Теплоємність- Це кількість теплоти, що поглинається тілом при нагріванні на 1 градус.

Теплоємність тіла позначається великою латинською літерою З.

Від чого залежить теплоємність тіла? Насамперед, від його маси. Зрозуміло, що для нагрівання, наприклад, 1 кілограм води потрібно більше тепла, ніж для нагрівання 200 грамів.

А від роду речовини? Зробимо досвід. Візьмемо дві однакові судини і, наливши в одну з них воду масою 400 г, а в іншій - рослинне масло масою 400 г, почнемо їх нагрівати за допомогою однакових пальників. Спостерігаючи за показаннями термометрів, ми побачимо, що олія нагрівається швидке. Щоб нагріти воду та олію до однієї і тієї ж температури, воду слід нагрівати довше. Але чим довше ми нагріваємо воду, тим більше теплоти вона отримує від пальника.

Таким чином, для нагрівання однієї і тієї ж маси різних речовин до однакової температури потрібна різна кількість теплоти. Кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла і, отже, його теплоємність залежить від роду речовини, з якого складається це тіло.

Так, наприклад, щоб збільшити на 1°С температуру води масою 1 кг, потрібна кількість теплоти, що дорівнює 4200 Дж, а для нагрівання на 1°С такої ж маси соняшникової оліїнеобхідна кількість теплоти, що дорівнює 1700 Дж.

Фізична величина, що показує, скільки теплоти потрібно для нагрівання 1 кг речовини на 1 ºС, називається питомою теплоємністюцієї речовини.

У кожної речовини своя питома теплоємність, яка позначається латинською літерою с і вимірюється в джоулях на кілограм-градус (Дж/(кг · ° С)).

Питома теплоємність однієї й тієї ж речовини в різних агрегатних станах (твердому, рідкому та газоподібному) різна. Наприклад, питома теплоємність води дорівнює 4200 Дж/(кг · ºС), а питома теплоємність льоду 2100 Дж/(кг · °С); алюміній у твердому стані має питому теплоємність, що дорівнює 920 Дж/(кг - °С), а в рідкому - 1080 Дж/(кг - °С).

Зауважимо, що вода має дуже велику питому теплоємність. Тому вода в морях та океанах, нагріваючись влітку, поглинає з повітря велика кількістьтепла. Завдяки цьому в тих місцях, які розташовані поблизу великих водойм, літо не буває таким спекотним, як у місцях віддалених від води.

Розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла або виділеного ним при охолодженні.

З вищевикладеного ясно, що кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла, залежить від роду речовини, з якого складається тіло (тобто його питомої теплоємності), і зажадав від маси тіла. Зрозуміло також, що кількість теплоти залежить від того, скільки градусів ми збираємося збільшити температуру тіла.

Отже, щоб визначити кількість теплоти, необхідну для нагрівання тіла або виділене ним при охолодженні, потрібно питому теплоємність тіла помножити на його масу і на різницю між кінцевою і початковою температурами:

Q= cm (t 2 -t 1),

де Q- кількість теплоти, c- Питома теплоємність, m- Маса тіла, t 1- Початкова температура, t 2- Кінцева температура.

При нагріванні тіла t 2> t 1і, отже, Q >0 . При охолодженні тіла t 2і< t 1і, отже, Q< 0 .

Якщо відома теплоємність всього тіла З, Qвизначається за формулою: Q = C (t 2 - t 1).

22) Плавання: визначення, розрахунок кількості теплоти на плавлення чи затвердіння, питома теплота плавлення, графік залежності t 0 (Q).

Термодинаміка

Розділ молекулярної фізики, що вивчає передачу енергії, закономірності перетворення одних видів енергії на інші. На відміну від молекулярно-кінетичної теорії, в термодинаміці не враховується внутрішня будова речовин та мікропараметри.

