Что быстрее нагреется на плите - чайник или ведро воды? Ответ очевиден - чайник. Тогда второй вопрос - почему?

Ответ не менее очевиден - потому что масса воды в чайнике меньше. Отлично. А теперь вы можете проделать самостоятельно самый настоящий физический опыт в домашних условиях. Для этого вам понадобится две одинаковые небольшие кастрюльки, равное количество воды и растительного масла, например, по пол-литра и плита. На одинаковый огонь ставите кастрюльки с маслом и водой. А теперь просто наблюдайте, что быстрее будет нагреваться. Если есть градусник для жидкостей, можно применить его, если нет, можно просто пробовать температуру время от времени пальцем, только осторожно, чтобы не обжечься. В любом случае вы вскоре убедитесь, что масло нагревается значительно быстрее воды. И еще один вопросик, который тоже можно реализовать в виде опыта. Что быстрее закипит - теплая вода или холодная? Все снова очевидно - теплая будет на финише первой. К чему все эти странные вопросы и опыты? К тому, чтобы определить физическую величину, называемую «количеством теплоты».

Количество теплоты

Количество теплоты - это энергия, которую тело теряет или приобретает при теплопередаче. Это понятно и из названия. При остывании тело будет терять некое количество теплоты, а при нагревании - поглощать. А ответы на наши вопросы показали нам, от чего зависит количество теплоты? Во-первых, чем больше масса тела, тем большее количество теплоты надо затратить на изменение его температуры на один градус. Во-вторых, количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от того вещества, из которого оно состоит, то есть от рода вещества. И в-третьих, разность температур тела до и после теплопередачи также важна для наших расчетов. Исходя из всего вышесказанного, мы можем определить количество теплоты формулой:

где Q - количество теплоты,
m - масса тела,
(t_2-t_1) - разность между начальной и конечной температурами тела,
c - удельная теплоемкость вещества, находится из соответствующих таблиц.

По этой формуле можно произвести расчет количества теплоты, которое необходимо, чтобы нагреть любое тело или которое это тело выделит при остывании.

Измеряется количество теплоты в джоулях (1 Дж), как и всякий вид энергии. Однако, величину эту ввели не так давно, а измерять количество теплоты люди начали намного раньше. И пользовались они единицей, которая широко используется и в наше время - калория (1 кал). 1 калория - это такое количество теплоты, которое потребуется для нагреванияь 1 грамма воды на 1 градус Цельсия. Руководствуясь этими данными, любители подсчитывать калории в съедаемой пище, могут ради интереса подсчитать, сколько литров воды можно вскипятить той энергией, которую они потребляют с едой в течение дня.

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

\(~\Delta W_{meh} = A.\)

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 T 1 до температуры T 2 , рассчитывается по формуле

\(~Q = cm (T_2 - T_1) = cm \Delta T, \qquad (1)\)

где c - удельная теплоемкость вещества;

\(~c = \frac{Q}{m (T_2 - T_1)}.\)

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

\(~C_T = \frac{Q}{T_2 - T_1} = cm.\)

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

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

\(~Q = Lm, \qquad (2)\)

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

Для того чтобы расплавить кристаллическое тело массой m при температуре плавления, необходимо телу сообщить количество теплоты

\(~Q = \lambda m, \qquad (3)\)

где λ - удельная теплота плавления. При кристаллизации тела такое же количество теплоты выделяется.

Количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива массой m ,

\(~Q = qm, \qquad (4)\)

где q - удельная теплота сгорания.

Единица удельных теплот парообразования, плавления и сгорания в СИ - джоуль на килограмм (Дж/кг).

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 154-155.

Наряду с механической энергией, любое тело (или система) обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия – энергия покоя. Она складывается из теплового хаотического движения молекул, составляющих тело, потенциальной энергии их взаимного расположения, кинетической и потенциальной энергии электронов в атомах, нуклонов в ядрах и так далее.

В термодинамике важно знать не абсолютное значение внутренней энергии, а её изменение.

В термодинамических процессах изменяется только кинетическая энергия движущихся молекул (тепловой энергии недостаточно, чтобы изменить строение атома, а тем более ядра). Следовательно, фактически под внутренней энергией в термодинамике подразумевают энергию теплового хаотического движения молекул.

Внутренняя энергия U одного моля идеального газа равна:

Таким образом, внутренняя энергия зависит только от температуры. Внутренняя энергия U является функцией состояния системы, независимо от предыстории.

Понятно, что в общем случае термодинамическая система может обладать как внутренней, так и механической энергией, и разные системы могут обмениваться этими видами энергии.

Обмен механической энергией характеризуется совершенной работой А, а обмен внутренней энергией – количеством переданного тепла Q.

Например, зимой вы бросили в снег горячий камень. За счёт запаса потенциальной энергии совершена механическая работа по смятию снега, а за счёт запаса внутренней энергии снег был растоплен. Если же камень был холодный, т.е. температура камня равна температуре среды, то будет совершена только работа, но не будет обмена внутренней энергией.

