Підручник Фізика 8 клас - В.Д. Сиротюк - Генеза 2016 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

§ 8. ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС

Тіла з різними температурами обмінюються між собою теплотою. Тіла, більш нагріті, віддають частину своєї енергії тілам, менш нагрітим, доти, доки в них усіх не зрівняється температура.

Кількість теплоти, яку віддають усі тіла, що охолоджуються, дорівнює кількості теплоти, одержаної всіма тілами, що нагріваються (за умови, що при цьому не відбувається перетворення тепла в інші види енергії).

Завжди під час розрахунків, що стосуються обміну енергією між тілами, треба врахувати всю ту кількість теплоти, яку в теплових явищах, що розглядаються, віддають тіла, і ту кількість теплоти, яку одержують інші тіла, що беруть участь у тих самих явищах: обидві ці кількості теплоти мають бути рівні між собою.

Застосуємо це твердження до змішування двох рідин різної температури.

Позначимо масу більш холодної рідини через m1, її питому теплоємність - с1 і її температуру - t1. Ti самі величини для більш нагрітої рідини відповідно будуть: m2, с2, t2.

Якщо обидві рідини змішати в одній посудині (для спрощення задачі вважатимемо, що вона виготовлена з речовини, яка є повним теплоізолятором і не бере участі в теплообміні), то молекули гарячої рідини будуть віддавати енергію молекулам холодної рідини доти, доки температура суміші рідин не набуде певного проміжного значення. Позначимо остаточну температуру суміші літерою tc. Тоді кількість теплоти, яку віддала рідина, що охолоджується, визначатиметься за такою формулою: Q2 = c2m2(t2 - tc), а кількість теплоти, яку одержала рідина, що нагрівається, за такою: Q1= c1m1(tc - t1).

Оскільки кількість теплоти, яку віддала рідина, що охолоджується, дорівнює кількості теплоти, яку одержала рідина, що нагрівається, тобто (Q2 = Q1), можемо прирівняти праві частини цих виразів. Одержимо таку рівність:

c2m2(t2 - tc) = c1m1(tc - t1).

Це рівняння називають рівнянням теплового балансу. Свого часу для води його вивів петербурзький академік Георг Ріхман. З рівняння теплового балансу можна, якщо решта величин відомі, визначити масу однієї з речовин, що беруть участь у змішуванні, або її початкову температуру чи температуру суміші, а також значення невідомої питомої теплоємності.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Що показує рівняння теплового балансу?

2. Що треба знати, щоб обчислити кількість теплоти, яку одержує тіло під час нагрівання або яка виділяється під час охолодження тіла?

3. Який висновок можна зробити з досліду на змішування холодної і гарячої рідини? Чому на практиці ці енергії не дорівнюють одна одній?

Лабораторна робота № 1

Вивчення теплового балансу за умов змішування води різної температури

Мета роботи: визначити кількість теплоти, яку віддала гаряча вода під час теплообміну, і кількість теплоти, яку одержала холодна вода. Пояснити результати.

Прилади і матеріали: калориметр, вимірювальний циліндр або мензурка, термометр, склянка з холодною водою, посудина з гарячою водою. Калориметр1(мал. 51) - прилад, який складається з двох посудин: внутрішня - з алюмінію, зовнішня може бути з пластмаси. Простір між посудинами заповнений повітрям і контакт між їхніми поверхнями практично відсутній. Така будова приладу зменшує теплообмін речовини у внутрішній посудині із зовнішнім середовищем.

Xід роботи

1. Виміряйте масу внутрішньої посудини калориметра mк.

2. Налийте у склянку mх = 100 г холодної води, а в калориметр - mг = 100 г гарячої води. Виміряйте термометром температури tx холодної та tг, гарячої води. Результати запишіть у таблицю.

3. Холодну воду вилийте в калориметр з гарячою водою, помішайте (обережно) термометром отриману суміш і виміряйте її температуру tc.

1 Калориметр (від лат. calor - тепло і metor - вимірювати) - прилад для вимірювання кількості теплоти, що виділяється або поглинається під час фізичних процесів. Термін «калориметр» запропонували А. Лавуазьє та П. Лаплас.

Мал. 51

Маса калориметра, mк, кг

Маса гарячої води, mг, кг

Масо холодної води mх, кг

Температура холодної води, tг, °C

Температура суміші, tc, °C

Кількість теплоти, одержана холодною водою, Q1, Дж

Кількість теплоти, віддана гарячою водою, Q2, Дж

Кількість теплоти, одержана калориметром, Qк, Дж

4. Визначте за формулою Q1 = cmх(tc - tx) кількість теплоти, яку одержала холодна вода від гарячої.

5. Визначте за формулою Q2 = cmr(tr - tc) кількість теплоти, яку віддала гаряча вода холодній (с = 4200 Дж/(кг ∙ °С)).

6. Визначте за формулою Qк = скmк(tc - tx) кількість теплоти, яку одержала від гарячої води внутрішня посудина калориметра (ск = 920 Дж/(кг ∙ °С)).

7. Перевірте рівняння теплового балансу: Q2 = Q1 + Qк Порівняйте одержані результати, зробіть висновки.

На рівнянні теплового балансу ґрунтується визначення питомої теплоємності речовини.

Лабораторна робота № 2

Визначення питомої теплоємності речовини

Мета роботи: використовуючи рівняння теплового балансу, визначити питому теплоємність твердого тіла.

Прилади і матеріали: склянка з водою, калориметр, терези (динамометр), набір важків, металевий циліндр на нитці, посудина з гарячою водою, термометр.

