Физика

Урок 2: Тепловые явления. Часть 2

Тепловые явления. Часть 2

Известно, что при нагревании тела расширяются. Причем газы могут в таких случаях проделывать работу, а твердые и жидкие тела нет. А какие еще особенности характерны для поведения различных веществ и тел, когда они охлаждаются или нагреваются? Об этом и не только - речь в данном уроке.

Обложка урока взята с источника.


План урока:

Изменение внутренней энергии в расчетах

Что означает удельная теплоемкость?

Какое количество тепла выделяется или поглощается?

Термос. Сосуд Дьюара. Калориметр

Где взять тепло?

 

Изменение внутренней энергии в расчетах

Работа и теплообмен (теплопередача) – два пути, изменяющих внутреннюю энергию. В преодолении этих путей внутренняя энергия изменяется или на величину совершенной работы А или на величину Q – количество переданной (может быть и отданной) теплоты.

(В седьмом классе было введена буква Δ для обозначения изменения какой-нибудь физической величины. Это использование прописной греческой буквы общепринято).

Пусть через  ΔU обозначается изменение внутренней энергии. Тогда ΔU = U2 – U1. Здесь U2 – конечная, а U1 – начальная внутренняя энергия.

В зависимости от пути изменения ΔU можно определить следующими способами:

ΔU = А (если совершается работа) или ΔU = Q (если произошел теплообмен). Изменение ΔU может одновременно пройти двумя способами. И тогда для общего случая:

1
Источник

Согласно уравнению ΔU = Q + A,

t1

2
 Источник

Величина ΔU находится математическими расчетами. Результат вычислений бывает как отрицательной, так и положительной:

  • U2 ˃ U1, то есть энергия растет, тогда ΔU ˃ 0;
  • U2 ˂ U1, то есть энергия убывает, тогда ΔU˂ 0.

Слагаемые работа и количество теплоты в равенстве ΔU = Q + A так же могут обладать разными знаками:

  • работает внешняя сила, значит, А˃ 0;
  • работает само тело - А˂ 0;
  • тело получает тепло – Q ˃ 0;
  • тело отдает тепло – Q ˂ 0.

На примере это выглядит так. 

t2

Внимательно изучив уравнение ΔU = Q + A, можно заметить следующее: если систему рассматриваемых тел изолировать, то есть не выполнять работу, и не дать возможности обмена теплом с внешней средой, то внутренняя энергия тела не сможет изменяться. Это утверждение определяет закон сохранения внутренней энергии и означает, что тепловое движение постоянно.

t3

Еще один важный вывод следует для двух тел, находящихся в изолированном состоянии. При плотном контакте этих тел, начинается процесс теплообмена, что будет продолжаться до той поры, пока температура не выровняется у обоих тел.

3
 Источник

Тела изолированы, а значит, изменяется только их внутренняя энергия, причем на величину тепла (ΔU = Q). Тело холодное получило тепло, а теплое - это тепло отдало.

t4

Почему в нем присутствует знак модуля? Дело в том, что получение тепла имеет положительное значение, а отдача тепла – отрицательное. Но модули этих чисел равны (модуль – это абсолютное числовое значение величины).  

 

Что означает удельная теплоемкость?

Удельное княжество, удельные земли, удел, как судьба или участь, конечно же, не имеют никакого отношения к физике. Но все же они обозначают что-то отдельное, часть, долю. Вот и в случае с теплотой используется понятие удельной теплоемкости вещества, как величины, связанной с частью, а вернее, с единицей объема этого вещества.

Такой простой опыт можно провести в домашних условиях. В равные емкости налить молока и воды одной массы. Нагревать на одинаковых горелках. Термометром для жидкостей следить за температурой обоих веществ. Не пройдет и минуты, станет заметно, что молоко нагревается быстрее.

4Источник                                                                                              Источник

Это значит, что для нагрева воды до той же температуры, что и молоко, нужно тепла больше.

Следует вывод:

t5

Величина, которая характеризует степень поглощения (или выделения) тепла веществом в физике называется удельной теплоемкостью. Чтобы выяснить, что она означает, надо взять единицу массы вещества (1 кг) нагреть его на 1о С. То количество джоулей тепла, которое поглотится телом при этом и является удельной теплоемкостью данного вещества. Или наоборот, то количество тепла, которое выделится при охлаждении 1 кг вещества на 1о С  - это та же самая удельная теплоемкость. Обозначают эту величину буквой c.

5
 Источник

Теперь объяснима разница в нагревании молока и воды. Удельные теплоемкости этих веществ различны: вода – 4200 Дж/кг∙оС, молоко – 4020 (нежирное) и 3875 Дж/кг∙оС (жирное). Это значит, что нагреть молоко легче, чем воду. Из веществ, приведенных в таблице, вода – самое теплоемкое вещество.

