Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік

Частина I ТЕПЛОВІ ЯВИЩА.

РОЗДІЛ 2. ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ ТІЛА. ТЕПЛОВІ ПРОЦЕСИ

§ 10. РОЗРАХУНОК КІЛЬКОСТІ ТЕПЛОТИ ПІД ЧАС НАГРІВАННЯ АБО ОХОЛОДЖЕННЯ ТІЛА. ТЕПЛОЄМНІСТЬ

1. Кількість теплоти. З попередніх параграфів ви дізналися, що у процесі теплообміну тіла одержують енергію у вигляді теплоти.

Енергію, передану тілу (або системі тіл) у процесі теплообміну, називають кількістю теплоти і позначають літерою Q.

Якщо позначити внутрішню енергію тіла на початку теплообміну U1, в кінці теплообміну - U2, а їх зміну - ∆U, то кількість теплоти Q передана (отримана) в процесі теплообміну, дорівнюватиме зміні внутрішньої енергії тіла:

Q = ∆U = U2 - U1.

Кількість теплоти, як і енергія, вимірюється у джоулях (Дж). На практиці часто використовується позасистемна одиниця кількості теплоти - калорія (кал).

1 Дж = 4,19 кал або 1 кал = 0,24 Дж. З’ясуємо дослідним шляхом, від яких величин залежить теплообмін між тілами при їх нагріванні і охолодженні, та як оцінюють і розраховують кількість теплоти у теплових процесах.

2. Теплоємність. Поняття кількості теплоти пов’язане з іншою важливою характеристикою теплових процесів - теплоємністю. З’ясуємо фізичний зміст цієї величини.

Мірою енергію, переданої у формі теплоті в процесі теплообміну, є кількість теплоти.

Кількість теплоти, передану тілу у процесі теплообміну, прийнято вважати додатною, а кількість теплоти, що забирається від тіла — від* ємною. Кількість теплоти Q є мірою зміни внутрішньої енергії тіла в процесі теплообміну і, як побачимо далі, істотно залежить від характеру цього процесу, тобто від того, яким способом тіло переходить із початкового в кінцевий стан. Це означає, що про кількість теплоти можна говорити тільки у зв'язку з певним тепловим процесом. Коли ж тепловий стан тіла не змінюється, то ні про яку кількість теплоти в тілі говорити не можна — у цьому випадку говорять лише про внутрішню енергію тіла.

Зрозуміло, що кількість теплоти, яка надається при нагріванні тіла (або віддається при його охолодженні) буде тим більшою, чим більша температура, якої набуло це тіло в результаті нагрівання. Тому кількість теплоти, отримана тілом під час нагрівання (або віддана під час охолодження), пропорційна до різниці початкової та кінцевої температур ∆t= = t2 - t1. Отже,

Q ~ ∆t.

Тоді при зміні температури тіла на одну й ту саму величину буде виконуватись рівність:

Q = С ∙ ∆t,

де С - коефіцієнт пропорційності, який називають теплоємністю тіла.

Теплоємність тіла - це фізична величина, що дорівнює кількості теплоти, яку необхідно надати тілу для підвищення його температури на 1°С.

Одиницею теплоємності є

1. [C] = 1.

Теплоємність є різною для різних речовин.

3. Питома теплоємність. Як вже було зазначено, теплоємність тіла С залежить від його маси. Дійсно, для нагрівання тіла з більшою масою необхідне надання тілу більшої кількості теплоти. Наприклад, для нагрівання чайника, повністю заповненого водою, потрібно більше теплоти, ніж для чайника, наповненого водою до половини.

Отже, теплоємність тіла С пропорційна до його маси:

С ~ m.

Досліди показують, що при нагріванні тіл однакової маси, виготовлених з однієї й тієї самої речовини, в однаковому температурному інтервалі витрачається й однакова кількість теплоти. Тому при дослідженні теплових властивостей речовини зручно розглядати теплоємність одиниці маси цієї речовини. Для цього вводиться поняття питомої теплоємності. Питомою теплоємністю називається фізична величина, що визначається кількістю теплоти, яку необхідно надати 1 кг речовини для нагрівання його на один градус.