Xід роботи

1. Виміряйте масу тіла (циліндра) mг і масу внутрішньої посудини калориметра mк.

2. Налийте в калориметр води m1 = 100-150 г кімнатної температури. Виміряйте її температуру t1. Результати запишіть у таблицю.

3. Нагрійте циліндр у посудині з гарячою водою. Виміряйте її температуру (ця температура й буде початковою температурою циліндра tт). Потім опустіть його в калориметр з водою.

4. Виміряйте температуру tc води в калориметрі після опускання циліндра.

5. Визначте за формулою Q1 = cm1(tc - t1) кількість теплоти, яку одержала холодна вода від гарячого тіла (с = 4200 Дж/(кг ∙ °С)).

6. Визначте за формулою Q2 = стmт(tе - tc) кількість теплоти, яку віддало гаряче тіло холодній воді.

7. Визначте за формулою Qк = скmк(tc - t1) кількість теплоти, яку отримала від гарячої води внутрішня посудина калориметра (ск = 920 Дж/(кг ∙ °С)).

8. Використавши рівняння теплового балансу Q2 = Q1 + Qк, тобто:

стmт( tт - tc) = cm1(tc - t1) + cкmк(tc - t1), визначте питому теплоємність твердого тіла (циліндра):

Отримане значення питомої теплоємності порівняйте з її табличним значенням і визначте, який це метал.

Маса калориметра, mк, кг

Маса холодної води води, m1, кг

Початкова температура тіла tт, кг

Температура холодної води, t1, °C

Температура нагрітої тілом води, tc, °C

Кількість теплоти, одержана холодною водою, Q1, Дж

Кількість теплоти, віддана гарячим тілом, Q2, Дж

Кількість теплоти, одержана калориметром, Qк, Дж

Питома теплоємність речовини тіла ст, Дж/(кг ∙ °С)

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

Розв’язуємо разом

1. Яку кількість теплоти потрібно затратити, щоб 2 кг води нагріти від 20 до 100 °С?

Розв’язання

Кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла, визначається за формулою Q = cm(t2 - t1).

Q = 4200 Дж/(кг ∙ °С) ∙ 2 кг ∙ (100 °С - 20 °С) = 672 000 Дж = 672 кДж.

2. Яка кількість теплоти виділиться під час охолодження 3 кг свинцю від 320 до 20 °С?

Розв’язання

Кількість теплоти, яка виділяється під час охолодження тіла, визначається за формулою Q = cm(t2 - t1).

Q = 140 Дж/(кг ∙ °С) ∙ 3 кг ∙ (20 °С - 320 °С) = -126 000 Дж = -126 кДж.

Знак «-» означає, що енергія виділилася під час охолодження тіла.

Відповідь: -126 кДж.

Рівень А

56. Чотири циліндри - алюмінієвий, латунний, залізний і свинцевий, що мають однакову масу, нагріли у воді до однакової температури й одночасно поставили на парафінову пластинку (мал. 52). Чи однакову кількість теплоти віддали ці циліндри парафіну? Чи однакова кількість теплоти потрібна для нагрівання 1 кг кожної з цих речовин на 1 °С?

57. В одну пробірку налили воду, в іншу - олію такої самої маси і температури. Яка із цих рідин швидше нагріватиметься, якщо пробірки занурити в гарячу воду? Чи однакова кількість теплоти потрібна для нагрівання їх до температури гарячої води?

58. У дві посудини з однаковою кількістю води, температура якої 20 °С, опускають нагріті до 100 °С однакової маси шматки заліза і міді. У якій посудині температура води буде вищою і чому?

59. У склянку перед тим, як налити окріп, кладуть чайну ложку. З якою метою це роблять і яку ложку - алюмінієву чи срібну (однакової маси) - краще використати для цього?

60. Сталеві деталі, нагріті у спеціальних печах до температури 800 °С, гартують, занурюючи їх у воду або олію. У якій із цих рідин деталь швидше охолоджується і чому?

61. Чому вода є найкращою рідиною для: а) водяного опалення будинків; б) охолодження двигунів автомобілів і тракторів; в) охолодження нагрітих металевих деталей; г) медичних грілок; д) гасіння пожежі?

62. Чому стержні паяльників виготовляють із червоної міді, а не використовують для цього залізо?

63. Яку кількість теплоти потрібно надати 1 кг води, щоб підвищити її температуру від 20 до 100 °С?

64. Яку кількість теплоти потрібно затратити, щоб нагріти на плиті алюмінієву сковороду масою 500 г від 20 до 220 °С?

Мал. 52

Рівень Б

65. Яку кількість теплоти віддасть під час гартування сталева деталь, нагріта до температури 800 °С? Маса деталі дорівнює 2 кг, а вода нагрівається до температури 50 °С.

66. На електроплитці нагріли 2 л води (мал. 53, а, б). Яку кількість теплоти одержала вода?

67. У радіатори водяного опалення надходить вода, температура якої 80 °С, а виходить з них з температурою 60 °С. Яку кількість теплоти віддає за добу вода, якщо за 1 год через радіатори протікає 120 л води?

Мал. 53

68. Температура молока під час доїння корів дорівнює 37 °С. Для транспортування його охолоджують до температури 4 °С. Яка кількість теплоти виділяється при цьому, якщо середній надій у фермерському господарстві дорівнює 800 кг? Питома теплоємність молока 3900 Дж/(кг ∙ °С). Скільки води можна підігріти за рахунок виділеного тепла від 0 до 30 °С, щоб використати її для напування взимку корів?

69. Яку масу води можна нагріти на 10 °С наданням 1 кДж теплоти?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити