Čo sa na sporáku rýchlejšie zohreje – rýchlovarná kanvica alebo vedro s vodou? Odpoveď je zrejmá – čajník. Potom je druhá otázka prečo?
Odpoveď nie je o nič menej zrejmá - pretože množstvo vody v kanvici je menšie. Skvelé. A teraz si môžete urobiť skutočný fyzický zážitok sami doma. Na to budete potrebovať dva rovnaké malé hrnce, rovnaké množstvo vody a rastlinného oleja, napríklad pol litra a sporák. Umiestnite hrnce s olejom a vodou na rovnaké teplo. Teraz už len sledujte, čo sa rýchlejšie zahreje. Ak máte teplomer na tekutiny, môžete ho použiť, ak nie, teplotu si môžete jednoducho z času na čas vyskúšať prstom, len pozor, aby ste sa nepopálili. V každom prípade čoskoro uvidíte, že olej sa zohrieva oveľa rýchlejšie ako voda. A ešte jedna otázka, ktorá sa dá realizovať aj formou zážitku. Čo bude vrieť rýchlejšie - teplá voda alebo studená? Všetko je opäť zrejmé – prvý bude v cieli teplý. Prečo všetky tieto zvláštne otázky a experimenty? Na určenie fyzikálnej veličiny nazývanej „množstvo tepla“.
Množstvo tepla
Množstvo tepla je energia, ktorú telo stratí alebo získa pri prenose tepla. To je jasné už z názvu. Pri ochladzovaní telo stratí určité množstvo tepla a pri zahrievaní absorbuje. A odpovede na naše otázky nám ukázali Od čoho závisí množstvo tepla? Po prvé, čím väčšia je hmotnosť telesa, tým väčšie množstvo tepla musí byť vynaložené na zmenu jeho teploty o jeden stupeň. Po druhé, množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa závisí od látky, z ktorej pozostáva, teda od typu látky. A po tretie, pre naše výpočty je dôležitý aj rozdiel telesnej teploty pred a po prestupe tepla. Na základe vyššie uvedeného môžeme určiť množstvo tepla pomocou vzorca:
kde Q je množstvo tepla,
m - telesná hmotnosť,
(t_2-t_1) - rozdiel medzi počiatočnou a konečnou telesnou teplotou,
c je merná tepelná kapacita látky zistená z príslušných tabuliek.
Pomocou tohto vzorca môžete vypočítať množstvo tepla, ktoré je potrebné na zahriatie akéhokoľvek telesa alebo ktoré toto teleso uvoľní pri ochladzovaní.
Množstvo tepla sa meria v jouloch (1 J), ako každý typ energie. Táto hodnota však bola zavedená nie tak dávno a ľudia začali merať množstvo tepla oveľa skôr. A použili jednotku, ktorá je v našej dobe široko používaná - kalória (1 cal). 1 kalória je množstvo tepla potrebné na zahriatie 1 gramu vody o 1 stupeň Celzia. Na základe týchto údajov si tí, ktorí radi počítajú kalórie v jedle, môžu len tak pre zaujímavosť vypočítať, koľko litrov vody sa dá uvariť s energiou, ktorú počas dňa skonzumujú spolu s jedlom.
Čo sa na sporáku rýchlejšie zohreje – rýchlovarná kanvica alebo vedro s vodou? Odpoveď je zrejmá – čajník. Potom je druhá otázka prečo?
Odpoveď nie je o nič menej zrejmá - pretože množstvo vody v kanvici je menšie. Skvelé. A teraz si môžete urobiť skutočný fyzický zážitok sami doma. Na to budete potrebovať dva rovnaké malé hrnce, rovnaké množstvo vody a rastlinného oleja, napríklad pol litra a sporák. Umiestnite hrnce s olejom a vodou na rovnaké teplo. Teraz už len sledujte, čo sa rýchlejšie zahreje. Ak máte teplomer na tekutiny, môžete ho použiť, ak nie, teplotu si môžete jednoducho z času na čas vyskúšať prstom, len pozor, aby ste sa nepopálili. V každom prípade čoskoro uvidíte, že olej sa zohrieva oveľa rýchlejšie ako voda. A ešte jedna otázka, ktorá sa dá realizovať aj formou zážitku. Čo bude vrieť rýchlejšie - teplá voda alebo studená? Všetko je opäť zrejmé – prvý bude v cieli teplý. Prečo všetky tieto zvláštne otázky a experimenty? Na určenie fyzikálnej veličiny nazývanej „množstvo tepla“.
