Co se na sporáku rychleji ohřeje - konvice nebo kbelík s vodou? Odpověď je zřejmá – konvička. Pak je druhá otázka proč?

Odpověď není o nic méně zřejmá – protože množství vody v konvici je menší. Skvělý. A skutečný fyzický zážitek si nyní můžete udělat sami doma. K tomu budete potřebovat dva stejné malé hrnce, stejné množství vody a rostlinného oleje, například půl litru a sporák. Hrnce s olejem a vodou postavte na stejnou teplotu. Teď už jen sledovat, co se rychleji zahřeje. Pokud máte teploměr na tekutiny, můžete jej použít, pokud ne, můžete teplotu jednoduše občas vyzkoušet prstem, jen pozor, abyste se nespálili. Každopádně brzy uvidíte, že se olej výrazně zahřívá rychlejší než voda. A ještě jedna otázka, kterou lze realizovat i formou zkušenosti. Co se bude vařit rychleji – teplá voda nebo studená? Vše je opět zřejmé – teplý bude v cíli první. Proč všechny ty podivné otázky a experimenty? K určení fyzikální veličiny zvané „množství tepla“.

Množství tepla

Množství tepla je energie, kterou tělo ztrácí nebo získává při přenosu tepla. To je jasné už z názvu. Při ochlazování tělo ztratí určité množství tepla a při zahřívání absorbuje. A odpovědi na naše otázky nám ukázaly Na čem závisí množství tepla? Za prvé, čím větší je hmotnost tělesa, tím větší množství tepla musí být vynaloženo na změnu jeho teploty o jeden stupeň. Za druhé, množství tepla potřebného k zahřátí tělesa závisí na látce, ze které se skládá, tedy na typu látky. A za třetí, pro naše výpočty je důležitý i rozdíl tělesné teploty před a po přenosu tepla. Na základě výše uvedeného můžeme určete množství tepla pomocí vzorce:

kde Q je množství tepla,
m - tělesná hmotnost,
(t_2-t_1) - rozdíl mezi počáteční a konečnou tělesnou teplotou,
c je měrná tepelná kapacita látky zjištěná z odpovídajících tabulek.

Pomocí tohoto vzorce můžete vypočítat množství tepla, které je nutné k zahřátí jakéhokoli tělesa nebo které toto těleso uvolní při ochlazování.

Množství tepla se měří v joulech (1 J), jako každý typ energie. Tato hodnota však nebyla zavedena tak dávno a lidé začali měřit množství tepla mnohem dříve. A použili jednotku, která je v naší době široce používána - kalorie (1 cal). 1 kalorie je množství tepla potřebné k zahřátí 1 gramu vody o 1 stupeň Celsia. Na základě těchto údajů si ti, kteří rádi počítají kalorie v jídle, které konzumují, mohou pro zábavu spočítat, kolik litrů vody lze uvařit s energií, kterou během dne spotřebují s jídlem.

Jak je známo, během různých mechanických procesů dochází ke změně mechanické energie W meh. Měřítkem změny mechanické energie je práce sil působících na systém:

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

Při výměně tepla dochází ke změně vnitřní energie těla. Měřítkem změny vnitřní energie při přenosu tepla je množství tepla.

Množství tepla je mírou změny vnitřní energie, kterou těleso přijímá (nebo odevzdává) během výměny tepla.

Práce i množství tepla tedy charakterizují změnu energie, ale nejsou totožné s energií. Necharakterizují stav samotného systému, ale určují proces energetického přechodu z jednoho typu do druhého (z jednoho tělesa do druhého), kdy se stav mění a výrazně závisí na povaze procesu.

Hlavní rozdíl mezi prací a množstvím tepla spočívá v tom, že práce charakterizuje proces změny vnitřní energie systému, doprovázený přeměnou energie z jednoho typu na druhý (z mechanické na vnitřní). Množství tepla charakterizuje proces přenosu vnitřní energie z jednoho tělesa do druhého (od více zahřátého k méně zahřátému), neprovázený energetickými přeměnami.

Zkušenosti ukazují, že množství tepla potřebné k zahřátí tělesné hmoty m na teplotě T 1 na teplotu T 2, vypočítané podle vzorce

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

Kde C- měrná tepelná kapacita látky;

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

Jednotkou SI měrné tepelné kapacity je joule na kilogram Kelvina (J/(kg K)).

Specifické teplo C se číselně rovná množství tepla, které musí být předáno tělesu o hmotnosti 1 kg, aby se zahřálo o 1 K.

