Co je potřeba, je více tepla. Jak vypočítat množství tepla, tepelný účinek a teplo vzniku

1. Změna vnitřní energie vykonáváním práce je charakterizována množstvím práce, tzn. práce je mírou změny vnitřní energie v daném procesu. Změnu vnitřní energie tělesa při přenosu tepla charakterizuje veličina tzv množství tepla.

Množství tepla je změna vnitřní energie tělesa během procesu přenosu tepla bez vykonání práce.

Množství tepla je označeno písmenem ​\(Q\) ​. Protože množství tepla je mírou změny vnitřní energie, jeho jednotkou je joule (1 J).

Když tělo předá určité množství tepla, aniž by vykonalo práci, jeho vnitřní energie se zvýší, pokud tělo vydá určité množství tepla, pak se jeho vnitřní energie sníží.

2. Pokud nalijete 100 g vody do dvou stejných nádob, jedné a 400 g do druhé o stejné teplotě a postavíte je na stejné hořáky, pak se voda v první nádobě uvaří dříve. Čím větší je tedy těleso, tím větší množství tepla potřebuje k zahřátí. Totéž platí pro chlazení: když je těleso o větší hmotnosti ochlazováno, vydává větší množství tepla. Tato tělesa jsou vyrobena ze stejné látky a zahřívají se nebo ochlazují o stejný počet stupňů.

​3. Pokud nyní ohřejeme 100 g vody z 30 na 60 °C, tzn. při 30 °C a poté až 100 °C, tzn. o 70 °C, pak v prvním případě bude ohřev trvat kratší dobu než ve druhém, a tudíž ohřev vody o 30 °C bude vyžadovat méně tepla než ohřev vody o 70 °C. Množství tepla je tedy přímo úměrné rozdílu mezi konečnou ​\((t_2\,^\circ C) \) ​ a počáteční \((t_1\,^\circ C) \) teplotou: ​\( Q\sim(t_2- t_1) \) ​.

4. Pokud nyní nalijete 100 g vody do jedné nádoby a nalijete trochu vody do jiné stejné nádoby a vložíte do ní kovové těleso tak, aby jeho hmotnost a hmotnost vody byly 100 g, a nádoby zahřejte na stejných dlaždicích, pak zjistíte, že v nádobě obsahující pouze vodu bude mít nižší teplotu než nádoba obsahující vodu a kovové tělo. Proto, aby byla teplota obsahu v obou nádobách stejná, je nutné předat vodě více tepla než vodě a kovovému tělesu. Množství tepla potřebného k zahřátí tělesa tedy závisí na typu látky, ze které je těleso vyrobeno.

5. Závislost množství tepla potřebného k zahřátí tělesa na druhu látky je charakterizována fyzikální veličinou tzv měrná tepelná kapacita látky.

Fyzikální veličina rovnající se množství tepla, které se musí odevzdat 1 kg látky, aby se zahřála o 1 °C (nebo 1 K), se nazývá měrná tepelná kapacita látky.

1 kg látky uvolní stejné množství tepla při ochlazení o 1 °C.

Měrná tepelná kapacita se označuje písmenem ​\(c\) ​. Jednotkou měrné tepelné kapacity je 1 J/kg °C nebo 1 J/kg K.

Měrná tepelná kapacita látek se zjišťuje experimentálně. Kapaliny mají vyšší měrnou tepelnou kapacitu než kovy; Voda má nejvyšší měrné teplo, zlato má velmi malé měrné teplo.

Měrné teplo olova je 140 J/kg °C. To znamená, že k ohřátí 1 kg olova o 1 °C je potřeba vydat množství tepla 140 J. Stejné množství tepla se uvolní, když se 1 kg vody ochladí o 1 °C.

Protože se množství tepla rovná změně vnitřní energie tělesa, můžeme říci, že měrná tepelná kapacita ukazuje, jak moc se změní vnitřní energie 1 kg látky při změně její teploty o 1 °C. Zejména vnitřní energie 1 kg olova se při zahřátí o 1 °C zvýší o 140 J a při ochlazení se sníží o 140 J.

Množství tepla ​\(Q \) ​ potřebné k zahřátí tělesa o hmotnosti ​\(m \) ​ z teploty \((t_1\,^\circ C) \) na teplotu \((t_2\,^\ circ C) \) se rovná součinu měrné tepelné kapacity látky, tělesné hmotnosti a rozdílu mezi konečnou a počáteční teplotou, tzn.

\[ Q=cm(t_2()^\circ-t_1()^\circ) \]

Stejný vzorec se používá k výpočtu množství tepla, které tělo vydává při ochlazování. Pouze v tomto případě by měla být konečná teplota odečtena od počáteční teploty, tzn. Odečtěte nižší teplotu od vyšší teploty.

6. Příklad řešení problému. 100 g vody o teplotě 20 °C se nalije do sklenice obsahující 200 g vody o teplotě 80 °C. Poté teplota v nádobě dosáhla 60 °C. Kolik tepla přijala studená voda a kolik tepla odevzdala teplá voda?

Při řešení problému musíte provést následující posloupnost akcí:

1. zapište stručně podmínky problému;
2. převést hodnoty veličin na SI;
3. analyzovat problém, určit, která tělesa se účastní výměny tepla, která tělesa energii vydávají a která přijímají;
4. řešit problém v obecné podobě;
5. provádět výpočty;
6. analyzovat obdrženou odpověď.