Množstvo tepla
Množstvo tepla je energia, ktorú telo stratí alebo získa pri prenose tepla. To je jasné už z názvu. Pri ochladzovaní telo stratí určité množstvo tepla a pri zahrievaní absorbuje. A odpovede na naše otázky nám ukázali Od čoho závisí množstvo tepla? Po prvé, čím väčšia je hmotnosť telesa, tým väčšie množstvo tepla musí byť vynaložené na zmenu jeho teploty o jeden stupeň. Po druhé, množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa závisí od látky, z ktorej pozostáva, teda od typu látky. A po tretie, pre naše výpočty je dôležitý aj rozdiel telesnej teploty pred a po prestupe tepla. Na základe vyššie uvedeného môžeme určiť množstvo tepla pomocou vzorca:
Q=cm(t_2-t_1),
kde Q je množstvo tepla,
m - telesná hmotnosť,
(t_2-t_1) - rozdiel medzi počiatočnou a konečnou telesnou teplotou,
c je merná tepelná kapacita látky zistená z príslušných tabuliek.
Pomocou tohto vzorca môžete vypočítať množstvo tepla, ktoré je potrebné na zahriatie akéhokoľvek telesa alebo ktoré toto teleso uvoľní pri ochladzovaní.
Množstvo tepla sa meria v jouloch (1 J), ako každý typ energie. Táto hodnota však bola zavedená nie tak dávno a ľudia začali merať množstvo tepla oveľa skôr. A použili jednotku, ktorá je v našej dobe široko používaná - kalória (1 cal). 1 kalória je množstvo tepla potrebné na zahriatie 1 gramu vody o 1 stupeň Celzia. Na základe týchto údajov si tí, ktorí radi počítajú kalórie v jedle, môžu len tak pre zaujímavosť vypočítať, koľko litrov vody sa dá uvariť s energiou, ktorú počas dňa skonzumujú spolu s jedlom.
V tejto lekcii sa naučíme, ako vypočítať množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa alebo tepla uvoľneného pri ochladzovaní. K tomu zhrnieme poznatky, ktoré sme získali v predchádzajúcich lekciách.
Okrem toho sa naučíme pomocou vzorca pre množstvo tepla vyjadriť z tohto vzorca zostávajúce množstvá a vypočítať ich so znalosťou iných veličín. Zváži sa aj príklad problému s riešením výpočtu množstva tepla.
Táto lekcia je venovaná výpočtu množstva tepla, keď sa telo zahrieva alebo uvoľňuje pri ochladzovaní.
Schopnosť vypočítať požadované množstvo tepla je veľmi dôležitá. To môže byť potrebné napríklad pri výpočte množstva tepla, ktoré je potrebné odovzdať vode na vykurovanie miestnosti.
Ryža. 1. Množstvo tepla, ktoré sa musí odovzdať vode na ohrev miestnosti
Alebo na výpočet množstva tepla, ktoré sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva v rôznych motoroch:
Ryža. 2. Množstvo tepla, ktoré sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva v motore
Tieto znalosti sú potrebné napríklad aj na určenie množstva tepla, ktoré uvoľňuje Slnko a dopadá na Zem:
Ryža. 3. Množstvo tepla uvoľneného Slnkom a dopadajúceho na Zem
Na výpočet množstva tepla potrebujete vedieť tri veci (obr. 4):
- telesná hmotnosť (ktorá sa zvyčajne môže merať pomocou stupnice);
- teplotný rozdiel, o ktorý sa musí teleso zohriať alebo ochladiť (zvyčajne merané teplomerom);
- merná tepelná kapacita telesa (ktorá sa dá určiť z tabuľky).
