Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

§ 12 Тепловий баланс

Ви дізнаєтесь

- Як складати рівняння теплового балансу

- Як застосовувати закон збереження енергії до теплових процесів

Пригадайте

- Що таке кількість теплоти

- За якою формулою обчислюють кількість теплоти

Рівняння теплового балансу. На практиці досить часто виникає потреба у визначенні значень фізичних величин, що характеризують теплообмінні процеси, після встановлення теплової рівноваги. Наприклад, визначити температуру суміші внаслідок змішування гарячої й холодної води або обчислити кількість теплоти, отриманої тілом під час теплообміну, або визначити температуру тіла, яку воно матиме в результаті досліду.

У всіх цих випадках треба складати рівняння відносно кількості теплоти, яку втрачають або набувають усі тіла, що перебувають у теплообмінному процесі.

Під час розрахунку теплообмінних процесів застосовують певні правила, що дають змогу встановити умови перебігу теплових явищ та процесів й обчислити шукану величину.

Перше правило: усі тіла, між якими тривалий час відбувається теплообмін, досягають стану теплової рівноваги, і їхні температури набувають однакового значення.

Друге правило: за законом збереження енергії, який справджується для всіх природних явищ і процесів, теплота не може безслідно зникнути або виникнути з нічого.

У зв’язку з цим кажуть про умову теплового балансу: у замкненій системі під час теплопередачі одні тіла віддають таку саму кількість теплоти, яку отримують інші тіла.

Третє правило: у фізиці прийнято вважати кількість теплоти додатною, якщо тіло отримує теплову енергію, і від’ємною, якщо воно віддає її. На підставі цього правила записують рівняння теплового балансу:

загальна кількість теплоти, яку отримали тіла, за модулем дорівнює загальній кількості теплоти, яку віддали інші тіла внаслідок теплообміну:

Ці правила визначають певну послідовність дій під час розв’язування фізичних задач на розрахунок теплообмінних процесів.

1. З’ясувати, які тіла беруть участь у теплообміні.

2. Установити, якої температури досягають тіла в стані теплової рівноваги. Якщо за умовою задачі вона не задана, позначити її літерою t.

3. З’ясувати, які з тіл віддають теплоту, а які — отримують її. Записати формулу кількості теплоти для кожного з тіл, що перебувають у теплообмінному процесі (при цьому слід завжди від більшого значення температури віднімати менше).

4. Скласти рівняння теплового балансу, у лівій частині якого записати суму кількостей теплоти, яку отримали тіла внаслідок теплообміну, у правій частині — суму кількостей теплоти, що віддали тіла під час теплообміну.

5. Розв’язати рівняння відносно шуканої величини та визначити її числове значення.

Мал. 41. Калориметр: а — зовнішній вигляд; б — складові калориметра; в — схематичне зображення

Калориметр. Рівняння теплового балансу, по суті, виражає закон збереження енергії, за умови, що теплообмін відбувається всередині тепло ізольованої системи (немає зовнішніх втрат тепла). Для цього, виконуючи лабораторні роботи, ви будете використовувати калориметр (мал. 41, с. 51).

Калориметр складається з двох посудин циліндричної форми, уміщених одна в одну. Між посудинами розташовується шар теплоізолятора (повітря, пінопласту тощо). Посудину більших розмірів прикривають кришкою, до якої можна прикріпити термометр і пристрій для перемішування рідини. Усі ці заходи допомагають зменшити втрати тепла під час теплообміну. Отже, таку систему з певною точністю можна вважати теплоізольованою.

Я знаю, вмію й розумію

1. Наведіть приклади теплоізольованої системи.

2. Для розв’язування яких фізичних задач доцільно використовувати рівняння теплового балансу?

3. Запишіть рівняння теплового балансу. У чому полягає його зміст?

4. За яких умов рівняння теплового балансу є справедливим?

Експериментальні й дослідницькі завдання

Чи правильні такі твердження: а) рівняння теплового балансу виражає закон збереження енергії для теплових процесів; б) рівняння теплового балансу виражає закон збереження кількості теплоти?

ВЧИМОСЯ РОЗВ'ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

У цій та подальших задачах, якщо не вказано значення тиску, вважати температуру окропу рівною температурі кипіння води (100 °С).

Змішали воду масою 0,8 кг, що має температуру 25 °С, й окріп масою 0,2 кг. Температуру утвореної суміші виміряли, вона становила 40 °С. Обчислити кількість теплоти, яку віддав, остигаючи, окріп, і кількість теплоти, яку дістала, нагріваючись, холодна вода. Порівняти ці кількості теплоти.