1. Problémový stav.

Vzhledem k tomu:
​\(m_1 \) ​= 200 g
​\(m_2\) ​= 100 g
​\(t_1 \) ​= 80 °C
​\(t_2 \) ​= 20 °C
​\(t\) ​= 60 °C
______________

​\(Q_1 \) ​ — ? ​\(Q_2 \) ​ — ?
​\(c_1 \) ​= 4200 J/kg °C

2. SI:​\(m_1\) ​ = 0,2 kg; ​\(m_2\) ​ = 0,1 kg.

3. Analýza úkolů. Problém popisuje proces výměny tepla mezi teplou a studenou vodou. Horká voda vydá množství tepla ​\(Q_1 \) ​ a ochladí se z teploty \(t_1 \) ​ na teplotu ​\(t \) ​. Studená voda přijme množství tepla ​\(Q_2 \)​ a ohřeje se z teploty \(t_2 \) ​ na teplotu ​\(t \) ​.

4. Řešení problému v obecné podobě. Množství tepla vydaného horkou vodou se vypočítá podle vzorce: ​\(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) ​.

Množství tepla přijatého studenou vodou se vypočítá podle vzorce: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) .

5. Výpočty.
​\(Q_1 \) ​ = 4200 J/kg · °С · 0,2 kg · 20 °С = 16800 J
\(Q_2\) = 4200 J/kg °C 0,1 kg 40 °C = 16800 J

6. Odpověď zní, že množství tepla, které vydá horká voda, se rovná množství tepla přijatého studenou vodou. V tomto případě se uvažovalo o idealizované situaci a nepočítalo se s tím, že se určité množství tepla spotřebovalo na ohřev skla, ve kterém se nacházela voda, a okolního vzduchu. Ve skutečnosti je množství tepla vydávaného horkou vodou větší než množství tepla přijatého studenou vodou.

Část 1

1. Měrná tepelná kapacita stříbra je 250 J/(kg °C). Co to znamená?

1) při ochlazení 1 kg stříbra na 250 °C se uvolní množství tepla 1 J
2) při ochlazení 250 kg stříbra o 1 °C se uvolní teplo 1 J
3) při ochlazení 250 kg stříbra o 1 °C se absorbuje množství tepla 1 J
4) při ochlazení 1 kg stříbra o 1 °C se uvolní množství tepla 250 J

2. Měrná tepelná kapacita zinku je 400 J/(kg °C). To znamená, že

1) při zahřátí 1 kg zinku o 400 °C se jeho vnitřní energie zvýší o 1 J
2) při zahřátí 400 kg zinku o 1 °C se jeho vnitřní energie zvýší o 1 J
3) na ohřátí 400 kg zinku o 1 °C je potřeba vynaložit 1 J energie
4) při zahřátí 1 kg zinku o 1 °C se jeho vnitřní energie zvýší o 400 J

3. Při přenosu množství tepla ​\(Q \)​ na pevné těleso o hmotnosti ​\(m \) ​ se tělesná teplota zvýšila o ​\(\Delta t^\circ \) ​. Který z následujících výrazů určuje měrnou tepelnou kapacitu látky tohoto tělesa?

1) ​\(\frac(m\Delta t^\circ)(Q) \)​
2) \(\frac(Q)(m\Delta t^\circ) \)​
3) \(\frac(Q)(\Delta t^\circ) \) ​
4) \(Qm\Delta t^\circ \) ​

4. Na obrázku je graf závislosti množství tepla potřebného k ohřevu dvou těles (1 a 2) o stejné hmotnosti na teplotě. Porovnejte hodnoty měrné tepelné kapacity (​\(c_1 \)​ a ​\(c_2 \)​) látek, ze kterých jsou tato tělesa vyrobena.

1) ​\(c_1=c_2 \) ​
2) ​\(c_1>c_2 \) ​
3)\(c_1 4) odpověď závisí na hodnotě hmotnosti těles

5. Diagram ukazuje množství tepla přeneseného na dvě tělesa stejné hmotnosti, když se jejich teplota změní o stejný počet stupňů. Jaký vztah je správný pro měrné tepelné kapacity látek, z nichž jsou tělesa vyrobena?

1) \(c_1=c_2\)
2) \(c_1=3c_2\)
3) \(c_2=3c_1\)
4) \(c_2=2c_1\)

6. Obrázek ukazuje graf teploty pevného tělesa v závislosti na množství tepla, které vydává. Tělesná hmotnost 4 kg. Jaká je měrná tepelná kapacita látky tohoto tělesa?

1) 500 J/(kg °C)
2) 250 J/(kg °C)
3) 125 J/(kg °C)
4) 100 J/(kg °C)

7. Při zahřívání krystalické látky o hmotnosti 100 g byla měřena teplota látky a množství tepla, které bylo látce předáno. Naměřená data byla prezentována ve formě tabulky. Za předpokladu, že energetické ztráty lze zanedbat, určete měrnou tepelnou kapacitu látky v pevném stavu.

1) 192 J/(kg °C)
2) 240 J/(kg °C)
3) 576 J/(kg °C)
4) 480 J/(kg °C)

8. K zahřátí 192 g molybdenu o 1 K je potřeba předat mu množství tepla 48 J Jaké je měrné teplo této látky?

1) 250 J/(kg K)
2) 24 J/(kg K)
3) 4·10 -3 J/(kg K)
4) 0,92 J/(kg K)

9. Jaké množství tepla je potřeba k zahřátí 100 g olova z 27 na 47 °C?

1) 390 J
2) 26 kJ
3) 260 J
4) 390 kJ

10. Ohřev cihly z 20 na 85 °C vyžaduje stejné množství tepla jako ohřev vody o stejné hmotnosti o 13 °C. Měrná tepelná kapacita cihly je

1) 840 J/(kg K)
2) 21 000 J/(kg K)
3) 2100 J/(kg K)
4) 1680 J/(kg K)

11. Z níže uvedeného seznamu tvrzení vyberte dva správné a zapište jejich čísla do tabulky.

1) Množství tepla, které těleso přijme, když se jeho teplota zvýší o určitý počet stupňů, se rovná množství tepla, které toto těleso vydá, když jeho teplota o stejný počet stupňů klesne.
2) Když se látka ochladí, její vnitřní energie se zvýší.
3) Množství tepla, které látka při zahřívání přijme, se využívá především ke zvýšení kinetické energie jejích molekul.
4) Množství tepla, které látka při zahřátí přijímá, se využívá především ke zvýšení potenciální energie interakce jejích molekul
5) Vnitřní energii tělesa lze změnit pouze předáním určitého množství tepla

12. Tabulka uvádí výsledky měření hmotnosti \(m\) ​, teplotních změn \(\Delta t\) ​ a množství tepla ​\(Q\) ​ uvolněného při chlazení válců vyrobených z mědi nebo hliníku .

Která tvrzení odpovídají výsledkům experimentu? Vyberte dva správné z nabízeného seznamu. Uveďte jejich čísla. Na základě provedených měření lze tvrdit, že množství tepla uvolněného při chlazení

1) závisí na látce, ze které je válec vyroben.
2) nezávisí na látce, ze které je válec vyroben.
3) roste s rostoucí hmotností válce.
4) roste s rostoucím teplotním rozdílem.
5) měrná tepelná kapacita hliníku je 4x větší než měrná tepelná kapacita cínu.

Část 2

C1. Pevné těleso o hmotnosti 2 kg se vloží do pece o výkonu 2 kW a začne se zahřívat. Obrázek ukazuje závislost teploty ​\(t\) ​ tohoto tělesa na době ohřevu ​\(\tau \) ​. Jaká je měrná tepelná kapacita látky?

1) 400 J/(kg °C)
2) 200 J/(kg °C)
3) 40 J/(kg °C)
4) 20 J/(kg °C)

Odpovědi

V této lekci se naučíme, jak vypočítat množství tepla potřebného k zahřátí tělesa nebo tělesa uvolněného při ochlazování. K tomu si shrneme znalosti, které jsme získali v předchozích lekcích.

Navíc se naučíme pomocí vzorce pro množství tepla vyjádřit z tohoto vzorce zbývající veličiny a vypočítat je se znalostí ostatních veličin. Bude také zvažován příklad problému s řešením výpočtu množství tepla.

Tato lekce je věnována výpočtu množství tepla, když se těleso zahřívá nebo uvolňuje při ochlazení.

Schopnost vypočítat potřebné množství tepla je velmi důležitá. To může být potřeba například při výpočtu množství tepla, které je třeba předat vodě k vytápění místnosti.

Rýže. 1. Množství tepla, které se musí předat vodě, aby se místnost vytopila

Nebo pro výpočet množství tepla, které se uvolňuje při spalování paliva v různých motorech:

Rýže. 2. Množství tepla, které se uvolňuje při spalování paliva v motoru

Tyto znalosti jsou také potřeba například k určení množství tepla, které se uvolňuje Sluncem a dopadá na Zemi:

Rýže. 3. Množství tepla uvolněného Sluncem a dopadajícího na Zemi

Pro výpočet množství tepla potřebujete vědět tři věci (obr. 4):

• tělesná hmotnost (kterou lze obvykle měřit pomocí váhy);
• teplotní rozdíl, o který se musí těleso zahřát nebo ochladit (obvykle měřeno teploměrem);
• měrná tepelná kapacita tělesa (kterou lze určit z tabulky).

Rýže. 4. Co potřebujete vědět k určení

Vzorec, podle kterého se vypočítá množství tepla, vypadá takto:

V tomto vzorci se objevují následující množství:

množství tepla měřené v joulech (J);

Měrná tepelná kapacita látky se měří v ;

- teplotní rozdíl, měřený ve stupních Celsia ().

Zvažme problém výpočtu množství tepla.

Úkol

Měděné sklo o hmotnosti gramů obsahuje vodu o objemu litrů při teplotě. Kolik tepla se musí předat sklenici vody, aby se její teplota vyrovnala ?

Rýže. 5. Ilustrace problémových stavů

Nejprve si zapíšeme krátkou podmínku ( Dáno) a převést všechny veličiny na mezinárodní systém (SI).

Vzhledem k tomu:	SI
Nalézt:

Řešení:

Nejprve určete, jaké další veličiny potřebujeme k vyřešení tohoto problému. Pomocí tabulky měrné tepelné kapacity (tabulka 1) zjistíme (měrnou tepelnou kapacitu mědi, protože podle stavu je sklo měď), (měrnou tepelnou kapacitu vody, protože podle podmínek je ve skle voda). Navíc víme, že k výpočtu množství tepla potřebujeme hmotnost vody. Podle stavu nám je dán pouze objem. Proto z tabulky vezmeme hustotu vody: (Tabulka 2).

Tabulka 1. Měrná tepelná kapacita některých látek,

Tabulka 2. Hustoty některých kapalin

Nyní máme vše, co k vyřešení tohoto problému potřebujeme.

Všimněte si, že konečné množství tepla se bude skládat ze součtu množství tepla potřebného k ohřevu měděného skla a množství tepla potřebného k ohřevu vody v něm:

Nejprve vypočítejme množství tepla potřebného k ohřevu měděného skla:

Před výpočtem množství tepla potřebného k ohřevu vody vypočítejme hmotnost vody pomocí vzorce, který je nám známý ze třídy 7:

Nyní můžeme počítat:

Pak můžeme vypočítat:

Připomeňme si, co znamenají kilojouly. Předpona "kilo" znamená .

Odpověď:.

Pro usnadnění řešení problémů zjišťování množství tepla (tzv. přímé problémy) a množství spojených s tímto pojmem můžete použít následující tabulku.

Požadované množství	Označení	Jednotky měření	Základní vzorec	Vzorec pro množství
Množství tepla

« Fyzika - 10. třída"

V jakých procesech dochází k agregátním přeměnám hmoty?
Jak můžete změnit stav agregace látky?

Vnitřní energii jakéhokoli tělesa můžete měnit vykonáváním práce, zahříváním nebo naopak ochlazováním.
Takže při kování kovu se pracuje a zahřívá se, zároveň se kov může zahřívat nad hořícím plamenem.

Rovněž pokud je píst pevný (obr. 13.5), pak se objem plynu při zahřívání nemění a nepracuje se. Ale teplota plynu a tím i jeho vnitřní energie se zvyšuje.

Vnitřní energie se může zvyšovat a snižovat, takže množství tepla může být kladné nebo záporné.

Proces přenosu energie z jednoho těla do druhého bez vykonávání práce se nazývá výměnu tepla.

Kvantitativní míra změny vnitřní energie při přenosu tepla se nazývá množství tepla.

Molekulární obraz přenosu tepla.

Při výměně tepla na hranici mezi tělesy dochází k interakci pomalu se pohybujících molekul studeného tělesa s rychle se pohybujícími molekulami horkého tělesa. V důsledku toho se kinetické energie molekul vyrovnají a rychlosti molekul studeného tělesa se zvýší a horkého tělesa se sníží.

Při výměně tepla nedochází k přeměně energie z jedné formy na druhou;

Množství tepla a tepelná kapacita.

Již víte, že k ohřátí tělesa o hmotnosti m z teploty t 1 na teplotu t 2 je nutné mu předat množství tepla:

Q = cm(t2 - ti) = cm At. (13,5)

Když se těleso ochladí, jeho konečná teplota t 2 se ukáže být nižší než počáteční teplota t 1 a množství tepla vydávaného tělesem je záporné.

Zavolá se koeficient c ve vzorci (13.5). měrná tepelná kapacita látek.

Specifické teplo- jedná se o množství, které se číselně rovná množství tepla, které látka o hmotnosti 1 kg přijme nebo uvolní při změně její teploty o 1 K.

Měrná tepelná kapacita plynů závisí na procesu, kterým dochází k přenosu tepla. Pokud zahřejete plyn při konstantním tlaku, roztáhne se a bude pracovat. K zahřátí plynu o 1 °C při konstantním tlaku je potřeba předat více tepla než k zahřátí při konstantním objemu, kdy se plyn pouze zahřeje.

Kapaliny a pevné látky při zahřívání mírně expandují. Jejich měrné tepelné kapacity se při konstantním objemu a konstantním tlaku liší jen málo.

Měrné výparné teplo.

Aby se kapalina během procesu varu přeměnila na páru, musí jí být přeneseno určité množství tepla. Teplota kapaliny se při varu nemění. Přeměna kapaliny na páru při konstantní teplotě nevede ke zvýšení kinetické energie molekul, ale je doprovázena zvýšením potenciální energie jejich interakce. Průměrná vzdálenost mezi molekulami plynu je totiž mnohem větší než mezi molekulami kapaliny.

Množství, které se číselně rovná množství tepla potřebného k přeměně kapaliny o hmotnosti 1 kg na páru při konstantní teplotě, se nazývá specifické výparné teplo.

Proces odpařování kapaliny nastává při jakékoli teplotě, zatímco nejrychlejší molekuly opouštějí kapalinu a během odpařování se ochlazuje. Měrné skupenské teplo vypařování se rovná měrnému teplu vypařování.

Tato hodnota se označuje písmenem r a vyjadřuje se v joulech na kilogram (J/kg).

Měrné výparné teplo vody je velmi vysoké: r H20 = 2,256 10 6 J/kg při teplotě 100 °C. Pro jiné kapaliny, například alkohol, éter, rtuť, petrolej, je měrné skupenské teplo vypařování 3-10krát menší než u vody.

K přeměně kapaliny o hmotnosti m na páru je zapotřebí množství tepla rovné:

Q p = rm. (13.6)

Když pára kondenzuje, uvolňuje se stejné množství tepla:

Qk = -rm. (13.7)

Specifické teplo tání.

Když krystalické těleso taje, veškeré teplo, které je mu dodáno, zvyšuje potenciální energii interakce mezi molekulami. Kinetická energie molekul se nemění, protože tání probíhá při konstantní teplotě.

