Матеріали для Нової української школи 1 клас - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

ЗОВНІШНЄ НЕЗАЛЕЖНЕ ОЦІНЮВАННЯ 2018 - ФІЗИКА КОМПЛЕКСНЕ ВИДАННЯ

Частина I НАВЧАЛЬНИЙ ДОВІДНИК — З ПРИКЛАДАМИ ТА ЗАВДАННЯМИ

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

6. ОСНОВИ ТЕРМОДИНАМІКИ

• Термодинаміка — розділ фізики, який вивчає загальні властивості макроскопічних систем, що перебувають у стані термодинамічної рівноваги. Термодинаміка вивчає найбільш загальні закономірності перетворення енергії, але не розглядає молекулярної будови речовини.

• Будь-яка система, що складається з великої кількості частинок — атомів, молекул, йонів та електронів, які здійснюють хаотичний тепловий рух і при взаємодії між собою обмінюються енергією, називають термодинамічною системою. Такими системами є гази, рідини й тверді тіла (їх ще називають макроскопічними тілами).

• Стан термодинамічної системи зумовлюється температурою, об'ємом, тиском та іншими термодинамічними параметрами.

6.1. ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ І ЇЇ ЗМІНА ПРИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ ТА ВИКОНАННІ РОБОТИ

Внутрішня енергія макроскопічного тіла дорівнює сумі кінетичних енергій безладного руху всіх молекул (або атомів) відносно центра мас тіла і потенціальних енергій взаємодії всіх молекул одна з одною.

♦ Внутрішню енергію позначають символом U. Одиниця внутрішньої енергії в СІ — джоуль (Дж):

[U] = Дж.

♦ Внутрішня енергія змінюється при:

• теплопередачі (рис. 6.1, а);

• виконанні роботи над тілом або самим тілом. Наприклад, при терті пробірки виділяється тепло, і розігрітий газ виштовхує корок (рис. 6.1, б).

Рис. 6.1

6.1.1. ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ ІДЕАЛЬНОГО ГАЗУ

Внутрішня енергія ідеального газу обумовлюється лише кінетичною енергією руху молекул; потенціальною енергією їх взаємодії можна знехтувати.

♦ Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу обчислюється за формулами:

U = RT або U = vRT.

Тут U — внутрішня енергія, m — маса газу, М — молярна маса газу, R = 8,31 універсальна газова стала, Т — температура газу, подана в кельвінах, v — кількість речовини.

За рівнянням Менделєєва — Клапейрона:

pV = RT,

тому:

UpV,

де р — тиск газу, V — об'єм газу.

♦ Зміна внутрішньої енергії одноатомного ідеального газу обчислюється за формулами:

∆U = R∆T = vR∆T = ∆(pV).

6.1.2. РОБОТА ІДЕАЛЬНОГО ГАЗУ. ЇЇ ГЕОМЕТРИЧНЕ ТЛУМАЧЕННЯ

Термодинамічна робота виконується тілами при зміні їхнього об'єму.

Геометричне тлумачення роботи газу

Робота газу чисельно дорівнює площі фігури, обмеженої графіком залежності р від V, віссю V та ізохорами, які відповідають об'єму газу у початковому і кінцевому станах (рис. 6.2, а, б).

Рис. 6.2

♦ Якщо об'єм газу збільшується (V2 > V1),

то робота газу додатна (А > 0); якщо об'єм газу зменшується (V2 < V1) — від'ємна ( А < 0).

♦ Під час замкненого циклу робота газу А чисельно дорівнює площі фігури, обмеженої графіком циклу (рис. 6.3). ККД циклу η визначається за формулою:

η = .

Тут Qотр — кількість теплоти, яку газ отримував у ході процесу. Наприклад, під час циклу, графік якого зображений на рис. 6.3, на ділянках 1—2 і 2—3, газ отримував певну кількість теплоти, а на ділянках 3—4 і 4—1 — віддавав, тому у цьому випадку Qoтp = Q1-2 + Q2-3.

Рис. 6.3

♦ Робота ідеального газу в ході ізопроцесів обчислюється за формулами:

• ізобарний процес (рис. 6.1, а):

A = R∆T = p∆V,

де ∆T = Т2 - Т1— зміна температури, ∆V = V2 - V1 — зміна об'єму;

• ізотермічний процес (рис. 6.1, б):

A = RTln = RTln;

• ізохорний процес: А = 0 — в ході ізохорного процесу газ роботу не виконує.

• Якщо над газом зовнішні сили виконують певну роботу А', то робота газу дорівнює роботі зовнішніх сил, взяту із протилежним знаком:

А = -А' .

6.1.3. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ТА ЇЇ ВИДИ

Теплопередача, або теплообмін,— процес передавання енергії від одного тіла до іншого без виконання роботи.

Існує три способи теплопередачі:

• теплопровідність;

• конвекція;

• випромінювання.

Теплопровідність — вид теплопередачі, за якої передавання внутрішньої енергії від одних тіл до інших відбувається при їх безпосередньому контакті й зумовлене взаємодією атомів і молекул, а також тепловим рухом вільних електронів. Висока теплопровідність, наприклад, у металів. Вовна, поролон та інші пористі тіла мають низьку теплопровідність. Вакуум теплопровідністю не наділений.

Конвекція — вид теплопередачі, за якої внутрішня енергія від одних тіл до інших передається рухомими струменями рідини чи газу. Конвекція приводить до виникнення вітру (бриз) на березі моря.

При випромінюванні теплообмін зумовлений передачею енергії світловим потоком (здебільшого інфрачервона ділянка гакали електромагнітних хвиль). Цей вид теплопередачі відрізняється від інших тим, що може здійснюватися в повному вакуумі. Випромінюванням передається на Землю і сонячна енергія.

