Що швидше нагріється на плиті – чайник чи відро води? Відповідь очевидна – чайник. Тоді друге питання – чому?

Відповідь не менш очевидна - тому що маса води в чайнику менша. Чудово. А тепер ви можете зробити самостійно справжнісінький фізичний досвід в домашніх умовах. Для цього вам знадобиться дві однакові невеликі каструльки, рівна кількість води та рослинної олії, наприклад, по півлітра та плита. На однаковий вогонь ставте каструльки з олією та водою. А тепер просто спостерігайте, що швидше нагріватиметься. Якщо є градусник для рідин, можна застосувати його, якщо ні, можна просто пробувати температуру іноді пальцем, тільки обережно, щоб не обпектися. У будь-якому випадку ви незабаром переконаєтеся, що масло нагрівається значно швидше води. І ще одне питання, яке теж можна продати у вигляді досвіду. Що швидше закипить – тепла вода чи холодна? Все знову очевидно – тепла буде на фініші першою. До чого всі ці дивні питання та досліди? До того щоб визначити фізичну величину, звану «кількістю теплоти».

Кількість теплоти

Кількість теплоти - це енергія, яку тіло втрачає або набуває при теплопередачі. Це зрозуміло і з назви. При охолодженні тіло втрачатиме кілька теплоти, а при нагріванні - поглинати. А відповіді на наші запитання показали нам, від чого залежить кількість теплотиПо-перше, чим більше маса тіла, тим більше теплоти треба витратити на зміну його температури на один градус. По-друге, кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла, залежить від тієї речовини, з якої воно складається, тобто від роду речовини. І по-третє, різниця температур тіла до та після теплопередачі також важлива для наших розрахунків. Виходячи з усього вищесказаного, ми можемо визначити кількість теплоти формулою:

де Q - кількість теплоти,
m - маса тіла,
(t_2-t_1) - різниця між початковою та кінцевою температурами тіла,
c - питома теплоємність речовини, що знаходиться з відповідних таблиць.

За цією формулою можна зробити розрахунок кількості теплоти, яку необхідно, щоб нагріти будь-яке тіло або яке це тіло виділить при охолодженні.

Вимірюється кількість теплоти в джоулях (1 Дж), як і будь-який вид енергії. Однак, цю величину ввели не так давно, а вимірювати кількість теплоти люди почали набагато раніше. І користувалися вони одиницею, що широко використовується й у наш час – калорія (1 кал). 1 калорія - це така кількість теплоти, яка буде потрібна для нагрівання 1 грама води на 1 градус Цельсія. Керуючись цими даними, любителі підраховувати калорії в їжі, що можуть з'їдати, можуть заради інтересу підрахувати, скільки літрів води можна закип'ятити тією енергією, яку вони споживають з їжею протягом дня.

Як відомо, при різних механічних процесах відбувається зміна механічної енергії W meh. Мірою зміни механічної енергії є робота сил, прикладених до системи:

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

Під час теплообміну відбувається зміна внутрішньої енергії тіла. Мірою зміни внутрішньої енергії при теплообміні є кількість теплоти.

Кількість теплоти- це міра зміни внутрішньої енергії, яку тіло отримує (або віддає) у процесі теплообміну.

Таким чином, і робота, і кількість теплоти характеризують зміну енергії, але не тотожні енергії. Вони не характеризують сам стан системи, а визначають процес переходу енергії з одного виду до іншого (від одного тіла до іншого) при зміні стану і істотно залежать від характеру процесу.

Основна відмінність між роботою та кількістю теплоти полягає в тому, що робота характеризує процес зміни внутрішньої енергії системи, що супроводжується перетворенням енергії з одного виду на інший (з механічної у внутрішню). Кількість теплоти характеризує процес передачі внутрішньої енергії від одних тіл до інших (від більш нагрітих до менш нагрітих), що не супроводжується перетвореннями енергії.

Досвід показує, що кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла масою mвід температури T 1 до температури T 2 , розраховується за формулою

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

де c- Питома теплоємність речовини;

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

Одиницею питомої теплоємності СІ є джоуль на кілограм-Кельвін (Дж/(кг·К)).

Питома теплоємність cчисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно повідомити тілу масою 1 кг, щоб нагріти його на 1 К.