Ryža. 4. Čo potrebujete vedieť určiť
Vzorec, podľa ktorého sa vypočíta množstvo tepla, vyzerá takto:
V tomto vzorci sa objavujú nasledujúce množstvá:
množstvo tepla merané v jouloch (J);
Špecifická tepelná kapacita látky sa meria v ;
- teplotný rozdiel, meraný v stupňoch Celzia ().
Uvažujme o probléme výpočtu množstva tepla.
Úloha
Medené sklo s hmotnosťou gramov obsahuje vodu s objemom liter pri teplote. Koľko tepla treba odovzdať poháru vody, aby sa jeho teplota vyrovnala ?
Ryža. 5. Ilustrácia problémových stavov
Najprv si zapíšeme krátku podmienku ( Dané) a previesť všetky veličiny do medzinárodného systému (SI).
|
Vzhľadom na to: |
SI |
|
|
Nájsť: |
Riešenie:
Najprv určte, aké ďalšie množstvá potrebujeme na vyriešenie tohto problému. Pomocou tabuľky mernej tepelnej kapacity (tabuľka 1) zistíme (merná tepelná kapacita medi, keďže podľa stavu je sklo meď), (merná tepelná kapacita vody, keďže podľa stavu je v skle voda). Okrem toho vieme, že na výpočet množstva tepla potrebujeme množstvo vody. Podľa stavu sa nám dáva len objem. Preto z tabuľky vezmeme hustotu vody: (Tabuľka 2).
Tabuľka 1. Merná tepelná kapacita niektorých látok,
Tabuľka 2. Hustoty niektorých kvapalín
Teraz máme všetko, čo potrebujeme na vyriešenie tohto problému.
Upozorňujeme, že konečné množstvo tepla bude pozostávať zo súčtu množstva tepla potrebného na ohrev medeného skla a množstva tepla potrebného na ohrev vody v ňom:
Najprv vypočítajme množstvo tepla potrebného na zahriatie medeného skla:
Pred výpočtom množstva tepla potrebného na ohrev vody vypočítajme hmotnosť vody pomocou vzorca, ktorý je nám známy od triedy 7:
Teraz môžeme vypočítať:
Potom môžeme vypočítať:
Pripomeňme si, čo znamenajú kilojouly. Predpona "kilo" znamená 
.
odpoveď:.
Na uľahčenie riešenia problémov zisťovania množstva tepla (takzvané priame problémy) a množstiev spojených s týmto konceptom môžete použiť nasledujúcu tabuľku.
|
Požadované množstvo |
Označenie |
Jednotky merania |
Základný vzorec |
Vzorec pre množstvo |
|
Množstvo tepla |
Vnútornú energiu termodynamického systému je možné meniť dvoma spôsobmi:
- robiť prácu na systéme,
- pomocou tepelnej interakcie.
Prenos tepla na teleso nie je spojený s vykonávaním makroskopickej práce na tele. V tomto prípade je zmena vnútornej energie spôsobená tým, že jednotlivé molekuly telesa s vyššou teplotou skutočne pôsobia na niektoré molekuly telesa, ktoré má nižšiu teplotu. V tomto prípade sa tepelná interakcia realizuje v dôsledku tepelnej vodivosti. Prenos energie je možný aj pomocou žiarenia. Systém mikroskopických procesov (týkajúcich sa nie celého tela, ale jednotlivých molekúl) sa nazýva prenos tepla. Množstvo energie, ktoré sa prenáša z jedného telesa na druhé v dôsledku prenosu tepla, je určené množstvom tepla, ktoré sa prenáša z jedného telesa na druhé.
Definícia
Teplo je energia, ktorú telo prijíma (alebo odovzdáva) v procese výmeny tepla s okolitými telesami (prostredím).