Итак, работа и теплота не есть особые формы энергии. Нельзя говорить о запасе теплоты или работы. Это мера переданной другой системе механической или внутренней энергии. Вот о запасе этих энергий можно говорить. Кроме того, механическая энергия может переходить в тепловую энергию и обратно. Например, если стучать молотком по наковальне, то через некоторое время молоток и наковальня нагреются (это пример диссипации энергии).

Можно привести ещё массу примеров превращения одной формы энергии в другую.

Опыт показывает, что во всех случаях, превращение механической энергии в тепловую и обратно совершается всегда в строго эквивалентных количествах. В этом и состоит суть первого начала термодинамики, следующего из закона сохранения энергии.

Количество теплоты, сообщаемой телу, идёт на увеличение внутренней энергии и на совершение телом работы:

– это и есть первое начало термодинамики , или закон сохранения энергии в термодинамике.

Правило знаков: если тепло передаётся от окружающей среды данной системе, и если система производит работу над окружающими телами, при этом . Учитывая правило знаков, первое начало термодинамики можно записать в виде:

В этом выражении U – функция состояния системы; dU – её полный дифференциал, а δQ и δА таковыми не являются. В каждом состоянии система обладает определенным и только таким значением внутренней энергии, поэтому можно записать:

,

Важно отметить, что теплота Q и работа А зависят от того, каким образом совершен переход из состояния 1 в состояние 2 (изохорически, адиабатически и т.д.), а внутренняя энергия U не зависит. При этом нельзя сказать, что система обладает определенным для данного состояния значением теплоты и работы.

Из формулы (4.1.2) следует, что количество теплоты выражается в тех же единицах, что работа и энергия, т.е. в джоулях (Дж).

Особое значение в термодинамике имеют круговые или циклические процессы, при которых система, пройдя ряд состояний, возвращается в исходное. На рисунке 4.1 изображен циклический процесс 1–а –2–б –1, при этом была совершена работа А.

Рис. 4.1

Так как U – функция состояния, то

Это справедливо для любой функции состояния.

Если то согласно первому началу термодинамики , т.е. нельзя построить периодически действующий двигатель, который совершал бы бóльшую работу, чем количество сообщенной ему извне энергии. Иными словами, вечный двигатель первого рода невозможен. Это одна из формулировок первого начала термодинамики.

Следует отметить, что первое начало термодинамики не указывает, в каком направлении идут процессы изменения состояния, что является одним из его недостатков.

Понятие о количестве теплоты сформировалось на ранних стадиях развития современной физики, когда еще не существовало внятных представлений о внутреннем строении вещества, о том, что такое энергия, о том какие формы энергии существуют в природе и об энергии, как форме движения и превращения материи.

Под количеством теплоты понимается физическая величина эквивалентная переданной материальному телу энергии в процессе теплового обмена.

Устаревшей единицей количества теплоты является калория, равная 4.2 Дж, сегодня данная единица практически не применяется, а ее место занял джоуль.

Изначально предполагалось, что переносчиком тепловой энергии является некая совершенно невесомая среда, имеющая свойства жидкости. Многочисленные физические задачи теплопереноса решались и до сих пор решаются исходя из такой предпосылки. Существование гипотетического теплорода было положено в основу множества правильных в сущности построений. Считалось, что теплород выделяется и поглощается в явлениях нагрева и остывания, плавления и кристаллизации. Верные уравнения процессов теплообмена были получены исходя из неверных физических концепций. Известен закон, согласно которому количество теплоты прямо пропорционально массе тела, участвующего в теплообмене, и градиенту температуры:

Где Q – количество теплоты, m масса тела, а коэффициент с – величина, получившая название удельной теплоемкости. Удельная теплоемкость – есть характеристика вещества участвующего в процессе.

Работа в термодинамике

В результат тепловых процессов может совершаться чисто механическая работа. Например, нагреваясь, газ увеличивает свой объем. Возьмем ситуацию, как на рисунке ниже:

В данном случае механическая работа окажется равной силе давления газа на поршень умноженной на путь, проделанный поршнем под давлением. Разумеется, это простейший случай. Но даже в нем можно заметить одну сложность: сила давления будет зависеть от объема газа, а, значит, мы имеем дело не с константами, а с переменными величинами. Поскольку все три переменные: давление, температура и объем связаны друг с другом, то подсчет работы существенно усложняется. Выделяют некоторые идеальные, бесконечно-медленные процессы: изобарный, изотермический, адиабатный и изохорный – для которых такие расчеты можно выполнить относительно просто. Строится график зависимости давления от объема и работа вычисляется как интеграл вида.

Обучающая цель: Ввести понятия количества теплоты и удельной теплоемкости.

Развивающая цель: Воспитывать внимательность; учить думать, делать выводы.