Розв’язання:

Вода, яку влили в окріп, нагрілась від 25 до 40 °С і дістала кількість теплоти Q1 = c1m1 (l - t1),

Q1 = 4200 ∙ 0,8 кг ∙ (40 °С - 25 °С) = 50400 Дж.

Окріп охолонув від 100 до 40 °С, при цьому він віддав кількість теплоти:

Q2 = C2m2(t2 - t),

Q2 = 4200 0,2 кг ∙ (100 °С - 40 °С) = 50400 Дж .

Бачимо, що кількість теплоти, яку віддала гаряча вода, і кількість теплоти, яку дістала холодна вода, однакові.

Задача 2. Алюмінієвий калориметр, маса якого дорівнює 100 г, містить 100 г води кімнатної температури. У калориметр поклали тіло масою 150 г, температура якого становить 80 °С. Через деякий час, після встановлення теплової рівноваги, температура в калориметрі дорівнювала 27 °С. Визначити питому теплоємність тіла, яке поклали в калориметр.

Розв’язання:

Унаслідок теплообміну між калориметром, водою і тілом температура в калориметрі підвищилась від 20 до 27 °С, тіло при цьому охололо від 80 до 27 °С.

За умови теплового балансу Qотримали = Qвіддали , кількість теплоти Q3, яку віддало тіло, дорівнює сумі кількості теплоти, яку отримали вода в калориметрі Q2 і сам калориметр Q1, тобто: Q1 + Q2 = Q3.

Оскільки Q1 = c1m1(t - t1), Q2 = c2m2(t - t2) і Q3 = c3m3(t3 - t), то можна записати:

c1m1 (t - t1) + c2m2(t - t2) = c3m3(t3 - t),

звідки

Відповідь: c3 = 450 .

Якою стане температура води, якщо змішати 100 г окропу і 100 г води, температура якої дорівнює 20 °С?

Розв’язання:

Вода, яку влили в окріп, нагрілась від 20 °С до t і дістала кількість теплоти Q1 = c1m1(t - t1).

Окріп охолонув від 100 °С до t, при цьому він віддав кількість теплоти: Q2 = c2m2(t2 - t).

За умови теплового балансу:

Qотримали = Qвіддали, або c1m1(t - t1) = c2m2(t2 - t) .

За умовою задачі c1 = c2 та m1 = m2.

Тоді: t - 20 °C = 100 °C - t;

2t = 120 °C;

t = 60 °C.

Відповідь: температура суміші t = 60 °С.

Якою була б відповідь, якби змішували не по 100 г, а, наприклад, по 500 г холодної та гарячої води? А якщо взяти будь-які рівні об’єми холодної та гарячої води? Зробіть висновок.

Вправа 6

1. Взяли 100 г води за температури 20 °С і 100 г води за температури 60 °С. Яка температура встановиться, якщо воду змішати?

2. На скільки градусів нагріється мідний паяльник масою 200 г, якщо йому надати такої самої кількості теплоти, що йде на нагрівання олова масою 10 г від 20 до 232 °С?

3. Для приготування ванни, місткість якої 200 л, змішали холодну воду за температури 10 °С з гарячою за температури 60 °С. Які об’єми холодної і гарячої води треба взяти, щоб у ванні встановилася температура 40 °С?

4. У каструлі змішали 0,8 кг води за температури 25 °С і 0,2 кг окропу. Якою стала температура суміші?

5. У калориметр, у якому міститься 200 г води за температури 10 °С, поклали мідний брусок масою 50 г, температура якого становить 100 °С. Визначте температуру, яка встановилась у калориметрі

6. У калориметр, теплоємність якого дорівнює 63 (теплоємність калориметра визначається добутком питомої теплоємності речовини і маси калориметра С = c ∙ m), налили 250 г олії за температури 12 °С. Після того, як в олію вкинули мідне тіло, масою 500 г і температурою 100 °С, у калориметрі встановилася температура 33 °С. Визначте за даними досліду питому теплоємність олії.

7. За даними досліду, зображеного на малюнку 42, визначте кількість теплоти, яку віддало тіло, занурене у воду. Теплоємність посудини з термометром 50 .

8. У 200 г води температурою 20 °С поміщають 300 г заліза, температура якого 10 °С, і 400 г міді температурою 25 °С. Визначте температуру теплової рівноваги.

9. У скляну посудину, масою 120 г і температурою 20 °С, налили гарячу воду, маса якої 200 г і температура 100 °С. Через 5 хв температура посудини з водою стала дорівнювати 40 °С. Яка кількість теплоти втрачається за одну секунду? Процес втрати тепла вважати сталим.

Мал. 42. До завдання 7




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