Symbolom tepla je zvyčajne písmeno Q.
Toto je jedna zo základných veličín v termodynamike. Teplo je zahrnuté v matematických vyjadreniach prvého a druhého zákona termodynamiky. Teplo sa nazýva energia vo forme molekulárneho pohybu.
Teplo môže byť odovzdané do systému (telesa), alebo sa z neho môže odoberať. Predpokladá sa, že ak sa teplo prenáša do systému, potom je to pozitívne.
Vzorec na výpočet tepla pri zmene teploty
Elementárne množstvo tepla označujeme ako . Všimnime si, že prvok tepla, ktorý systém pri malej zmene skupenstva prijíma (dáva) nie je úplný diferenciál. Dôvodom je, že teplo je funkciou procesu zmeny stavu systému.
Základné množstvo tepla, ktoré je odovzdané systému a teplota sa mení z T na T+dT, sa rovná:
kde C je tepelná kapacita telesa. Ak je príslušné teleso homogénne, potom vzorec (1) pre množstvo tepla môže byť reprezentovaný ako:
kde je merná tepelná kapacita telesa, m je hmotnosť telesa, je molárna tepelná kapacita, je molárna hmotnosť látky, je počet mólov látky.
Ak je teleso homogénne a tepelná kapacita sa považuje za nezávislú od teploty, potom množstvo tepla (), ktoré telo dostane, keď sa jeho teplota zvýši o množstvo, možno vypočítať ako:
kde t 2, t 1 telesná teplota pred a po zahriatí. Upozorňujeme, že pri hľadaní rozdielu () vo výpočtoch možno teploty nahradiť v stupňoch Celzia aj v kelvinoch.
Vzorec pre množstvo tepla počas fázových prechodov
Na prenos prvku hmoty zo stavu tuhej látky do kvapaliny by sa mu teda malo prideliť množstvo tepla () rovné:
kde je špecifické teplo topenia, dm je prvok telesnej hmotnosti. Malo by sa vziať do úvahy, že teleso musí mať teplotu rovnajúcu sa bodu topenia príslušnej látky. Počas kryštalizácie sa uvoľňuje teplo rovné (4).
Množstvo tepla (teplo vyparovania) potrebné na premenu kvapaliny na paru možno nájsť ako:
kde r je špecifické teplo vyparovania. Keď para kondenzuje, uvoľňuje sa teplo. Vyparovacie teplo sa rovná kondenzačnému teplu rovnakých hmôt látky.
Jednotky na meranie množstva tepla
Základná jednotka merania množstva tepla v sústave SI je: [Q]=J
Mimosystémová jednotka tepla, ktorá sa často nachádza v technických výpočtoch. [Q] = cal (kalória). 1 kal=4,1868 J.
Príklady riešenia problémov
Príklad
Cvičenie. Aké objemy vody treba zmiešať, aby sme získali 200 litrov vody o teplote t = 40C, ak je teplota jednej masy vody t 1 = 10 C, teplota druhej masy vody je t 2 = 60 C ?
Riešenie. Napíšme rovnicu tepelnej bilancie v tvare:
kde Q=cmt je množstvo tepla pripraveného po zmiešaní vody; Q 1 = cm 1 t 1 - množstvo tepla časti vody s teplotou t 1 a hmotnosťou m 1; Q 2 = cm 2 t 2 - množstvo tepla časti vody s teplotou t 2 a hmotnosťou m 2.
Z rovnice (1.1) vyplýva:
Pri spojení studenej (V 1) a horúcej (V 2) časti vody do jedného objemu (V) môžeme predpokladať, že:
Dostaneme teda sústavu rovníc:
Po vyriešení dostaneme:
Ako už vieme, vnútorná energia telesa sa môže meniť tak pri práci, ako aj pri prenose tepla (bez práce).