Термодинамічна система

Це сукупність тіл, які обмінюються енергією (у формі роботи або теплоти) один з одним або навколишнім середовищем. Наприклад, вода в чайнику остигає, відбувається обмін теплотою води з чайником та чайника з навколишнім середовищем. Циліндр з газом під поршнем: поршень виконує роботу, внаслідок чого газ отримує енергію, і змінюються його макропараметри.

Кількість теплоти

Це енергія, що отримує або віддає система в процесі теплообміну. Позначається символом Q, вимірюється, як і будь-яка енергія, в Джоулях.

Внаслідок різних процесів теплообміну енергія, що передається, визначається по-своєму.

Нагрівання та охолодження

Цей процес характеризується зміною температури системи. Кількість теплоти визначається за формулою

Питома теплоємність речовини звимірюється кількістю теплоти, яка необхідна для нагрівання одиниці масицієї речовини на 1К. Для нагрівання 1 кг скла або 1 кг води потрібно різна кількістьенергії. Питома теплоємність - відома, вже обчислена всім речовин величина, значення дивитися у фізичних таблицях.

Теплоємність речовини С- це кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла без урахування його маси на 1К.

Плавлення та кристалізація

Плавлення - перехід речовини з твердого стану рідке. Зворотний перехід називається кристалізацією.

Енергія, що витрачається на руйнування кристалічних ґрат речовини, визначається за формулою

Питома теплотаплавлення відома для кожної речовини величина, значення дивитися у фізичних таблицях.

Пароутворення (випар або кипіння) та конденсація

Пароутворення - це перехід речовини з рідкого (твердого) стану газоподібне. Зворотний процес називається конденсацією.

Питома теплота пароутворення відома кожної речовини величина, значення дивитися у фізичних таблицях.

Горіння

Кількість теплоти, що виділяється при згорянні речовини

Питома теплота згоряння відома кожної речовини величина, значення дивитися у фізичних таблицях.

Для замкнутої та адіабатично ізольованої системи тіл виконується рівняння теплового балансу. Алгебраїчна сума кількостей теплоти, відданих та отриманих усіма тілами, що беруть участь у теплообміні, дорівнює нулю:

Q 1 +Q 2 +...+Q n =0

23) Будова рідин. Поверхневий шар. Сила поверхневого натягу: приклади прояву, розрахунок, коефіцієнт поверхневого натягу.

Іноді будь-яка молекула може переміститися у сусіднє вакантне місце. Такі перескоки у рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрів, як у кристалах, і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Через сильну взаємодію між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) упорядковані групи, що містять декілька молекул. Це явище називається ближнім порядком(Рис. 3.5.1).

Коефіцієнт β називають температурним коефіцієнтом об'ємного розширення . Цей коефіцієнт у рідин у десятки разів більший, ніж у твердих тіл. У води, наприклад, при температурі 20 °С ? - 1 .

Теплове розширення води має цікаву та важливу для життя на Землі аномалію. За температури нижче 4 °С вода розширюється при зниженні температури (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

При замерзанні вода розширюється, тому лід залишається плавати на поверхні замерзаючої водойми. Температура води, що замерзає, під льодом дорівнює 0 °С. У більш щільних шарах води біля дна водоймища температура виявляється близько 4 °С. Завдяки цьому життя може існувати у воді водойм, що замерзають.

Найбільш цікавою особливістюрідин є наявність вільної поверхні . Рідина, на відміну від газів, не заповнює весь обсяг посудини, в яку вона налита. Між рідиною і газом (або парою) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовах у порівнянні з рештою маси рідини. . Якщо молекула переміститься із поверхні всередину рідини, сили міжмолекулярної взаємодії зроблять позитивну роботу. Навпаки, щоб витягнути деяку кількість молекул із глибини рідини на поверхню (тобто збільшити площу поверхні рідини), зовнішні сили повинні здійснити позитивну роботу Δ Aзовніш, пропорційну зміні Δ Sплощі поверхні:

Із механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення її потенційної енергії. Звідси випливає, що вільна поверхня рідини прагне скоротити свою площу. З цієї причини вільна крапля рідини набуває кулястої форми. Рідина поводиться так, ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу .

Наявність сил поверхневого натягу робить поверхню рідини схожою на пружну розтягнуту плівку, з тією різницею, що пружні сили в плівці залежать від площі її поверхні (тобто від того, як плівка деформована), а сили поверхневого натягу не залежатьвід площі поверхні рідини.

Деякі рідини, як, наприклад, мильна вода, мають здатність утворювати тонкі плівки. Всім добре відомі мильні бульбашки мають правильну сферичну форму - у цьому також проявляється дія сил поверхневого натягу. Якщо в мильний розчинопустити дротяну рамку, одна із сторін якої рухома, то вся вона затягнеться плівкою рідини (рис. 3.5.3).

Сили поверхневого натягу прагнуть скоротити поверхню плівки. Для рівноваги рухомої сторони рамки до неї потрібно докласти зовнішню силу. Якщо під дією сили поперечина переміститься на Δ x, то буде проведена робота Δ Aвн = Fвн Δ x = Δ E p = σΔ S, де Δ S = 2LΔ x- Збільшення площі поверхні обох сторін мильної плівки. Оскільки модулі сил і однакові, можна записати:

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу σ може бути визначений як модуль сили поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини лінії, що обмежує поверхню.

Через дію сил поверхневого натягу в краплях рідини та всередині мильних бульбашок виникає надлишковий тиск Δ p. Якщо подумки розрізати сферичну краплю радіусу Rна дві половинки, кожна з них повинна перебувати в рівновазі під дією сил поверхневого натягу, прикладених до межі розрізу довжиною 2π Rі сил надлишкового тиску, що діють на площу R 2 перерізи (рис. 3.5.4). Умова рівноваги записується як

Якщо ці сили більші за сили взаємодії між молекулами самої рідини, то рідина змочуєПоверхня твердого тіла. У цьому випадку рідина підходить до поверхні твердого тіла під деяким гострим кутом θ, характерним для цієї пари рідина – тверде тіло. Кут θ називається крайовим кутом . Якщо сили взаємодії між молекулами рідини перевершують сили їхньої взаємодії з молекулами твердого тіла, то крайовий кут θ виявляється тупим (рис. 3.5.5). У цьому випадку кажуть, що рідина не змочуєПоверхня твердого тіла. При повному змочуванніθ = 0, при повному незмочуванніθ = 180 °.

Капілярними явищаминазивають підйом чи опускання рідини в трубках малого діаметра – капілярах. Змочують рідини піднімаються по капілярах, незмочують - опускаються.

На рис. 3.5.6 зображено капілярну трубку деякого радіусу r, опущена нижнім кінцем у змочуючу рідину щільності ρ. Верхній кінець капіляра відкрито. Підйом рідини в капілярі триває до тих пір, поки сила тяжіння, що діє на стовп рідини в капілярі, не стане рівною по модулю результуючої. Fн сил поверхневого натягу, що діють уздовж межі зіткнення рідини з поверхнею капіляра: Fт = Fн, де Fт = mg = ρ hπ r 2 g, Fн = σ2π r cos θ.

Звідси випливає:

При повному незмочуванні θ = 180 °, cos θ = -1 і, отже, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Вода майже повністю змочує чисту поверхню скла. Навпаки, ртуть не змочує скляну поверхню. Тому рівень ртуті у скляному капілярі опускається нижче рівня судини.

24) Пароутворення: визначення, види (випаровування, кипіння), розрахунок кількості теплоти на пароутворення та конденсацію, питома теплота пароутворення.

Випаровування та конденсація. Пояснення явища випаровування на основі уявлень про молекулярну будову речовини. Питома теплота пароутворення. Її одиниці.

Явище перетворення рідини на пару називається пароутворенням.

Випаровування -процес пароутворення, що відбувається з відкритої поверхні.