Tepelná kapacita tělo C T se numericky rovná množství tepla potřebného ke změně tělesné teploty o 1 K:

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

Jednotkou SI tepelné kapacity tělesa je joule na Kelvin (J/K).

K přeměně kapaliny na páru při konstantní teplotě je nutné vydat určité množství tepla

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

Kde L- specifické výparné teplo. Při kondenzaci páry se uvolňuje stejné množství tepla.

Za účelem roztavení krystalického tělesa vážení m při bodu tání potřebuje tělo sdělit množství tepla

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

Kde λ - specifické teplo tání. Když těleso krystalizuje, uvolňuje se stejné množství tepla.

Množství tepla uvolněného během úplného spálení hmoty paliva m,

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

Kde q- měrné spalné teplo.

Jednotkou SI měrných tepl vypařování, tání a hoření je joule na kilogram (J/kg).

Literatura

Aksenovich L. A. Fyzika na střední škole: Teorie. Úkoly. Testy: Učebnice. příspěvek pro instituce poskytující všeobecné vzdělávání. prostředí, výchova / L. A. Aksenovič, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - S. 154-155.

Spolu s mechanickou energií má každé tělo (nebo systém) vnitřní energii. Vnitřní energie je energie odpočinku. Skládá se z tepelného chaotického pohybu molekul tvořících těleso, potenciální energie jejich vzájemného uspořádání, kinetické a potenciální energie elektronů v atomech, nukleonů v jádrech a tak dále.

V termodynamice je důležité znát nikoli absolutní hodnotu vnitřní energie, ale její změnu.

V termodynamických procesech se mění pouze kinetická energie pohybujících se molekul (tepelná energie nestačí ke změně struktury atomu, tím méně jádra). Proto ve skutečnosti pod vnitřní energií v termodynamice máme na mysli energii tepelný chaos molekulární pohyby.

Vnitřní energie U jeden mol ideálního plynu se rovná:

Tím pádem, vnitřní energie závisí pouze na teplotě. Vnitřní energie U je funkcí stavu systému, bez ohledu na pozadí.

Je jasné, že v obecném případě může mít termodynamický systém vnitřní i mechanickou energii a různé systémy si mohou tyto druhy energie vyměňovat.

Výměna mechanická energie vyznačující se dokonalým práce A, a výměna vnitřní energie – množství přeneseného tepla Q.

Například v zimě jste hodili horký kámen do sněhu. Vzhledem k zásobě potenciální energie, mechanická práce drcením sněhu a díky zásobě vnitřní energie došlo k tání sněhu. Pokud byl kámen studený, tzn. Pokud je teplota kamene rovna teplotě média, pak se bude pouze pracovat, ale nedojde k výměně vnitřní energie.

Práce a teplo tedy nejsou zvláštní formy energie. Nelze mluvit o rezervě tepla nebo práce. Tento míra přeneseného jiný systém mechanické nebo vnitřní energie. Můžeme mluvit o rezervě těchto energií. Kromě toho může být mechanická energie přeměněna na tepelnou energii a naopak. Pokud například udeříte kladivem do kovadliny, po chvíli se kladivo a kovadlina zahřejí (toto je příklad rozptyl energie).

Můžeme uvést mnohem více příkladů přeměny jedné formy energie na jinou.

Zkušenosti ukazují, že ve všech případech Přeměna mechanické energie na energii tepelnou a naopak probíhá vždy v přísně ekvivalentních množstvích. To je podstata prvního termodynamického zákona, který vyplývá ze zákona zachování energie.

Množství tepla předávaného tělu zvyšuje vnitřní energii a vykonává práci na těle:

- Tak to je první zákon termodynamiky nebo zákon zachování energie v termodynamice.

Podepsat pravidlo: pokud se teplo přenáší z životní prostředí tento systém, a pokud systém vykonává práci na okolních tělesech, v tomto případě . S přihlédnutím ke znaménkovému pravidlu lze první termodynamický zákon zapsat jako:

V tomto výrazu U– funkce stavu systému; d U je jeho celkový diferenciál a δ Q a 5 A nejsou. V každém stavu má systém určitou a pouze tuto hodnotu vnitřní energie, takže můžeme psát:

,

Je důležité si uvědomit, že teplo Q a práce A závisí na tom, jak je proveden přechod ze stavu 1 do stavu 2 (izochoricky, adiabaticky atd.), a na vnitřní energii U nezávisí. Nelze přitom říci, že by systém měl pro daný stav konkrétní hodnotu tepla a práce.

Ze vzorce (4.1.2) vyplývá, že množství tepla se vyjadřuje ve stejných jednotkách jako práce a energie, tzn. v joulech (J).

