не плотность. Эта величина называется удельной теплоемкостью вещества и обозначается буквой c .

Для сравнения удельных теплоемкостей различных веществ служит специальный прибор. Прибор состоит из стоек, в которых крепится тонкая парафиновая пластинка и планка с пропущенными сквозь нее стержнями. На концах стержней укреплены алюминиевый, стальной и латунный цилиндры равной массы.

Нагреем цилиндры до одинаковой температуры, погрузив их в сосуд с водой, стоящий на горячей электроплитке. Закрепим горячие цилиндры на стойках и освободим их от крепления. Цилиндры одновременно прикасаются к парафиновой пластине и, плавя парафин, начинают погружаться в нее. Глубина погружения цилиндров одинаковой массы в парафиновую пластину, при изменении их температуры на одну и ту же величину, оказывается разной.

Опыт свидетельствует о том, что удельные теплоемкости алюминия, стали и латуни различны.

Проделав соответствующие опыты с плавлением твердых тел, парообразованием жидкостей, сгоранием топлива получаем следующие количественные зависимости.

Чтобы получить единицы удельных величин, их надо выразить из соответствующих формул и в полученные выражения подставить единицы теплоты – 1 Дж, массы – 1 кг, а для удельной теплоемкости – и 1 К.

Получаем единицы: удельной теплоемкости – 1 Дж/кг·К, остальных удельных теплот: 1 Дж/кг.