Теплоємністьтіла C T чисельно дорівнює кількості теплоти, необхідної зміни температури тіла на 1 К:

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

Одиницею теплоємності тіла в СІ є Джоуль на Кельвін (Дж/К).

Для перетворення рідини на пару при незмінній температурі необхідно витратити кількість теплоти

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

де L- Питома теплота пароутворення. При конденсації пари виділяється така сама кількість теплоти.

Для того, щоб розплавити кристалічне тіло масою mпри температурі плавлення необхідно тілу повідомити кількість теплоти

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

де λ - Питома теплота плавлення. При кристалізації тіла така сама кількість теплоти виділяється.

Кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива масою m,

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

де q- Питома теплота згоряння.

Одиниця питомих теплот пароутворення, плавлення та згоряння в СІ – джоуль на кілограм (Дж/кг).

Література

Аксенович Л. А. Фізика у середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракіна, К. С. Фаріно; За ред. К. С. Фаріно. – Мн.: Адукація i виховування, 2004. – C. 154-155.

Поряд з механічною енергією, будь-яке тіло (або система) має внутрішню енергію. Внутрішня енергія – енергія спокою. Вона складається з теплового хаотичного руху молекул, що становлять тіло, потенційної енергії їхнього взаємного розташування, кінетичної та потенційної енергії електронів в атомах, нуклонів у ядрах і так далі.

У термодинаміці важливо знати не абсолютне значення внутрішньої енергії, яке зміну.

У термодинамічних процесах змінюється тільки кінетична енергія молекул, що рухаються (теплової енергії недостатньо, щоб змінити будову атома, а тим більше ядра). Отже, фактично під внутрішньою енергієюу термодинаміці мають на увазі енергію теплового хаотичногорух молекул.

Внутрішня енергія Uодного моля ідеального газу дорівнює:

Таким чином, внутрішня енергія залежить лише від температури. Внутрішня енергія U є функцією стану системи, незалежно від передісторії.

Зрозуміло, що в загальному випадку термодинамічна система може мати як внутрішній, так і механічну енергію, і різні системи можуть обмінюватися цими видами енергії.

Обмін механічною енергієюхарактеризується досконалою роботою А,а обмін внутрішньою енергією – кількістю переданого тепла Q.

Наприклад, узимку ви кинули у сніг гарячий камінь. За рахунок запасу потенційної енергії здійснено механічна роботаза зминання снігу, а рахунок запасу внутрішньої енергії сніг був розтоплений. Якщо камінь був холодний, тобто. температура каменю дорівнює температурі середовища, то буде виконана тільки робота, але не буде обміну внутрішньою енергією.

Отже, робота та теплота не є особливими формами енергії. Не можна говорити про запас теплоти чи роботи. Це міра переданоїіншій системі механічної чи внутрішньої енергії. Ось про запас цих енергій можна говорити. Крім того, механічна енергія може переходити в теплову енергію та назад. Наприклад, якщо стукати молотком по ковадлі, то через деякий час молоток і ковадло нагріються (це приклад дисипаціїенергії).

Можна навести ще масу прикладів перетворення однієї форми енергії на іншу.

Досвід показує, що у всіх випадках, перетворення механічної енергії на теплову і назад відбувається завжди у строго еквівалентних кількостях.У цьому полягає суть першого початку термодинаміки, що випливає із закону збереження енергії.

Кількість теплоти, що повідомляється тілу, йде на збільшення внутрішньої енергії та на здійснення тілом роботи:

- це і є перший початок термодинаміки , або закон збереження енергії у термодинаміці.

Правило знаків:якщо тепло передається від довкілля даної системи,і якщо система виконує роботу над оточуючими тілами, при цьому . Враховуючи правило знаків, перший початок термодинаміки можна записати у вигляді:

У цьому виразі U- Функція стану системи; d U- Її повний диференціал, а δ Qта δ Атакими є. У кожному стані система має певне і тільки таке значення внутрішньої енергії, тому можна записати:

,

Тепло Qта робота Азалежать від того, яким чином здійснено перехід зі стану 1 у стан 2 (ізохорисно, адіабатично і т.д.), а внутрішня енергія Uне залежить. При цьому не можна сказати, що система має певне для даного стану значення теплоти і роботи.

З формули (4.1.2) випливає, що кількість теплоти виявляється у тих самих одиницях, що й енергія, тобто. у джоулях (Дж).