Молекули рідини рухаються із різними швидкостями. Якщо якась молекула опиниться біля поверхні рідини, вона може подолати тяжіння сусідніх молекул і вилетіти з рідини. молекули, Що Вилетіли, утворюють пару. У молекул рідини, що залишилися, при зіткненні змінюються швидкості. Деякі молекули при цьому набувають швидкості, достатньої для того, щоб вилетіти з рідини. Цей процес продовжується, тому рідини випаровуються повільно.

*Швидкість випаровування залежить від роду рідини. Швидше випаровуються ті рідини, у яких молекул притягуються з меншою силою.

*Випар може відбуватися за будь-якої температури. Але при високих температурахвипаровування відбувається швидше .

*Швидкість випаровування залежить від площі її поверхні.

*При вітрі (потоку повітря) випаровування відбувається швидше.

При випаровуванні внутрішня енергія зменшується, т.к. при випаровуванні рідина залишають швидкі молекули, отже, середня швидкість інших молекул зменшується. Значить, якщо немає припливу енергії ззовні, то температура рідини зменшується.

Явище перетворення пари на рідину називається конденсацією. Вона супроводжується виділенням енергії.

Конденсацією пари пояснюється утворення хмар. Пари води, що піднімаються над землею, утворюють у верхніх холодних шарах повітря хмари, які складаються з найдрібніших крапель води.

Питома теплота пароутворення - Фіз. величина, що показує яку кількість теплоти необхідно, щоб звернути рідину масою 1 кг у пару без зміни температури.

Уд. теплоту пароутворення позначають буквою L і вимірюється Дж/кг

Уд. теплоту пароутворення води: L=2,3×10 6 Дж/кг, спирт L=0,9×10 6

Кількість теплоти, необхідне перетворення рідини на пар: Q = Lm

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 та про енергію, як форму руху і перетворення матерії.

Під кількістю теплоти розуміється фізична величина, еквівалентна переданій матеріальному тілу енергії в 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.

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 лише 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 механічну роботу зі 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 навколишнього середовища 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 до стану 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 ряд 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

Оскільки 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.

1. Зміна внутрішньої енергії шляхом роботи характеризується величиною роботи, тобто. робота є мірою зміни внутрішньої енергії у цьому процесі. Зміна внутрішньої енергії тіла при теплопередачі характеризується величиною, яка називається кількістю теплоти.

Кількість теплоти називається зміна внутрішньої енергії тіла в процесі теплопередачі без виконання роботи.

Кількість теплоти позначають буквою (Q). Оскільки кількість теплоти є мірою зміни внутрішньої енергії, його одиницею є джоуль (1 Дж).

При передачі тілу деякої кількості теплоти без роботи його внутрішня енергія збільшується, якщо тіло віддає певну кількість теплоти, його внутрішня енергія зменшується.

2. Якщо в дві однакові судини налити в один 100 г води, а в іншій 400 г при одній і тій же температурі і поставити їх на однакові пальники, то раніше закипить вода в першій посудині. Таким чином, що більша маса тіла, то більша кількість теплоти потрібна йому для нагрівання. Те саме і з охолодженням: тіло більшої маси при охолодженні віддає більшу кількість теплоти. Ці тіла зроблені з однієї і тієї ж речовини і нагріваються вони або охолоджуються на те саме число градусів.

​3. Якщо тепер нагрівати 100 р води від 30 до 60 °З, тобто. на 30 °С, та був до 100 °З, тобто. на 70 °С, то в першому випадку на нагрівання піде менше часу, ніж у другому, і, відповідно, на нагрівання води на 30 °С, буде витрачено менше теплоти, ніж на нагрівання води на 70 °С. Таким чином, кількість теплоти прямо пропорційно різниці кінцевої ((t_2\,^\circ C) \) і початкової \((t_1\,^\circ C) \) температур: (Q\sim(t_2- t_1) \) .