Hodnota, která se číselně rovná množství tepla potřebného k přeměně krystalické látky o hmotnosti 1 kg při teplotě tání na kapalinu, se nazývá specifické teplo tání a značí se písmenem λ.

Při krystalizaci látky o hmotnosti 1 kg se uvolní přesně stejné množství tepla, jaké se absorbuje při tavení.

Měrné teplo tání ledu je poměrně vysoké: 3,34 10 5 J/kg.

„Pokud by led neměl vysoké teplo tání, pak by na jaře celá masa ledu musela během několika minut nebo sekund roztát, protože teplo je nepřetržitě přenášeno do ledu ze vzduchu. Důsledky toho by byly hrozné; vždyť i v současné situaci vznikají velké povodně a silné proudy vody, když tájí velké masy ledu nebo sněhu.“ R. Černý, XVIII století.

K roztavení krystalického tělesa o hmotnosti m je zapotřebí množství tepla rovné:

Qpl = λm. (13.8)

Množství tepla uvolněného během krystalizace tělesa se rovná:

Qcr = -λm (13,9)

Rovnice tepelné bilance.

Uvažujme výměnu tepla v systému sestávajícím z několika těles, která mají zpočátku různé teploty, například výměnu tepla mezi vodou v nádobě a horkou železnou koulí spuštěnou do vody. Podle zákona zachování energie se množství tepla, které jedno těleso vydá, číselně rovná množství tepla přijatého jiným.

Množství odevzdaného tepla se považuje za záporné, množství přijatého tepla za kladné. Proto celkové množství tepla Q1 + Q2 = 0.

Pokud dojde k výměně tepla mezi několika tělesy v izolované soustavě, pak

Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13,10)

Je volána rovnice (13.10). rovnice tepelné bilance.

Zde Q 1 Q 2, Q 3 jsou množství tepla přijatého nebo vydaného tělesy. Tato množství tepla jsou vyjádřena vzorcem (13.5) nebo vzorcem (13.6)-(13.9), pokud během procesu výměny tepla dochází k různým fázovým přeměnám látky (tavení, krystalizace, odpařování, kondenzace).

Tepelná kapacita- to je množství tepla absorbovaného tělesem při zahřátí o 1 stupeň.

Tepelná kapacita tělesa je označena velkým latinským písmenem S.

Na čem závisí tepelná kapacita tělesa? Především z její hmoty. Je jasné, že ohřátí např. 1 kilogramu vody bude vyžadovat více tepla než ohřátí 200 gramů.

A co druh látky? Udělejme experiment. Vezmeme dvě identické nádoby a po nalití vody o hmotnosti 400 g do jedné z nich a rostlinného oleje o hmotnosti 400 g do druhé je začneme zahřívat pomocí stejných hořáků. Pozorováním údajů teploměru uvidíme, že se olej rychle zahřeje. Aby se voda a olej ohřály na stejnou teplotu, musí se voda ohřívat déle. Čím déle ale vodu ohříváme, tím více tepla dostává od hořáku.

K zahřátí stejné hmoty různých látek na stejnou teplotu je tedy zapotřebí různé množství tepla. Množství tepla potřebné k zahřátí tělesa a tedy i jeho tepelná kapacita závisí na druhu látky, ze které se těleso skládá.

Takže například ke zvýšení teploty vody o hmotnosti 1 kg o 1 °C je potřeba množství tepla rovné 4200 J a k zahřátí stejné hmotnosti slunečnicového oleje o 1 °C množství tepla rovné Je potřeba 1700 J.

Fyzikální veličina udávající, kolik tepla je potřeba k ohřátí 1 kg látky o 1 ºС měrná tepelná kapacita této látky.

Každá látka má svou specifickou tepelnou kapacitu, která se označuje latinským písmenem c a měří se v joulech na kilogram stupně (J/(kg °C)).

Měrná tepelná kapacita téže látky v různých stavech agregace (pevné, kapalné a plynné) je různá. Například měrná tepelná kapacita vody je 4200 J/(kg °C) a měrná tepelná kapacita ledu je 2100 J/(kg °C); hliník v pevném stavu má měrnou tepelnou kapacitu 920 J/(kg - °C), v kapalném stavu - 1080 J/(kg - °C).

Všimněte si, že voda má velmi vysokou měrnou tepelnou kapacitu. Voda v mořích a oceánech, která se v létě zahřívá, proto absorbuje velké množství tepla ze vzduchu. Díky tomu v místech, která se nacházejí v blízkosti velkých vodních ploch, není léto tak horké jako v místech daleko od vody.

Výpočet množství tepla potřebného k zahřátí tělesa nebo jím uvolněného při ochlazování.

Z výše uvedeného je zřejmé, že množství tepla potřebné k zahřátí tělesa závisí na druhu látky, ze které se těleso skládá (tedy na jeho měrné tepelné kapacitě) a na hmotnosti tělesa. Je také jasné, že množství tepla závisí na tom, o kolik stupňů se chystáme zvýšit tělesnou teplotu.

Chcete-li tedy určit množství tepla potřebného k zahřátí tělesa nebo tělesa uvolněného během chlazení, musíte vynásobit měrnou tepelnou kapacitu tělesa jeho hmotností a rozdílem mezi jeho konečnou a počáteční teplotou:

Q= cm (t 2 - t 1),

Kde Q- množství tepla, C- měrná tepelná kapacita, m- tělesná hmotnost, t 1- počáteční teplota, t 2- konečná teplota.