Питома теплоємність позначається малою літерою с і визначається за формулою:

Теплота і робота є якісно нерівноцінними формами передачі енергії. У формі роботи передається енергія впорядковано руху, внаслідок чого може збільшитись будь-яка енергія тіла. Якщо ж тілу передається енергія у вигляді теплоти, то збільшується енергія хаотичного теплового руху частинок, що призводить до збільшення лише внутрішньої енергія тіла.

Теплота і робота є не видами енергії, а формами її передачі. Вони існують лише у процесі передачі енергії.

Теплоємність залежить від маси тіла, його хімічного складу, теплового стану та виду процесу, в якому тілу передається кількість теплоти. Для нагрівання (охолодження) тіла на один градус за різних умов необхідна різна кількість теплоти.

Кількість теплоти, необхідна для нагрівання тіла, залежить від маси цього тіла: чим більша маса тіла, тим більшу кількість теплоти слід витратити, щоб змінити його температуру на одну й ту саму величину. Відповідно, при охолодженні більш масивне тіло віддаватиме навколишнім тілам більше теплоти, ніж тіло з меншою масою.

Питома теплоємність свинцю дорівнює 140 Дж ∙ кг °С . Це означає, що для нагрівання 1 кг свинцю на 1°С потрібна енергія 140 Дж, а при охолодженні 1 кг свинцю на 1°С виділяється 140 Дж енергії. Тобто, при зміні температури свинцю масою 1кг на 1°С він поглинає або виділяє кількість теплоти, яка дорівнює 140 Дж.

Різні речовини мають різну питому теплоємність. Значення теплоємностей різних речовин наводяться у таблицях (див. табл. 1).

Питома теплоємність не є сталою величиною і залежить від умов, за яких відбувається тепловий процес. Тому в таблицях теплоємностей вказуються умови, для яких наведені значення справедливі (температура, тиск).

У таблиці 1 наведено значення питомої теплоємності деяких речовин (при 20°С та нормальному атмосферному тиску).

Питома теплоємність деяких речовин

Таблиця 1

Золоти

130

Графіт

750

Ртуть

125

Скло лабораторне

840

Свинець

120

Цегла

880

Срібло

250

Алюміній

020

Мідь

380

Олія

1700

Цинк

400

Лід

2100

Латунь

380

Гас

2140

Залізо

400

Дерево ( дуб )

2400

Сталь

400

Вода

4200

4. Формула для обчислення кількості теплоти при нагріванні (охолодженні тіла). Виникає питання: як обчислити кількість теплоти, отриманої або відданої тілом у даному тепловому процесі? Раніше ми встановили, що кількість теплоти Q пропорційна до маси тіла m, зміни температури при теплообміні ∆t та питомої теплоємності с. Узагальнюючи ці залежності, можна записати:

Q = с ∙ (t2 - t1) = с ∙ m ∙ (t2 - t1) = с ∙ m ∙ ∆t

Для обчислення кількості теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла (або кількості теплоти, яку виділяє тіло під час охолодження), необхідно питому теплоємність речовини помножити на масу тіла та на різницю його кінцевої і початкової температур.

З формули для обчислення кількості теплоти при нагріванні (охолодженні) тіла можна дістати такі формули:

- для обчислення питомої теплоємності речовини

- для обчислення різниці температур у тепловому процесі:

t2 — t1 = ;

питома теплоємність речовини у різних агрегатних станах - рідкому, твердому і газоподібному - різна. Наприклад, питома теплоємність води 4200 , а питома теплоємність льоду вдвічі менша — 2100 .

5. Застосування формули для обчислення кількості теплоти.

Вода має дуже велику теплоємність. Завдяки цьому вода в морях, озерах і річках, нагріваючись влітку, поглинає значну кількість сонячної енергії і зберігає її протягом тривалого часу. Тому біля водних масивів не так спекотно влітку. В холодні пори року вода охолоджується і віддає в навколишній простір значну кількість теплоти, тим самим пом'якшуючи температурні зміни.

Внаслідок великої теплоємності, воду використовують як теплоносій у водяному опаленні, для систем охолодження двигунів, у побуті і медицині.

Приклад. Воду масою 0,8 кг при температурі 25°С змішали з окропом масою 0,4 кг. Температура суміші, що встановилась, дорівнює 50°С. Обчислити кількість теплоти, яку віддає окріп, та кількість теплоти, яку дістала холодна вода у процесі нагрівання.