4. Якщо тепер в один посуд налити 100 г води, а в інший такий самий посуд налити трохи води і покласти в неї таке металеве тіло, щоб його маса і маса води становили 100 г, і нагрівати судини на однакових плитках, то можна помітити, що в посудині, в якій знаходиться тільки вода, температура буде нижчою, ніж у тій, у якій знаходяться вода та металеве тіло. Отже, щоб температура вмісту в обох судинах була однаковою, потрібно воді передати більшу кількість теплоти, ніж воді та металевому тілу. Таким чином, кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла, залежить від роду речовини, з якої це тіло зроблено.

5. Залежність кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла від роду речовини характеризується фізичною величиноюзваної питомою теплоємністю речовини.

Фізична величина, що дорівнює кількості теплоти, яку необхідно повідомити 1 кг речовини для нагрівання його на 1 ° С (або на 1 К), називається питомою теплоємністю речовини.

Таку кількість теплоти 1 кг речовини віддає при охолодженні на 1 °С.

Питома теплоємність позначається буквою (c). Одиницею питомої теплоємності є 1 Дж/кг °З чи 1 Дж/кг До.

Значення питомої теплоємності речовин визначають експериментально. Рідини мають більшу питому теплоємність, ніж метали; найбільшу питому теплоємність має вода, дуже маленьку питому теплоємність має золото.

Питома теплоємність свинцю 140 Дж/кг. Це означає, що для нагрівання 1 кг свинцю на 1 °С необхідно витратити кількість теплоти 140 Дж. Така сама кількість теплоти виділиться при охолодженні 1 кг води на 1 °С.

Оскільки кількість теплоти дорівнює зміні внутрішньої енергії тіла, можна сказати, що питома теплоємність показує, наскільки змінюється внутрішня енергія 1 кг речовини за зміни її температури на 1 °З. Зокрема, внутрішня енергія 1 кг свинцю при нагріванні на 1 °С збільшується на 140 Дж, а при охолодженні зменшується на 140 Дж.

Кількість теплоти \(Q \) , необхідне для нагрівання тіла масою \(m \) від температури \((t_1\,^\circ C) \) до температури \((t_2\,^\circ C) \) , дорівнює добутку питомої теплоємності речовини, маси тіла та різниці кінцевої та початкової температур, тобто.

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

По цій же формулі обчислюється і кількість теплоти, яку тіло віддає при охолодженні. Тільки цьому випадку від початкової температури слід відібрати кінцеву, тобто. від більшого значення температури відібрати менше.

6. Приклад розв'язання задачі. У склянку, що містить 200 г води за температури 80 °С, налили 100 г води при температурі 20 °С. Після цього в посудині встановилася температура 60 °С. Яку кількість теплоти одержала холодна вода та віддала гаряча вода?

При розв'язанні задачі необхідно виконувати таку послідовність дій:

1. записати коротко умову завдання;
2. перевести значення величин у СІ;
3. проаналізувати завдання, встановити, які тіла беруть участь у теплообміні, які тіла віддають енергію, а які одержують;
4. вирішити задачу в загальному вигляді;
5. виконати обчислення;
6. проаналізувати отриману відповідь.

1. Умова завдання.

Дано:
(m_1 \) = 200 г
(m_2 \) = 100 г
(t_1 \) = 80 ° С
(t_2 \) = 20 ° С
? (t \) = 60 ° С
______________

? (Q_1 \) -? ? (Q_2 \) -?
(c_1 \) = 4200 Дж / кг · ° С

2. СІ:? (m_1 \) = 0,2 кг; (m_2 \) = 0,1 кг.

3. Аналіз завдання. У задачі описаний процес теплообміну між гарячою та холодною водою. Гаряча водавіддає кількість теплоти \ (Q_1 \) і охолоджується від температури \ (t_1 \) до температури \ (t \). Холодна водаотримує кількість теплоти \ (Q_2 \) і нагрівається від температури \ (t_2 \) до температури \ (t \).

4. Розв'язання задачі у загальному вигляді. Кількість теплоти, віддана гарячою водою, обчислюється за формулою: (Q_1 = c_1m_1 (t_1-t) \).

Кількість теплоти, одержане холодною водою, обчислюється за формулою: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) .