Стоит обратить внимание, что в разных агрегатных состояниях, удельная теплоемкость одного и того же вещества различна. Это зависит от того, что структура вещества в разных состояниях различна.

6
 Источник

 

Какое количество тепла выделяется или поглощается?

Чтобы ответить на этот вопрос, надо выяснить от чего зависит количество теплоты. Зависимость от рода вещества показана на примере нагревания молока и воды. Но этого недостаточно.

7
 Источник

Нетрудно догадаться, что тепла понадобится больше, если нужно нагреть воду до горячего состояния, а не сделать ее только теплой. В процессе охлаждения тепла выделится больше от горячей воды, чем от теплой. А характеризует степень нагретости тела температура. Значит, чем больше разница в начальной и конечной температуре, тем большее количество тепла выделяется или поглощается телом.

Разность температур – это Δt = tкон - tнач .

Теперь еще одна зависимость. Даже младший школьник мог наблюдать у себя на кухне, что целая кастрюля воды нагреваться будет намного дольше, чем половина кастрюли, если ее греть.

8
 Источник

Это значит, количество тепла, потребляемого телом или выделяемого им, зависит от массы тела.

Получается прямая зависимость тепла от трех величин:

  • характеристики вещества (удельной теплоемкости);
  • величины, на которую изменится температура;
  • количественной характеристики тела (массы).

Итак,

t6

Следует обратить внимание на Δt. Если tкон ˃ tнач, разность температур положительна, значит тело нагревается, идет процесс потребления тепла. Если tкон ˂ tнач, разность температур отрицательна, тело охлаждается, происходит выделение тепла.

 

Термос. Сосуд Дьюара. Калориметр

Достаточно часто требуется остановить или задержать процесс остывания. В бытовых целях для этого используются термосы. Устройство их несложно. Главную роль здесь играет прослойка с низкой теплопроводностью между стенками двойного стеклянного (бывает и из другого вещества) сосуда.

9
 Источник

Для сохранения повышенных или пониженных температур веществ в промышленности, медицине, ветеринарии, косметологии, лабораториях используют теплонепроницаемый сосуд, который носит название своего изобретателя – сосуд Дьюара. 

10
 Источник

Состоит сосуд из двух основных резервуаров, изготовленных из термостойкого алюминия. Меньший резервуар находится внутри большего и скреплен с ним небольшими прочными перемычками. Внешний резервуар покрыт защитным веществом, а внутренний очень хорошо отполирован. Сосуд закрыт непроводящей тепло пенопластиковой крышкой. Устройство сосуда Дьюара аналогично строению обычного бытового термоса, но термос – это упрощенный вариант дьюаровского изобретения.

Изначально сосуды Дьюара применялись для легко испаряющихся жидкостей. Теперь же эти сосуды используют для поддержания и сохранения свойств веществ при необходимых температурах. Чаще других в таких сосудах хранят жидкий азот, применение которого очень разнообразно:

  • удаление недоброкачественных и доброкачественных опухолей в медицине;
  • удаление бородавок и папиллом в косметологии;
  • транспортировка биоматериалов для искусственного оплодотворения животных в ветеринарии;
  • научные исследования в лабораториях;
  • достижение прочности металлов в машиностроении;
  • шоу, развлечения.

приготовление мороженого, заморозка сметаны или фруктов в кулинарии

11Шоу Источник                                                         Заморозка фруктов Источник

При исследованиях в школе и проведении опытов вместо сосудов Дьюара и термосов используют более простой прибор, который называют калориметром     

12
 Источник

Такое приспособление не может исключить полную связь содержимого внутреннего сосуда с внешней средой. Чтобы потеря тепла во внешнюю среду была минимальной, нужно опыты проводить достаточно быстро.

Используя калориметр, в условиях учебного класса можно проверить справедливость уравнения теплового баланса. Для этого понадобится одинаковое количество (например, 50 г) холодной и горячей воды, калориметр и термометр.

13

Пусть в первом калориметре температура горячей воды 80оС, а во втором - комнатная температура, равная 20оС.

14

Нужно аккуратно холодную воду перелить в калориметр с горячей водой. Полученную смесь осторожно перемешать термометром (трубочку или ложку для смешивания брать не стоит, чтобы лишний раз не нарушать выбранную изолированную систему тел).

15

Начальные температуры воды и температуру смеси записать и использовать в дальнейших расчетах. Учитывая табличное значение удельной теплоемкости воды (4200 Дэ/кг о С), взятую массу (50 г = 0, 05 кг), вычисления будут следующими:

t7

Конечно, такой результат может получиться лишь теоретически. В опыте с калориметром есть недостаток в том, что существует недостаточная изоляция системы рассматриваемых тел. Тепло горячей воды попадает во внешнюю среду, так как калориметр с горячей водой не закрыт. Нельзя забывать, что измерения проводятся с определенной долей погрешности.