V termodynamice mají zvláštní význam kruhové nebo cyklické procesy, při kterých se systém po průchodu řadou stavů vrací do původního stavu. Obrázek 4.1 ukazuje cyklický proces 1– A–2–b–1, zatímco byla provedena práce A.

Rýže. 4.1

Protože U je tedy státní funkcí

To platí pro jakoukoli státní funkci.

Jestliže pak podle prvního termodynamického zákona, tzn. Je nemožné sestrojit periodicky pracující motor, který by vykonal více práce, než je množství energie, které je mu předáváno zvenčí. Jinými slovy, stroj na věčný pohyb první druh je nemožný. Toto je jedna z formulací prvního zákona termodynamiky.

Je třeba poznamenat, že první termodynamický zákon neuvádí, kterým směrem probíhají procesy změny stavu, což je jeden z jeho nedostatků.

Koncept množství tepla byl vytvořen na raná stadia rozvoje moderní fyziky, kdy neexistovaly jasné představy o vnitřní struktura látky, co je to energie, jaké formy energie existují v přírodě a energie jako forma pohybu a přeměny hmoty.

Množství tepla znamená Fyzické množství ekvivalentní energii přenesené na hmotné těleso v procesu výměny tepla.

Zastaralá jednotka tepla je kalorie, rovná se 4,2 J, dnes se tato jednotka prakticky nepoužívá a její místo zaujal joule.

Zpočátku se předpokládalo, že nositelem tepelné energie je nějaké zcela beztížné médium s vlastnostmi kapaliny. Na základě tohoto předpokladu byly a stále jsou řešeny četné fyzikální problémy přenosu tepla. Existence hypotetických kalorií byla základem mnoha v podstatě správných konstrukcí. Věřilo se, že kalorie se uvolňují a absorbují při jevech zahřívání a chlazení, tání a krystalizace. Správné rovnice pro procesy přenosu tepla byly získány na základě nesprávných fyzikálních konceptů. Existuje známý zákon, podle kterého je množství tepla přímo úměrné hmotnosti tělesa účastnícího se výměny tepla a teplotnímu gradientu:

Kde Q je množství tepla, m je tělesná hmotnost a koeficient S– veličina zvaná měrná tepelná kapacita. Měrná tepelná kapacita je charakteristikou látky, která se účastní procesu.

Práce v termodynamice

V důsledku tepelných procesů lze provádět čistě mechanickou práci. Například když se plyn zahřeje, zvětší svůj objem. Vezměme si situaci jako na obrázku níže:

V v tomto případě mechanická práce bude rovna síle tlaku plynu na píst vynásobené dráhou, kterou píst pod tlakem urazí. To je samozřejmě ten nejjednodušší případ. Ale i v něm lze zaznamenat jednu potíž: tlaková síla bude záviset na objemu plynu, což znamená, že nemáme co do činění s konstantami, ale s proměnnými veličinami. Protože všechny tři proměnné: tlak, teplota a objem spolu souvisejí, výpočetní práce se výrazně zkomplikuje. Existují některé ideální, nekonečně pomalé procesy: izobarické, izotermické, adiabatické a izochorické – pro které lze takové výpočty provádět relativně jednoduše. Vynese se graf závislosti tlaku na objemu a práce se vypočte jako integrál tvaru.

Učební cíl: Seznámit se s pojmy množství tepla a měrná tepelná kapacita.

Rozvojový cíl: Pěstovat pozornost; naučit myslet, vyvozovat závěry.

1. Aktualizace tématu

2. Vysvětlení nového materiálu. 50 min.

Už víte, že vnitřní energie tělesa se může měnit jak vykonáváním práce, tak přenosem tepla (bez vykonávání práce).

Energie, kterou tělo při přenosu tepla získá nebo ztratí, se nazývá množství tepla. (pište do sešitu)

To znamená, že jednotkami pro měření množství tepla jsou také jouly ( J).

Provádíme experiment: dvě sklenice v jedné s 300 g vody a ve druhé se 150 g a železný válec o hmotnosti 150 g Obě sklenice jsou umístěny na stejné dlaždici. Po nějaké době teploměry ukážou, že voda v nádobě, ve které se tělo nachází, se ohřívá rychleji.

To znamená, že ohřev 150 g železa vyžaduje méně tepla než ohřev 150 g vody.

Množství tepla přeneseného do tělesa závisí na typu látky, ze které je těleso vyrobeno. (pište do sešitu)

Klademe si otázku: je potřeba stejné množství tepla k zahřátí těles o stejné hmotnosti, která se skládají z různých látek, na stejnou teplotu?