5. Обчислення.
(Q_1 \) = 4200 Дж / кг · ° С · 0,2 кг · 20 ° С = 16800 Дж
\(Q_2 \) = 4200 Дж/кг · ° С · 0,1 кг · 40 ° С = 16800 Дж

6. У відповіді отримано, що кількість теплоти, віддана гарячою водою, дорівнює кількості теплоти, отриманої холодною водою. При цьому розглядалася ідеалізована ситуація і не враховувалося, що деяка кількість теплоти пішла на нагрівання склянки, в якій знаходилася вода, та навколишнього повітря. Насправді кількість теплоти, віддане гарячою водою, більше, ніж кількість теплоти, отримане холодною водою.

Частина 1

1. Питома теплоємність срібла 250 Дж/(кг · °С). Що це означає?

1) при охолодженні 1 кг срібла на 250 °С виділяється кількість теплоти 1 Дж
2) при остиганні 250 кг срібла на 1 °С виділяється кількість теплоти 1 Дж
3) при остиганні 250 кг срібла на 1 °С поглинається кількість теплоти 1 Дж
4) при охолодженні 1 кг срібла на 1 °С виділяється кількість теплоти 250 Дж

2. Питома теплоємність цинку 400 Дж/(кг · °С). Це означає, що

1) при нагріванні 1 кг цинку на 400 ° С його внутрішня енергія збільшується на 1 Дж
2) при нагріванні 400 кг цинку на 1 ° С його внутрішня енергія збільшується на 1 Дж
3) для нагрівання 400 кг цинку на 1 °С його необхідно витратити 1 Дж енергії
4) при нагріванні 1 кг цинку на 1 °С його внутрішня енергія збільшується на 400 Дж

3. При передачі твердому тілу масою \(m\) кількості теплоти\(Q\) температура тіла підвищилася на \(\Delta t^\circ \). Який із наведених нижче виразів визначає питому теплоємність речовини цього тіла?

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. На малюнку наведено графік залежності кількості теплоти, необхідної для нагрівання двох тіл (1 та 2) однакової маси, від температури. Порівняйте значення питомої теплоємності (\(c_1 \) і (c_2 \)) речовин, з яких виготовлені ці тіла.

1) (c_1 = c_2 \)
2) (c_1> c_2 \)
3) \(c_1 4) відповідь залежить від значення маси тіл

5. На діаграмі представлені значення кількості теплоти, переданого двом тілам рівної маси при зміні їхньої температури на те саме число градусів. Яке співвідношення для питомих теплоємностей речовин, з яких виготовлені тіла, є вірним?

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

6. На малюнку представлено графік залежності температури твердого тіла від відданої їм кількості теплоти. Маса тіла – 4 кг. Чому дорівнює питома теплоємність речовини цього тіла?

1) 500 Дж/(кг · °С)
2) 250 Дж/(кг · °С)
3) 125 Дж/(кг · °С)
4) 100 Дж/(кг · °С)

7. При нагріванні кристалічної речовини масою 100 г вимірювали температуру речовини та кількість теплоти, повідомлену речовину. Дані вимірів подали у вигляді таблиці. Вважаючи, що втрати енергії можна знехтувати, визначте питому теплоємність речовини в твердому стані.

1) 192 Дж/(кг · °С)
2) 240 Дж/(кг · °С)
3) 576 Дж/(кг · °С)
4) 480 Дж/(кг · °С)

8. Щоб нагріти 192 г молібдену на 1 К, потрібно передати йому кількість теплоти 48 Дж. Чому дорівнює питома теплоємність цієї речовини?

1) 250 Дж/(кг · К)
2) 24 Дж/(кг · К)
3) 4·10 -3 Дж/(кг · К)
4) 0,92 Дж/(кг · К)

9. Яка кількість теплоти потрібна для нагрівання 100 г свинцю від 27 до 47 °С?