Když se tělo zahřeje t 2> t 1 a proto Q >0 . Když se tělo ochladí t 2i< t 1 a proto Q< 0 .

Pokud je známa tepelná kapacita celého těla S, Q určeno vzorcem: Q = C (t2 - t 1).

22) Tavení: definice, výpočet množství tepla pro tavení nebo tuhnutí, měrné skupenské teplo tání, graf t 0 (Q).

Termodynamika

Obor molekulární fyziky, který studuje přenos energie, vzorce přeměny jednoho typu energie na jiný. Na rozdíl od molekulární kinetické teorie termodynamika nebere v úvahu vnitřní strukturu látek a mikroparametry.

Termodynamický systém

Je to soubor těles, která si vyměňují energii (ve formě práce nebo tepla) mezi sebou nebo s okolím. Voda v konvici se například ochlazuje a dochází k výměně tepla mezi vodou a konvicí a tepla konvice s okolím. Válec s plynem pod pístem: píst koná práci, v důsledku čehož plyn přijímá energii a mění se jeho makroparametry.

Množství tepla

Tento energie, které systém přijímá nebo uvolňuje během procesu výměny tepla. Označuje se symbolem Q a měří se jako každá energie v joulech.

V důsledku různých procesů výměny tepla je přenášená energie určena svým vlastním způsobem.

Vytápění a chlazení

Tento proces je charakterizován změnou teploty systému. Množství tepla je určeno vzorcem

Měrná tepelná kapacita látky s měřeno množstvím tepla potřebného k zahřátí jednotky hmotnosti této látky o 1K. Ohřev 1 kg skla nebo 1 kg vody vyžaduje různé množství energie. Měrná tepelná kapacita je známá veličina, již vypočtená pro všechny látky viz hodnota ve fyzikálních tabulkách.

Tepelná kapacita látky C- to je množství tepla, které je nutné k zahřátí tělesa bez zohlednění jeho hmotnosti o 1K.

Tání a krystalizace

Tání je přechod látky z pevného do kapalného stavu. Reverzní přechod se nazývá krystalizace.

Energie, která je vynaložena na destrukci krystalové mřížky látky, je určena vzorcem

Měrné teplo tání je známá hodnota pro každou látku viz hodnota ve fyzikálních tabulkách.

Odpařování (odpařování nebo var) a kondenzace

Vaporizace je přechod látky z kapalného (pevného) skupenství do plynného skupenství. Opačný proces se nazývá kondenzace.

Měrné výparné teplo je známá hodnota pro každou látku viz hodnota ve fyzikálních tabulkách.

Spalování

Množství tepla uvolněného při hoření látky

Měrné spalné teplo je známá hodnota pro každou látku viz hodnota ve fyzikálních tabulkách.

Pro uzavřenou a adiabaticky izolovanou soustavu těles je splněna rovnice tepelné bilance. Algebraický součet množství tepla odevzdaného a přijatého všemi tělesy účastnícími se výměny tepla je roven nule:

Qi +Q2 +...+Qn =0

23) Struktura kapalin. Povrchová vrstva. Síla povrchového napětí: příklady projevu, výpočet, koeficient povrchového napětí.

Čas od času se může jakákoli molekula přesunout na blízké volné místo. K takovým skokům v kapalinách dochází poměrně často; proto molekuly nejsou vázány na konkrétní centra, jako v krystalech, a mohou se pohybovat v celém objemu kapaliny. To vysvětluje tekutost kapalin. Díky silné interakci mezi těsně umístěnými molekulami mohou vytvářet lokální (nestabilní) uspořádané skupiny obsahující několik molekul. Tento jev se nazývá uzavřít objednávku(obr. 3.5.1).

Koeficient β se nazývá teplotní koeficient objemové roztažnosti . Tento koeficient pro kapaliny je desítkykrát větší než pro pevné látky. Pro vodu např. při teplotě 20 °C β v ≈ 2 10 – 4 K – 1, pro ocel β st ≈ 3,6 10 – 5 K – 1, pro křemenné sklo β kv ≈ 9 10 – 6 K – 1 .

Tepelná roztažnost vody má pro život na Zemi zajímavou a důležitou anomálii. Při teplotách pod 4 °C se voda s klesající teplotou rozpíná (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Když voda zamrzne, roztáhne se, takže led zůstane plavat na hladině zamrzající vodní plochy. Teplota mrznoucí vody pod ledem je 0 °C. V hustších vrstvách vody na dně nádrže je teplota asi 4 °C. Díky tomu může ve vodě mrazivých nádrží existovat život.

Nejzajímavější vlastností kapalin je přítomnost volný povrch . Kapalina, na rozdíl od plynů, nevyplní celý objem nádoby, do které se nalévá. Mezi kapalinou a plynem (nebo párou) je vytvořeno rozhraní, které je ve srovnání se zbytkem kapaliny ve zvláštních podmínkách. Je třeba mít na paměti, že vzhledem k extrémně nízké stlačitelnosti je přítomnost hustěji usazené povrchové vrstvy nevede k žádné znatelné změně objemu kapaliny. Pokud se molekula přesune z povrchu do kapaliny, síly mezimolekulární interakce vykonají pozitivní práci. Naopak, aby bylo možné vytáhnout určitý počet molekul z hloubky kapaliny na povrch (tj. zvětšit povrch kapaliny), musí vnější síly vykonat kladnou práci Δ A vnější, úměrná změně Δ S plocha povrchu:

Z mechaniky je známo, že rovnovážné stavy systému odpovídají minimální hodnotě jeho potenciální energie. Z toho vyplývá, že volný povrch kapaliny má tendenci zmenšovat svou plochu. Z tohoto důvodu má volná kapka kapaliny kulovitý tvar. Kapalina se chová tak, jako by síly působící tečně k jejímu povrchu tento povrch stahovaly (tahaly). Tyto síly se nazývají síly povrchového napětí .