Provádíme experiment s Tyndallovým zařízením ke stanovení specifické tepelné kapacity.

Došli jsme k závěru: tělesa z různých látek, ale o stejné hmotnosti, se při ochlazení vzdají a při zahřátí o stejný počet stupňů vyžadují různé množství tepla.

Vyvodíme závěry:

1. K zahřátí těles o stejné hmotnosti, skládajících se z různých látek, na stejnou teplotu, je potřeba různé množství teplo.

2. Tělesa stejné hmotnosti, skládající se z různých látek a zahřátá na stejnou teplotu. Při ochlazení o stejný počet stupňů se uvolňuje různé množství tepla.

Z toho vyvozujeme množství tepla potřebného k zahřátí jednotkové hmoty různých látek o jeden stupeň se bude lišit.

Uvádíme definici měrné tepelné kapacity.

Fyzikální veličina, která se číselně rovná množství tepla, které je nutné předat tělesu o hmotnosti 1 kg, aby se jeho teplota změnila o 1 stupeň, se nazývá měrná tepelná kapacita látky.

Zadejte měrnou jednotku pro měrnou tepelnou kapacitu: 1J/kg*stupeň.

Fyzikální význam pojmu : Měrná tepelná kapacita udává, o kolik se změní vnitřní energie 1g (kg) látky při jejím zahřátí nebo ochlazení o 1 stupeň.

Podívejme se na tabulku měrných tepelných kapacit některých látek.

Problém řešíme analyticky

Kolik tepla je potřeba k zahřátí sklenice vody (200 g) z 20 0 na 70 0 C.

K zahřátí 1 g na 1 g je zapotřebí 4,2 J.

A zahřátí 200 g na 1 g bude trvat dalších 200 - 200 * 4,2 J.

A zahřátí 200 g o (70 0 -20 0) bude trvat dalších (70-20) více - 200 * (70-20) * 4,2 J

Dosazením dat dostaneme Q = 200 * 50 * 4,2 J = 42000 J.

Zapišme výsledný vzorec z hlediska odpovídajících veličin

4. Co určuje množství tepla přijatého tělesem při zahřátí?

Vezměte prosím na vědomí, že množství tepla potřebné k zahřátí jakéhokoli tělesa je úměrné hmotnosti tělesa a změně jeho teploty.,

Existují dva válce stejné hmotnosti: železný a mosazný. Je k jejich zahřátí potřeba stejné množství tepla na stejný počet stupňů? Proč?

Jaké množství tepla je potřeba k ohřevu 250 g vody z 20 o na 60 0 C.

Jaký je vztah mezi kaloriemi a jouly?

Kalorie je množství tepla potřebné k ohřátí 1 g vody o 1 stupeň.

1 kal = 4,19 = 4,2 J

1kcal=1000cal

1 kcal=4190J=4200J

3. Řešení problémů. 28 min.

Pokud se válce z olova, cínu a oceli o hmotnosti 1 kg zahřáté ve vroucí vodě položí na led, ochladí se a část ledu pod nimi roztaje. Jak se změní vnitřní energie válců? Pod kterým válcem se roztaví? více ledu, pod kterým – méně?

Nahřátý kámen o hmotnosti 5 kg. Chlazením ve vodě o 1 stupeň jí předá 2,1 kJ energie. Jaká je měrná tepelná kapacita kamene?

Při kalení se sekáč nejprve zahřál na 650 0, poté se spustil do oleje, kde se ochladil na 50 0 C. Jaké množství tepla se uvolnilo, když jeho hmotnost byla 500 gramů.

Kolik tepla bylo použito k ohřevu ocelového polotovaru pro klikovou hřídel kompresoru o hmotnosti 35 kg z 20 0 na 1220 0 C.

Samostatná práce

Jaký typ přenosu tepla?

Studenti vyplní tabulku.

1. Vzduch v místnosti se ohřívá přes stěny.
2. Otevřeným oknem, do kterého vstupuje teplý vzduch.
3. Skrz sklo, které propouští sluneční paprsky.
4. Země je zahřívána slunečními paprsky.
5. Kapalina se zahřívá na sporáku.
6. Ocelová lžička se zahřívá čajem.
7. Vzduch se ohřívá svíčkou.
8. Plyn se pohybuje v blízkosti částí stroje vytvářejících palivo.
9. Vyhřívání hlavně kulometu.
10. Vroucí mléko.

5. Domácí práce: Peryshkin A.V. „Fyzika 8“ § § 7, 8; sbírka úloh 7-8 Lukashik V.I. č. 778-780, 792,793 2 min.