1. Актуализация темы

2. Объяснение нового материала. 50 мин.

Вам уже известно, что внутренняя энергия тела может изменяться как путем совершения работы, так и путем теплопередачи (без совершения работы).

Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называют количеством теплоты. (запись в тетрадь)

Значит и единицы измерения количества теплоты тоже Джоули (Дж) .

Проводим опыт: два стакана в одном 300 г. воды, а в другом 150 г. и железный цилиндр массой 150 г. Оба стакана ставятся на одну и ту же плитку. Через некоторое время термометры покажут, что вода в сосуде, в котором находится тело, нагревается быстрее.

Это означает, что для нагревания 150 г. железо требуется меньше количество теплоты, чем для нагревания 150 г. воды.

Количество теплоты, переданное телу, зависит от рода вещества, из которого изготовлено тело. (запись в тетрадь)

Предлагаем вопрос: одинаковое ли количество теплоты требуется для нагревания до одной и той же температуры тел равной массы, но состоящих из разных веществ?

Проводим опыт с прибором Тиндаля по определению удельной теплоемкости.

Делаем вывод: тела из разных веществ, но одинаковой массы, отдают при охлаждении и требуют при нагревании на одно и то же число градусов разное количество теплоты.

Делаем выводы:

1. Для нагревания до одной и той же температуры тел равной массы, состоящих из разных веществ, требуется различное количество теплоты.

2.Тела равной массы, состоящие из разных веществ и нагретые до одинаковой температуры. При охлаждении на одно и тоже число градусов отдают различное количество теплоты.

Делаем заключение, что количество теплоты, необходимое для нагревания на один градус единицы масс разных веществ, будет различным.

Даем определение удельной теплоемкости.

Физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг для того, чтобы его температура изменилась на 1 градус, называется удельной теплоемкостью вещества.

Вводим единицу измерения удельной теплоемкости: 1Дж/кг*градус.

Физический смысл термина: удельная теплоемкость показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия 1г (кг.) вещества при нагревании или охлаждении его на 1 градус.

Рассматриваем таблицу удельных теплоемкостей некоторых веществ.

Решаем задачу аналитическим путем

Какое количество теплоты требуется, чтобы нагреть стакан воды (200 г.) от 20 0 до 70 0 С.

Для нагревания 1 г. на 1 г. Требуется - 4,2 Дж.

А для нагревания 200 г. на 1 г. потребуется в 200 больше - 200*4,2 Дж.

А для нагревания 200 г. на (70 0 -20 0) потребуется еще в (70-20) больше - 200 * (70-20) *4,2 Дж

Подставляя данные, получим Q = 200 * 50*4,2 Дж = 42000 Дж.

Запишем полученную формулу через соответствующие величины

4. От чего зависит количество теплоты, полученное телом при нагревании?

Обращаем внимании, что количество теплоты, необходимое для нагревания какого либо тела, пропорционально массе тела и изменению его температуры.,

Имеются два цилиндра одинаковой массы: железный и латунный. Одинаковое ли количество теплоты необходимо, чтобы нагреть их на одно и то же число градусов? Почему?

Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 250 г. воды от 20 о до 60 0 С.

Какая связь между калорией и джоулем?

Калория – это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1 градус.

1 кал = 4.19=4.2 Дж

1ккал=1000кал

1ккал=4190Дж=4200Дж

3. Решение задач. 28 мин.

Если прогретые в кипящей воде цилиндры из свинца, олова и стали массой 1 кг поставить на лед, то они охладятся, и часть льда под ними растает. Как изменится внутренняя энергия цилиндров? Под каким из цилиндров растает больше льда, под каким – меньше?

Нагретый камень массой 5 кг. Охлаждаясь в воде на 1 градус, передает ей 2,1 кДж энергии. Чему равна удельная теплоемкость камня

При закалке зубила его сначала нагрели до 650 0 , потом опустили в масло, где оно стыло до 50 0 С. Какое при этом выделилось количество теплоты, если его масса 500 гр.

Какое количество теплоты пошло на нагревание от 20 0 до 1220 0 С. стальной заготовки для коленчатого вала компрессора массой 35 кг.

Самостоятельная работа

Какой вид теплопередачи?

Учащиеся заполняют таблицу.

1. Воздух в комнате нагревается через стены.
2. Через открытое окно, в которое входит теплый воздух.
3. Через стекло, которое пропускает лучи солнца.
4. Земля нагревается лучами солнца.
5. Жидкость нагревается на плите.
6. Стальная ложка нагревается от чая.
7. Воздух нагревается от свечи.
8. Газ двигается около тепловыделяющих деталей машины.
9. Нагревание ствола пулемета.
10. Кипение молока.

5. Домашнее задание: Перышкин А.В. “Физика 8” § §7, 8; сборник задач 7-8 Лукашик В.И. №№778-780, 792,793 2 мин.