Особливого значення у термодинаміці мають кругові чи циклічні процеси, у яких система, пройшовши низку станів, повертається у вихідне. На малюнку 4.1 зображено циклічний процес 1- а–2–б–1, у своїй було виконано робота А.

Мал. 4.1

Так як U- функція стану, то

Це справедливо для будь-якої функції стану.

Якщо згідно першого початку термодинаміки , тобто. не можна побудувати двигун, що періодично діє, який здійснював би більшу роботу, ніж кількість повідомленої йому ззовні енергії. Іншими словами, вічний двигунпершого роду неможливе. Це одне з формулювань першого початку термодинаміки.

Слід зазначити, що перший початок термодинаміки не вказує, в якому напрямку йдуть процеси зміни стану, що є одним із його недоліків.

Поняття про кількість теплоти сформувалося на ранніх стадіяхрозвитку сучасної фізики, коли ще не існувало виразних уявлень про внутрішній будовіречовини, про те, що таке енергія, про те, які форми енергії існують у природі і про енергію, як форму руху і перетворення матерії.

Під кількістю теплоти розуміється фізична величинаеквівалентна переданій матеріальному тілу енергії у процесі теплового обміну.

Застарілою одиницею кількості теплоти є калорія, що дорівнює 4.2 Дж, сьогодні ця одиниця практично не застосовується, а її місце зайняв джоуль.

Спочатку передбачалося, що переносником теплової енергії є якесь абсолютно невагоме середовище, що має властивості рідини. Численні фізичні завдання теплоперенесення вирішувалися і досі вирішуються з такої передумови. Існування гіпотетичного теплорода було покладено в основу безлічі правильних по суті побудов. Вважалося, що теплород виділяється і поглинається в явищах нагрівання та охолодження, плавлення та кристалізації. Вірні рівняння процесів теплообміну було отримано з неправильних фізичних концепцій. Відомий закон, згідно з яким кількість теплоти прямо пропорційна масі тіла, що бере участь у теплообміні, та градієнту температури:

Де Q – кількість теплоти, m маса тіла, а коефіцієнт з- Величина, що отримала назву питомої теплоємності. Питома теплоємність – є характеристика речовини, що бере участь у процесі.

Робота в термодинаміці

В результаті теплових процесів може відбуватися чисто механічна робота. Наприклад, нагріваючись газ збільшує свій обсяг. Візьмемо ситуацію, як на малюнку нижче:

У даному випадкумеханічна робота виявиться рівною силі тиску газу на поршень помноженої на шлях, виконаний поршнем під тиском. Зрозуміло, це найпростіший випадок. Але навіть у ньому можна помітити одну складність: сила тиску залежатиме від обсягу газу, а отже, ми маємо справу не з константами, а зі змінними величинами. Оскільки всі три змінні: тиск, температура та обсяг пов'язані один з одним, то підрахунок роботи суттєво ускладнюється. Вирізняють деякі ідеальні, нескінченно-повільні процеси: ізобарний, ізотермічний, адіабатний та ізохорний – для яких такі розрахунки можна виконати відносно просто. Будується графік залежності тиску від обсягу та робота обчислюється як інтеграл виду.

Навчальна мета: Ввести поняття кількості теплоти та питомої теплоємності.

Розвиваюча мета: Виховувати уважність; вчити думати, робити висновки.

1. Актуалізація теми

2. Пояснення нового матеріалу. 50 хв.

Вам уже відомо, що внутрішня енергія тіла може змінюватися як шляхом виконання роботи, так і теплопередачі (без виконання роботи).

Енергія, яку отримує або втрачає тіло під час теплопередачі, називають кількістю теплоти. (Запис у зошит)

Значить і одиниці виміру кількості теплоти теж Джоулі ( Дж).

Проводимо досвід: дві склянки в одному 300 г води, а в іншому 150 г і залізний циліндр масою 150 г. Обидві склянки ставляться на одну і ту ж плитку. Через деякий час термометри покажуть, що вода в посудині, де знаходиться тіло, нагрівається швидше.

Це означає, що для нагрівання 150 г залізо потрібна менше теплоти, ніж для нагрівання 150 г води.

Кількість теплоти, передана тілу, залежить від роду речовини, з якої виготовлено тіло. (Запис у зошит)

Пропонуємо питання: чи однакова кількість теплоти потрібна для нагрівання до однієї і тієї ж температури тіл рівної маси, але які складаються з різних речовин?