Přítomnost sil povrchového napětí způsobuje, že povrch kapaliny vypadá jako elastický natažený film, pouze s tím rozdílem, že elastické síly ve filmu závisí na jeho povrchu (tj. na tom, jak je film deformován), a na povrchovém napětí. síly nezávisí na povrchu kapaliny.

Některé kapaliny, jako je mýdlová voda, mají schopnost vytvářet tenké filmy. Známé mýdlové bubliny mají pravidelný kulovitý tvar – to ukazuje i vliv sil povrchového napětí. Pokud drátěný rám, jehož jedna strana je pohyblivá, spustíte do mýdlového roztoku, bude celý rám pokryt filmem kapaliny (obr. 3.5.3).

Síly povrchového napětí mají tendenci zmenšovat povrch fólie. Pro vyvážení pohyblivé strany rámu na ni musí působit vnější síla Pokud se pod vlivem síly příčka posune o Δ x, pak bude provedena práce Δ A vn = F vn Δ x = Δ E p = σΔ S, kde Δ S = 2LΔ x– přírůstek na povrchu obou stran mýdlového filmu. Protože moduly sil a jsou stejné, můžeme napsat:

Koeficient povrchového napětí σ lze tedy definovat jako modul síly povrchového napětí působící na jednotku délky čáry ohraničující povrch.

Působením sil povrchového napětí v kapkách kapaliny a uvnitř mýdlových bublin vzniká přetlak Δ p. Pokud mentálně uříznete sférický pokles poloměru R na dvě poloviny, pak každá z nich musí být v rovnováze působením sil povrchového napětí působících na hranici řezu délky 2π R a přetlakové síly působící na plochu π R 2 sekce (obr. 3.5.4). Podmínka rovnováhy se zapisuje jako

Pokud jsou tyto síly větší než síly vzájemného působení mezi molekulami samotné kapaliny, pak kapaliny mokry povrch pevné látky. V tomto případě se kapalina přibližuje k povrchu pevné látky pod určitým ostrým úhlem θ, charakteristickým pro daný pár kapalina-pevná látka. Úhel θ se nazývá kontaktní úhel . Pokud síly interakce mezi molekulami kapaliny převyšují síly jejich interakce s molekulami pevné látky, pak se kontaktní úhel θ ukáže jako tupý (obr. 3.5.5). V tomto případě říkají, že kapalina nesmáčí povrch pevné látky. Na úplné smáčeníθ = 0, at úplné nesmáčení 6 = 180°.

Kapilární jevy nazývá se vzestup nebo pokles kapaliny v trubkách malého průměru - kapiláry. Smáčecí kapaliny stoupají kapilárami, nesmáčivé kapaliny sestupují.

Na Obr. 3.5.6 ukazuje kapiláru o určitém poloměru r, spuštěný na spodním konci do smáčecí kapaliny o hustotě ρ. Horní konec kapiláry je otevřený. Vzestup kapaliny v kapiláře pokračuje, dokud gravitační síla působící na sloupec kapaliny v kapiláře nebude mít stejnou velikost jako výslednice F n Síly povrchového napětí působící podél hranice kontaktu kapaliny s povrchem kapiláry: F t = F n, kde F t = mg = ρ hπ r 2 G, F n = σ2π r cos θ.

Z toho plyne:

Při úplném nesmáčení θ = 180° je cos θ = –1, a proto h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Voda téměř úplně smáčí čistý skleněný povrch. Naopak rtuť zcela nesmáčí povrch skla. Hladina rtuti ve skleněné kapiláře proto klesá pod hladinu v nádobce.

24) Vaporizace: definice, druhy (odpařování, var), výpočet množství tepla pro vypařování a kondenzaci, měrné teplo vypařování.

Odpařování a kondenzace. Vysvětlení jevu vypařování na základě představ o molekulární struktuře hmoty. Měrné výparné teplo. Její jednotky.

Jev přeměny kapaliny na páru se nazývá vypařování.

Vypařování - proces odpařování probíhající z otevřeného povrchu.

Molekuly kapaliny se pohybují různými rychlostmi. Pokud nějaká molekula skončí na povrchu kapaliny, může překonat přitažlivost sousedních molekul a vyletět z kapaliny. Vyvržené molekuly tvoří páru. Zbývající molekuly kapaliny při srážce mění rychlost. Některé molekuly přitom získávají rychlost dostatečnou k vylétnutí z kapaliny. Tento proces pokračuje, takže se kapaliny pomalu odpařují.

*Rychlost odpařování závisí na typu kapaliny. Ty kapaliny, jejichž molekuly jsou přitahovány menší silou, se odpařují rychleji.

* K odpařování může dojít při jakékoli teplotě. Ale při vysokých teplotách dochází k odpařování rychleji .

*Rychlost odpařování závisí na jeho povrchu.