Розв’язання

Кількість теплоти при охолодженні та нагріванні тіла визначають за формулою Q = с ∙ m ∙ ∆t, де

М - маса тіла;

с - питома теплоємність тіла (в даному прикладі це вода, тому згідно з табличними даними с = 4200 );

∆t - різниця між кінцевим і початковим значеннями температури.

Таким чином:

1. Кількість теплоти, яку отримала холодна водою обчислюється за формулою

Q1 = с ∙ m1 ∙ (t - t1).

2. Кількість теплоти яку віддав окріп, визначається за формулою Q2 = c ∙ m2 ∙ (t2 - t).

Перевіримо правильність одиниці шуканої величини за однією з отриманих формул:

Обчислення:

Q1 = 4200 ∙ 0,8 ∙ (50 - 25) = 84 000 (Дж) = 84 (кДж)

Q2 = 4200 ∙ 0,4 ∙ (100 - 50) = 84 000 (Дж) = 84 (кДж)

Відповідь: Q1 = 84 кДж; Q2 = 84 кДж.

6. Графіки теплових процесів при нагріванні і охолодженні тіл.

Тепловий процес, як неперервну послідовність теплових станів, зручно записувати не лише у вигляді формули, але й зображати за допомогою графіка. Графік теплового процесу будують з урахуванням залежностей між будь-якими двома величинами (параметрами), що характеризують даний тепловий процес. Пригадайте, як при вивченні графіків руху у 7-му класі, ви будували залежності швидкості від часу або шляху від часу.

Як приклад, побудуємо графіки зміни температури з часом у процесах нагрівання та охолодження тіл згідно з умовою попередньої задачі (окропу і води, відповідно). У якості додаткових умов вважатимемо, що з часом теплообмін між ними відбувався рівномірно та протягом часу t1 (значення часу обрано довільно).

Для побудови графіків скористаємося прямокутною декартовою системою координат (рис. 59). Початок координат сумістимо зі значенням температури 0°С і моментом початку відліку часу t0. На горизонтальній осі абсцис відкладатимемо покази годинника (секундоміра), а на вертикальній осі ординат - покази термометра.

Тоді тепловий процес охолодження окропу на графіку зображатиметься прямою лінією АС, а тепловий процес нагрівання води - прямою лінією ВС, розміщеними під деяким кутом до осі абсцис. Точка С відповідає часу t1 — встановленню стану теплової рівноваги суміші при температурі 50°С.

Рис. 59. Графіки теплових процесів нагрівання і охолодження води

Побудова графіків теплових процесів дозволяє більш повно та різнобічно їх охарактеризувати та зробити певні висновки щодо умов перебігу теплових процесів. За графіками теплових процесів також зручно розв’язувати задачі, оскільки вони дозволяють подати їх наочно.

Подумайте і дайте відповідь

1. Що є мірою енергії, переданої тілу (або відданої тілом) у процесі теплообміну ?

2. Яку фізичну величину називають кількістю теплоти? Чи є теплота і робота видами енергії?

3. Що таке теплоємність речовини? Від чого вона залежить? Який її фізичний зміст?

4. Що називається питомою теплоємністю речовини? Яка одиниця її вимірювання? Чи однакова ця величина для різних речовин?

5. Як обчислити кількість теплоти, отриманої або відданої тілом в процесі теплообміну? Запишіть відповідні формули та поясніть їх.

6. Чому теплові процеси зручно зображати у вигляді графіків?

7. Чим пояснюється той факт, що клімат островів значно м’якіший та рівніший, ніж клімат материків?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 10.

1. Питома теплоємність льоду дорівнює 2100 .

Поясніть фізичний зміст

цього значення.

2. Чому у пустелях вдень температура дуже висока, а вночі опускається нижче 0°С?

3. Чому у системі водяного опалення і системах охолодження двигунів використовують воду?

4. На що витрачається більше енергії: на нагрівання алюмінієвої каструлі чи на нагрівання води, налитої у неї, якщо їх маси однакові?

5. Яка кількість теплоти необхідна для нагрівання води від 15°С до 25°С у басейні, довжина якого 100 м, ширина 6 м і глибина 2 м?

6. Для зміни температури металевої деталі масою 100 г від 20°С до 40°С потрібно 280 Дж енергії. Визначте, з якого металу виготовлено деталь.





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