1) 390 Дж
2) 26 кДж
3) 260 Дж
4) 390 кДж

10. На нагрівання цеглини від 20 до 85 °С витрачено таку ж кількість теплоти, як для нагрівання води такої ж маси на 13 °С. Питома теплоємність цегли дорівнює

1) 840 Дж/(кг · К)
2) 21000 Дж/(кг · К)
3) 2100 Дж/(кг · К)
4) 1680 Дж/(кг · К)

11. З переліку наведених нижче висловлювань виберіть два правильні та запишіть їх номери в таблицю.

1) Кількість теплоти, яке тіло отримує при підвищенні його температури на деяке число градусів, дорівнює кількості теплоти, яку це тіло віддає при зниженні температури на таке ж число градусів.
2) При охолодженні речовини її внутрішня енергія збільшується.
3) Кількість теплоти, яку речовина отримує при нагріванні, йде головним чином збільшення кінетичної енергії його молекул.
4) Кількість теплоти, яку речовину отримує при нагріванні, йде головним чином на збільшення потенційної енергії взаємодії його молекул
5) Внутрішню енергію тіла можна змінити, лише повідомивши йому деяку кількість теплоти

12. У таблиці представлені результати вимірювань маси (m), зміни температури (Delta t) і кількості теплоти (Q), що виділяється при охолодженні циліндрів, виготовлених з міді або алюмінію.

Які твердження відповідають результатам проведеного експерименту? Із запропонованого переліку оберіть два правильні. Вкажіть їхні номери. На підставі проведених вимірювань можна стверджувати, що кількість теплоти, що виділяється при охолодженні,

1) залежить від речовини, з якої виготовлений циліндр.
2) не залежить від речовини, з якої виготовлений циліндр.
3) збільшується зі збільшенням маси циліндра.
4) збільшується зі збільшенням різниці температур.
5) питома теплоємність алюмінію в 4 рази більша, ніж питома теплоємність олова.

Частина 2

C1.Тверде тіло масою 2 кг поміщають у піч потужністю 2 кВт та починають нагрівати. На малюнку зображено залежність температури цього тіла від часу нагрівання (tau). Чому дорівнює питома теплоємність речовини?

1) 400 Дж/(кг · °С)
2) 200 Дж/(кг · °С)
3) 40 Дж/(кг · °С)
4) 20 Дж/(кг · °С)

Відповіді

Внутрішня енергія тіла залежить від його температури та зовнішніх умов – об'єму тощо. буд. Якщо зовнішні умови залишаються незмінними, тобто обсяг та інші параметри постійні, то внутрішня енергія тіла залежить лише від його температури.

Змінити внутрішню енергію тіла можна, не тільки нагріваючи його в полум'ї або роблячи над ним механічну роботу (без зміни положення тіла, наприклад, робота сили тертя), але і приводячи його в контакт з іншим тілом, що має температуру, відмінну від температури даного тіла, тобто за допомогою теплопередачі.

Кількість внутрішньої енергії, що тіло набуває або втрачає в процесі теплопередачі, і називається «кількістю теплоти». Кількість теплоти прийнято позначати буквою Q. Якщо внутрішня енергія тіла в процесі теплопередачі збільшується, то приписують теплоті знак плюс, і кажуть, що тілу повідомили теплоту `Q`. При зменшенні внутрішньої енергії в процесі теплопередачі теплота вважається негативною, і кажуть, що від тіла відібрали (або відвели) кількість теплоти Q.

Кількість теплоти можна вимірювати в тих самих одиницях, в яких вимірюється і механічна енергія. У системі СІ - це `1` джоуль. Існує й інша одиниця виміру теплоти – калорія. Калорія- це кількість теплоти, необхідне для нагрівання `1` г води на `1^@bb"C"`. Співвідношення між цими одиницями було встановлено Джоулем: `1` кал` = 4,18` Дж. Це означає, що за рахунок роботи в `4,18` кДж температура `1` кілограма води підвищиться на `1` градус.

Кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла на `1^@ bb"C"`, називається теплоємністю тіла. Теплоємність тіла позначається буквою `C`. Якщо тілу повідомили невелику кількість теплоти `Delta Q`, а температура тіла змінилася на `Delta t` градусів, то

Якщо тіло оточити оболонкою, що погано проводить тепло, то температура тіла, якщо воно надано самому собі, залишатиметься протягом тривалого часу практично постійною. Таких ідеальних оболонок у природі, звісно, ​​немає, але можна створити оболонки, які за своїми властивостями наближаються до таких.

Прикладами можуть бути обшивка космічних кораблів, судини Дьюара, що застосовуються у фізиці та техніці. Судина Дьюара є скляним або металевим балоном з подвійними дзеркальними стінками, між якими створений високий вакуум. Скляна колба домашнього термоса також є судиною Дьюара.

Теплоізолюючою є оболонка калориметра- Приладу, що дозволяє вимірювати кількість теплоти. Калориметр є великою тонкостінною склянкою, поставленою на шматочки пробки всередину іншої великої склянки так, щоб між стінками залишався шар повітря, і закритий зверху теплонепровідною кришкою.

Якщо в калориметрі привести в тепловий контакт два або кілька тіл, що мають різні температури, і почекати, то через деякий час всередині калориметра встановиться теплова рівновага. У процесі переходу в теплову рівновагу одні тіла будуть віддавати тепло (сумарна кількість теплоти `Q_(sf"відд")`), інші отримуватимуть тепло (сумарна кількість теплоти `Q_(sf"підлога))). А так як калориметр і ті, що в ньому містяться, не обмінюються теплом з навколишнім простором, а тільки між собою, то можна записати співвідношення, зване також рівнянням теплового балансу:

У ряді теплових процесів тепло може поглинатися або виділятися тілом без зміни температури. Такі теплові процеси мають місце при зміні агрегатного стану речовини - плавленні, кристалізації, випаровуванні, конденсації та кипінні. Коротко зупинимося на основних характеристиках цих процесів.

Плавлення- процес перетворення кристалічного твердого тіла на рідину. Процес плавлення відбувається за постійної температури, тепло при цьому поглинається.

Питома теплота плавлення `lambda` дорівнює кількості теплоти, необхідної для того, щоб розплавити `1` кг кристалічної речовини, взятої за температури плавлення. Кількість теплоти `Q_(sf"пл")`, яка буде потрібна для переведення твердого тіла маси `m` при температурі плавлення в рідкий стан, дорівнює

Оскільки температура плавлення залишається постійною, кількість теплоти, що повідомляється тілу, йде на збільшення потенційної енергії взаємодії молекул, при цьому відбувається руйнування кристалічної решітки.

Процес кристалізації- це процес, зворотний до процесу плавлення. При кристалізації рідина перетворюється на тверде тіло і виділяється кількість теплоти, що також визначається формулою (1.5).

Випаровування- це процес перетворення рідини на пару. Випаровування відбувається з відкритої поверхні рідини. У процесі випаровування рідина залишають найшвидші молекули, тобто молекули, здатні подолати сили тяжіння з боку молекул рідини. Внаслідок цього якщо рідина теплоізольована, то в процесі випаровування вона охолоджується.

Питома теплота пароутворення `L` дорівнює кількості теплоти, необхідної для того, щоб перетворити на пару `1` кг рідини. Кількість теплоти `Q_(sf"ісп")`, яка буде потрібна для переведення в пароподібний стан рідина масою `m` дорівнює

Конденсація- процес, обернений до процесу випаровування. При конденсації пара переходить у рідину. У цьому виділяється тепло. Кількість теплоти, що виділяється під час конденсації пари, визначається за формулою (1.6).

Кипіння- процес, при якому тиск насичених парів рідини дорівнює атмосферному тиску, тому випаровування відбувається не тільки з поверхні, але і по всьому об'єму (у рідині завжди є бульбашки повітря, при кипінні тиск пари в них досягає атмосферного, і бульбашки піднімаються вгору).