*Při větru (proudění vzduchu) dochází k rychlejšímu odpařování.

Při vypařování se vnitřní energie snižuje, protože Během odpařování kapalina opouští rychlé molekuly, proto se průměrná rychlost zbývajících molekul snižuje. To znamená, že pokud nedochází k přílivu energie zvenčí, pak teplota kapaliny klesá.

Jev přeměny páry v kapalinu se nazývá kondenzace. Je doprovázena uvolňováním energie.

Kondenzace páry vysvětluje vznik mraků. Vodní pára stoupající nad zemí tvoří v horních studených vrstvách vzduchu mraky, které se skládají z drobných kapiček vody.

Měrné výparné teplo – fyzické hodnota ukazující, kolik tepla je potřeba k přeměně kapaliny o hmotnosti 1 kg na páru beze změny teploty.

Ud. výparné teplo označeno písmenem L a měřeno v J/kg

Ud. výparné teplo vody: L=2,3×106 J/kg, alkohol L=0,9×106

Množství tepla potřebné k přeměně kapaliny na páru: Q = Lm

Proces přenosu energie z jednoho těla do druhého bez vykonávání práce se nazývá výměnu tepla nebo přenos tepla. Mezi tělesy s různou teplotou dochází k výměně tepla. Při navázání kontaktu mezi tělesy s různou teplotou se část vnitřní energie přenese z tělesa s vyšší teplotou na těleso s teplotou nižší. Energie předaná tělesu v důsledku výměny tepla se nazývá množství tepla.

Měrná tepelná kapacita látky:

Pokud proces přenosu tepla není doprovázen prací, pak se na základě prvního termodynamického zákona množství tepla rovná změně vnitřní energie tělesa: .

Průměrná energie náhodného translačního pohybu molekul je úměrná absolutní teplotě. Změna vnitřní energie tělesa se rovná algebraickému součtu změn energie všech atomů nebo molekul, jejichž počet je úměrný hmotnosti tělesa, proto změna vnitřní energie, a tedy, množství tepla je úměrné hmotnosti a změně teploty:

Faktor úměrnosti v této rovnici se nazývá měrná tepelná kapacita látky. Měrná tepelná kapacita ukazuje, kolik tepla je potřeba k ohřátí 1 kg látky o 1 K.

Práce v termodynamice:

V mechanice je práce definována jako součin modulů síly a posunutí a kosinus úhlu mezi nimi. Práce je vykonána, když na pohybující se těleso působí síla a rovná se změně jeho kinetické energie.

V termodynamice se neuvažuje o pohybu tělesa jako celku, mluvíme o vzájemném pohybu částí makroskopického tělesa. V důsledku toho se objem tělesa mění, ale jeho rychlost zůstává rovna nule. Práce v termodynamice je definována stejně jako v mechanice, ale rovná se změně nikoli kinetické energie tělesa, ale jeho vnitřní energie.

Při vykonávání práce (komprese nebo expanze) se vnitřní energie plynu mění. Důvodem je: při pružných srážkách molekul plynu s pohybujícím se pístem se mění jejich kinetická energie.

Vypočítejme práci, kterou vykoná plyn při expanzi. Plyn působí silou na píst
, Kde - tlak plynu a - povrchová plocha píst Při expanzi plynu se píst pohybuje ve směru síly krátká vzdálenost
. Pokud je vzdálenost malá, pak lze tlak plynu považovat za konstantní. Práce plynu je:

Kde
- změna objemu plynu.

V procesu expanze plynu vykonává pozitivní práci, protože směr síly a posunutí se shodují. Během procesu expanze uvolňuje plyn energii okolním tělesům.

Práce konaná vnějšími tělesy na plynu se od práce konané plynem liší pouze znaménkem
, protože síla , působící na plyn, je opačný k síle , se kterým plyn působí na píst a je mu rovna v modulu (třetí Newtonův zákon); a pohyb zůstává stejný. Práce vnějších sil se tedy rovná:

.

První termodynamický zákon:

První termodynamický zákon je zákon zachování energie, rozšířený na tepelné jevy. Zákon zachování energie: Energie v přírodě nevzniká z ničeho a nezaniká: množství energie se nemění, pouze přechází z jedné formy do druhé.

Termodynamika uvažuje tělesa, jejichž těžiště zůstává prakticky nezměněno. Mechanická energie takových těles zůstává konstantní a měnit se může pouze vnitřní energie.

Vnitřní energie se může měnit dvěma způsoby: přenosem tepla a prací. V obecném případě se vnitřní energie mění jak v důsledku přenosu tepla, tak v důsledku vykonané práce. První termodynamický zákon je formulován právě pro takové obecné případy:

Změna vnitřní energie systému při jeho přechodu z jednoho stavu do druhého se rovná součtu práce vnějších sil a množství tepla přeneseného do systému:

Pokud je systém izolovaný, pak se na něm nepracuje a nevyměňuje si teplo s okolními tělesy. Podle prvního zákona termodynamiky vnitřní energie izolovaného systému zůstává nezměněna.

Vzhledem k tomu
První termodynamický zákon lze napsat takto:

Množství tepla přeneseného do systému mění jeho vnitřní energii a vykonává práci na vnějších tělesech systémem.

Druhý termodynamický zákon: Je nemožné přenést teplo z chladnějšího systému do teplejšího, pokud nedochází k jiným současným změnám v obou systémech nebo v okolních tělesech.