Проводимо досвід з приладом Тіндаля щодо визначення питомої теплоємності.

Робимо висновок: тіла з різних речовин, але однакової маси, віддають при охолодженні і вимагають при нагріванні на те саме число градусів різну кількість теплоти.

Робимо висновки:

1. Для нагрівання до однієї і тієї ж температури тіл рівної маси, що складаються з різних речовин, потрібно різна кількістьтеплоти.

2.Тіла рівної маси, що складаються з різних речовин і нагріті до однакової температури. При охолодженні на те саме число градусів віддають різну кількість теплоти.

Робимо висновок, що кількість теплоти, необхідне нагрівання на один градус одиниці мас різних речовин, буде різним.

Даємо визначення питомої теплоємності.

Фізична величина, чисельно рівна кількості теплоти, яку необхідно передати тілу масою 1 кг для того, щоб його температура змінилася на 1 градус, називається питомою теплоємністю речовини.

Вводимо одиницю виміру питомої теплоємності: 1Дж/кг*градус.

Фізичний зміст терміна : питома теплоємність показує, яку величину змінюється внутрішня енергія 1г (кг.) речовини при нагріванні чи охолодженні його за 1 градус.

Розглядаємо таблицю питомих теплоємностей деяких речовин.

Вирішуємо завдання аналітичним шляхом

Яка кількість теплоти потрібна, щоб нагріти склянку води (200 г) від 20 0 до 70 0 С.

Для нагрівання 1 г на 1 г. Потрібно - 4,2 Дж.

А для нагрівання 200 г. на 1 р. потрібно в 200 більше - 200 * 4,2 Дж.

А для нагрівання 200 г. на (70 0 -20 0) потрібно ще в (70-20) більше - 200 * (70-20) * 4,2 Дж

Підставляючи дані, отримаємо Q = 200*50*4,2 Дж=42000 Дж.

Запишемо отриману формулу через відповідні величини

4. Від чого залежить кількість теплоти, одержана тілом при нагріванні?

Звертаємо увагу, що кількість теплоти, необхідна для нагрівання будь-якого тіла, пропорційна масі тіла і зміні його температури.

Є два циліндри однакової маси: залізний та латунний. Чи однакову кількість теплоти необхідно, щоб нагріти їх на одне і те ж число градусів? Чому?

Яку кількість теплоти необхідно, щоб нагріти 250 г води від 20 о до 60 0 С.

Який зв'язок між калорією та джоулем?

Калорія – це кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання 1 г води на 1 градус.

1 кал = 4.19 = 4.2 Дж

1ккал = 1000кал

1ккал = 4190Дж = 4200Дж

3. Розв'язання задач. 28 хв.

Якщо прогріті в окропі циліндри зі свинцю, олова і стали масою 1 кг поставити на лід, то вони охолонуть, і частина льоду під ними розтане. Як зміниться внутрішня енергія циліндрів? Під яким із циліндрів розтане більше льоду, під яким – менше?

Нагрітий камінь масою 5 кг. Охолоджуючись у воді на 1 градус, передає їй 2,1 кДж енергії. Чому дорівнює питома теплоємність каменю

При загартуванні зубила його спочатку нагріли до 650 0 , потім опустили в олію, де вона стигла до 50 0 С. Яка при цьому виділилася кількість теплоти, якщо маса 500 гр.

Яка кількість теплоти пішла на нагрівання від 200 до 12200С. сталевої заготовки для колінчастого валу компресора масою 35 кг.

Самостійна робота

Який вид теплопередачі?

Учні заповнюють таблицю.

1. Повітря у кімнаті нагрівається через стіни.
2. Через відкрите вікно, до якого входить тепле повітря.
3. Через скло, що пропускає промені сонця.
4. Земля нагрівається променями сонця.
5. Рідина нагрівається на плиті.
6. Сталева ложка нагрівається від чаю.
7. Повітря нагрівається від свічки.
8. Газ рухається біля тепловиділяючих деталей машини.
9. Нагрівання стовбура кулемета.
10. Кипіння молока.

5. Домашнє завдання: Перишкін А.В. "Фізика 8" § §7, 8; Збірник завдань 7-8 Лукашик В.І. №№778-780, 792,793 2 хв.