Hlavný rozdiel medzi prácou a množstvom tepla je v tom, že práca určuje proces premeny vnútornej energie systému, ktorý je sprevádzaný premenou energie z jedného druhu na druhý. V prípade, že dôjde k zmene vnútornej energie pomocou o prenos tepla , prenos energie z jedného tela do druhého sa uskutočňuje v dôsledku tepelná vodivosť , žiarenia, príp.
konvekcia Energia, ktorú telo stráca alebo získava pri prenose tepla, sa nazýva
množstvo tepla.
Budeme ohrievať dve nádoby pomocou dvoch rovnakých horákov. Jedna nádoba obsahuje 1 kg vody, druhá obsahuje 2 kg. Teplota vody v oboch nádobách je spočiatku rovnaká. Vidíme, že za ten istý čas sa voda v jednej z nádob zohreje rýchlejšie, hoci obe nádoby dostávajú rovnaké množstvo tepla.
Dospeli sme teda k záveru: čím väčšia je hmotnosť daného telesa, tým väčšie množstvo tepla sa musí vynaložiť, aby sa jeho teplota znížila alebo zvýšila o rovnaký počet stupňov.
Keď sa teleso ochladzuje, vydáva väčšie množstvo tepla susedným objektom, čím väčšia je jeho hmotnosť.
Všetci vieme, že ak potrebujeme zohriať plnú kanvicu vody na teplotu 50°C, strávime týmto úkonom menej času, ako ohrievaním kanvice s rovnakým objemom vody, ale len na 100°C. V prípade číslo jedna bude vode odovzdané menej tepla ako v prípade dva.
Množstvo tepla potrebného na vykurovanie teda priamo závisí od toho, či koľko stupňov telo sa môže zahriať. Môžeme skonštatovať: množstvo tepla priamo závisí od rozdielu telesnej teploty.
Je však možné určiť množstvo tepla potrebného na to, aby sa neohrievala voda, ale nejaká iná látka, povedzme olej, olovo alebo železo?
Naplňte jednu nádobu vodou a druhú naplňte rastlinným olejom. Hmotnosti vody a oleja sú rovnaké. Na rovnakých horákoch zohrejeme obe nádoby rovnomerne. Začnime experiment pri rovnakých počiatočných teplotách rastlinného oleja a vody. O päť minút neskôr, keď sme zmerali teploty ohriateho oleja a vody, si všimneme, že teplota oleja je oveľa vyššia ako teplota vody, hoci obe kvapaliny dostali rovnaké množstvo tepla.
Jednoznačný záver je: Pri zahrievaní rovnakých množstiev oleja a vody pri rovnakej teplote je potrebné rôzne množstvo tepla.
A hneď vyvodíme ďalší záver: množstvo tepla potrebné na zahriatie telesa priamo závisí od látky, z ktorej sa telo skladá (druh látky).
Množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa (alebo uvoľneného pri ochladzovaní) teda priamo závisí od hmotnosti telesa, premenlivosti jeho teploty a druhu látky.
Množstvo tepla je označené symbolom Q. Rovnako ako iné rôzne druhy energie, množstvo tepla sa meria v jouloch (J) alebo kilojouloch (kJ).
1 kJ = 1000 J
História však ukazuje, že vedci začali merať množstvo tepla dávno predtým, ako sa pojem energie objavil vo fyzike. V tom čase bola vyvinutá špeciálna jednotka na meranie množstva tepla - kalórie (cal) alebo kilokalórie (kcal). Slovo má latinské korene, calor - teplo.
1 kcal = 1000 kcal
Kalórie– to je množstvo tepla potrebné na zohriatie 1 g vody o 1°C
1 kal = 4,19 J ≈ 4,2 J
1 kcal = 4190 J ≈ 4200 J ≈ 4,2 kJ
Stále máte otázky? Neviete ako si spraviť domácu úlohu?
Ak chcete získať pomoc od tútora, zaregistrujte sa.
Prvá lekcia je zadarmo!
webová stránka, pri kopírovaní celého materiálu alebo jeho časti sa vyžaduje odkaz na pôvodný zdroj.