6.1.4. КІЛЬКІСТЬ ТЕПЛОТИ. РІВНЯННЯ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСУ

Та частина внутрішньої енергії, яку тіло втрачає чи отримує при теплопередачі, називається кількістю теплоти (Q):

[Q] = Дж.

♦ При теплообміні не відбувається перетворення енергії з однієї форми на іншу: частина внутрішньої енергії гарячого тіла передається холодному; теплообмін припиняється при вирівнюванні їхніх температур.

♦ Теплообмін у замкненій системі описується рівнянням теплового балансу:

Q1 + Q2 +... + = 0 ,

Qодерж = Qвід,

де Qодерж і Qвід — сумарна кількість теплоти, відповідно одержана і віддана тілами в системі при теплообміні.

6.1.5. ПИТОМА ТЕПЛОЄМНІСТЬ РЕЧОВИНИ

Питома теплоємність речовини (с) — фізична величина, яка чисельно дорівнює кількості теплоти, що отримує або віддає 1 кг речовини при зміні її температури на 1 К:

с = .

♦ Одиниця питомої теплоємності в СІ — джоуль на кілограм-кельвін:

[c] =

♦ Кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання тіла і яка виділяється при охолодженні тіла, обчислюється за формулами:

при нагріванні: Qодерж = cm(tк - tп);

при охолодженні: Qвід = cm (tп - tк),

де tп і tк — відповідно початкова і кінцева температура.

♦ Питома теплоємність речовини залежить від роду речовини, її агрегатного стану та інтервалу температур, у якому проходить теплопередача.

Рідкі й тверді речовини розширюються при нагріванні незначною мірою, їхні питомі теплоємності за незмінного об'єму й незмінного тиску залишаються незмінними і наведені в таблицях.

Питома теплоємність газів залежить від того, за яких умов відбувалося його нагрівання. Наприклад, питома теплоємність при ізобарному процесі більша за питому теплоємність при ізохорному процесі. Адже кількість теплоти, яку отримує газ в ході ізобарного процесу, витрачається як на нагрівання, так і на здійснення роботи, а в ході ізохорного процесу лигає на нагрівання.

Для калориметричних вимірювань використовується прилад — калориметр. Найпростіший калориметр (рис. 6.4) являє собою посудину з покришкою. Посудину ставлять на пробкову підставку, вміщену в іншу, більшу, посудину, так, що між ними залишається шар повітря, який є теплоізолятором.

Рис. 6.4

6.1.6. ПИТОМА ТЕПЛОТА ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА. ККД НАГРІВАНА

Питома теплота згоряння палива — фізична величина, яка вимірюється кількістю теплоти, що виділяється при повному згорянні одного кілограма палива:

q =

♦ Одиниця питомої теплоти згоряння палива в СІ — джоуль на кілограм:

[q] = .

Пристрої, у яких відбувається згоряння палива, називають нагрівачами. Це печі, топки і горілки різної конструкції або камери згоряння в теплових машинах.

При оцінюванні ефективності нагрівача вводиться поняття коефіцієнта корисної дії (ККД) нагрівача н, який визначає, яка частина виділеної при нагріванні енергії використовується з користю:

η = = .

6.1.7. ЗМІНЮВАННЯ АГРЕГАТНОГО СТАНУ РЕЧОВИНИ

Процес перетворення твердого кристалічного тіла на рідину називають плавленням; процес перетворення рідини на тверде кристалічне тіло — кристалізацією.

Питома теплота плавлення (кристалізації) (λ) — фізична величина, яка чисельно дорівнює кількості теплоти, необхідної для перетворення 1 кг кристалічної речовини за температури плавлення на рідину тієї самої температури:

λ = .

♦ У процесі плавлення та кристалізації температура речовини не змінюється. Під час плавлення надана кількість теплоти витрачається на збільшення потенціальної енергії взаємодії молекул. Під час кристалізації енергія, навпаки, виділяється.

♦ При кристалізації речовини виділяється така сама кількість теплоти, яка була витрачена на її плавлення.

♦ Температура плавлення залежить від роду речовини та зовнішнього тиску.

♦ Для більшості фазових переходів «кристал рідина» густина речовини в рідкому стані менша, ніж в кристалічному. Винятками с лід й чавун. Те, що густина льоду менша за густину води, відіграє величезну роль у природі, — наприклад, завдяки цьому водоймищі замерзають від поверхні, що забезпечує збереження тваринного світу водойм. Найбільшу густину вода має за температури близько +4 °С.

Питома теплота пароутворення (конденсації) (L) — фізична величина, яка чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно витратити для перетворення 1 кг рідини на пару за незмінної температури:

L = .

♦ Одиниця питомої теплоти плавлення і пароутворення в СІ — джоуль на кілограм (Дж/кг).

♦ При конденсації пари у рідину виділяється така сама кількість теплоти, яка була витрачена на випаровування рідини.

Внутрішня енергія тіла змінюється при нагріванні або охолодженні, пароутворенні або конденсації, плавленні або кристалізації. У всіх випадках тілу передається або від нього віднімається деяка кількість теплоти.

На рис. 6.5 наведено графік залежності температури води, що взята у кристалічному стані, від часу її нагрівання за нормального атмосферного тиска.

Рис. 6.5

Q1 = слm(tпл - t п. л) — нагрівання льоду,

Q2 = λm — плавлення льоду,

Q3 = cвm (tкип - tпл) — нагрівання води,

Q4 = Lm — пароутворення під час кипіння.









загрузка...

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами. Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посилання на сайт, будьте вдячними ми затратили багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2008-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.