Но суть проделанных набольших исследований понятна и подтверждает уравнение теплового баланса.

 

Где взять тепло?

Ответ прост. При сгорании топлива, виды которого разнообразны.

16
 Источник

Отопительная ценность, например, каменного угля определяется количеством тепла, выделяющегося в процессе сгорания одного его килограмма.

Откуда в угле берется тепло? По одной из теорий топливные материалы, такие как уголь и торф, образовались из растений.

Некогда почти вся земля была покрыта растительностью, главным образом гигантскими лесными чащами. На месте сваленных бурей деревьев вырастали новые. С течением времени образовался толстый слой гниющего дерева. Некоторые пространства земного шара были опустошены буйными ураганами или сползающими ледниками. Пространства эти со временем покрыл ил, нанесенный волнами рек и морей. Или же землю засыпал песок пустынь. В таких условиях бревна, находящиеся под большим давлением и без доступа воздуха, образовали слой вещества, которое теперь называют каменным углем.

Долгое время тепло от сгорания топлива измерялось в калориях (1 кал) – это количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1оС. Большая калория – килокалория (1 ккал) – количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 килограмма воды на 1оС.

Сейчас вместо калорий и килокалорий используются Джоули и единицы, производные от 1 Джоуля.

Эта величина тепла называется удельной теплотой сгорания топлива и обозначается буквой q.

17
 Источник

Например, табличное значение для природного газа, который сейчас очень широко применяется, q = 4,4 ∙ 107 Дж/кг означает: при сгорании 1 кг природного газа выделяется 4,4 ∙ 107 Джоулей тепла.

Если сгорает не один килограмм топлива, то полученное количество выделившегося тепла определяется формулой Q = qm.

Само тепло получается, как результат изменения опять же внутренней энергии сгорающего топлива. Горение происходит всегда с участием кислорода. При этом атомы кислорода, соединившись с атомами углерода (содержится и в древесном угле, и в каменном, и в нефти, и бензине), образуют продукт горения – это углекислый газ. Его молекулы обладают кинетической энергией большей, чем молекулы кислорода и углерода, отдельно взятые. Следовательно, внутренняя энергия становится больше и проявляется в виде выделения тепла.

Процесс увеличения энергии во время горения называют выделением энергии, то есть выделением тепла.

Чтобы можно было использовать тепло от сгоревшего топлива, человеком с давних пор применяются и простые, и сложные приспособления. Это костер, свеча, печь, газовая горелка, спиртовка, тепловые машины, двигатели.

На службе человека находятся и такие мощные преобразователи тепла, как тепловые электростанции.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Внутренняя энергия растет. Это значит, что
1ΔU ˂ 0
2ΔU ˃ 0
3ΔU = 0
Ответить
2
Вопрос: 2
Чему равно количество тепла, выделившееся при остывании 2 кг воды от 90о С до 40о С?
142 000 Дж
284 000 Дж
3- 420 кДж
4420 000 Дж
Ответить
3
Вопрос: 3
Удельная теплота сгорания топлива измеряется в
1Дж
2Дж/кг ∙ оС
3о С
4Дж/кг
Ответить
4
Вопрос: 4
Ученый – изобретатель теплоизолирующего сосуда
1Джоуль
2Дьюар
3Майер
4Ломоносов
Ответить
2
Вопрос: 5
Из чего состоит прослойка между сосудами калориметра?
1Из воздуха
2Из пробкового вещества
3Вакуумная
4Из пенопласта
Ответить
1
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Внутренняя энергия растет. Это значит, что
1) ΔU ˂ 0 2) ΔU ˃ 0 3) ΔU = 0
2 вопрос:

Чему равно количество тепла, выделившееся при остывании 2 кг воды от 90о С до 40о С?
1) 42 000 Дж 2) 84 000 Дж 3) - 420 кДж 4) 420 000 Дж
3 вопрос:

Удельная теплота сгорания топлива измеряется в
1) Дж 2) Дж/кг ∙ оС 3) о С 4) Дж/кг
4 вопрос:

Ученый – изобретатель теплоизолирующего сосуда
1) Джоуль 2) Дьюар 3) Майер 4) Ломоносов
5 вопрос:

Из чего состоит прослойка между сосудами калориметра?
1) Из воздуха 2) Из пробкового вещества 3) Вакуумная 4) Из пенопласта
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: ΔU ˃ 0
2 вопрос: - 420 кДж
3 вопрос: Дж/кг
4 вопрос: Дьюар
5 вопрос: Из воздуха