Теплостатика

Физика

8 класс

Курс «Тепловые процессы»

Содержание

1.Тепло и температура.

2.Способы изменения внутренней энергии.

3.Удельная теплоёмкость вещества.

4.Нагревание и охлаждение.

5.Плавление и отвердевание (кристаллизация).

6.Парообразование и конденсация.

7.Тепловые процессы в природе и технике. Уравнение теплового баланса.

8.Источники тепла. КПД.

9.Примеры решения задач.

10.Задачи для самостоятельного решения.

Комнатный

термометр

1.ТЕПЛО И ТЕМПЕРАТУРА

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с такими понятиями, как

«тёплый», «холодный», «горячий», но ведь эти

понятия относительны и в

различных ситуациях нам будет непонятно о степени нагретости тела. Например,

если по новостям зимой передают, что будет тепло, относительно лета всё равно

на улице будет холодно.

Отсюда следует, что такое понятие как тепло мы

должны измерять при помощи специального

прибора хоть зимой, хоть летом. Такой прибор

существует, он называется термометром. В переводе

с греческого θέρμη — тепло; μετρέω — измеряю.

Существует большое количество термометров, для

разных ситуаций и потребностей. На рисунке

представлен самый обычный комнатный термометр, который мы

используем в быту. Самая распространенная единица измерения

температуры [t - °C] градусы Цельсия.

Андерс Цельсий (27 ноября 1701— 25

апреля 1744) — шведский астроном, геолог и метеоролог,

создатель новой для своего времени шкалы для измерения

температуры, впоследствии получившей его имя.

Профессор математики и астрономии Уппсальского

университета (1730—1744).

Цельсий

создал

свою

шкалу

относительно

изменения

агрегатного

состояния воды. Он взял некоторый объём воды и начал её охлаждать, поместив в

неё тонкую колбу с закрашенным спиртом. В определённый момент времени он

заметил, что уровень жидкости перестал меняться, а вода начала покрываться

тонким слоем льда. На колбе учёный поставил отметку «0», после этого он начал

нагревать сосуд и довёл жидкость до кипения. Спирт в колбе расширился и

уровень стал выше и как бы он не грел её дальше уровень не менялся. Андерс

сделал вывод: «Это самая высокая температура для воды!» Он поставил там

отметку «100» и поделил шкалу на 100 одинаковых отрезков. Так был изобретён

жидкостный термометр.

Сейчас рассмотрим вещество с многократным увеличением для того,

чтобы пронаблюдать как себя ведут его молекулы. Вы уже знаете из курса 7

класса, что существует 2 вида механической энергии.

Из них следует, что движение тела или поднятое тело обладает одним из

видов механической энергии, и по закону сохранения она никуда не может деться,

а лишь переходить из одной в другую. Рассмотрим пример, мальчик держит в

руках стальной шар, в этот момент шар обладает максимальной потенциальной

энергией, отпустив его тяжёлый предмет начинает разгоняться, и потенциальная

энергия перед самым падением полностью перейдёт в кинетическую. Шар

ударится о твёрдую поверхность,

при этом

слегка нагреется. Значит,

механическая энергия перейдёт в тепловую. Из этого следует, что существует и

тепловая энергия, которую составляет сумма кинетических и потенциальных

энергий, которыми обладают молекулы тела. Чем выше температура, тем быстрее

они движутся. Такое беспорядочное движение частиц называется тепловым.

Наряду с Цельсием ещё один учёный изучал тепловые явления и создал

свою шкалу. Он рассчитал, что при температуре -273 градуса по Цельсию

молекулы любого вещества останавливаются, значит не обладают энергией.

Учёный сказал, что именно там должен быть абсолютный «0». Этого учёного

звали Кельвин

1 градус Цельсия = 1 Кельвин, но их шкалы смещены относительно друг от

друга.

Уи

́

льям То

́

мсон, барон Ке

́

львин (26 июня 1824 года— 17

декабря 1907 года) - британский физик и механик. Известен

своими работами в области

термодинамики, механики, электродинамики.

Кельвин и Цельсий являются основными

единицами измерений температуры, но

также существуют и другие. Например,

градус Фаренгейта,

градус Реомюра,

градус Рёмера,

градус Ранкина, градус Делиля,

градус

Гука,

градус

Дальтона,

градус

Ньютона,

лейденский

градус,

планковская

температура.

Тело, обладающее температурой,

имеет запас тепловой энергии. Её

называют внутренней энергией тела. И также как механическая энергия она

измеряется в джоулях, а обозначается Q.

Эта энергия может переходить от

одного тела к другому, передаваться от жидкости к воздуху и наоборот,

проходить миллионы километров от Солнца к другим объектам нашей Вселенной.

Количество теплоты [Q – Дж]

2.СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ.

Изменить внутреннюю энергию, то есть изменить тепло, которым обладает

тело

можно

двумя

способами.

1 способ. Совершить над телом работу механическую, электрическую

или химической реакции. Например, потирая руки друг о друга можно

почувствовать тепло, таким образом, мы совершаем механическую работу. Когда

электрический ток проходит через спираль утюга, он тоже нагревается, и когда

происходит горение свечи тоже чувствуется тепло. Это способы проявления

электрической

и

химической

работы.

2 способ. Самый распространённый способ изменения внутренней

энергии является способ теплопередачи (теплообмена)

– это способ, при

котором

изменение

температуры

происходит

без

совершения

работы.

В природе существует три способа теплопередачи:

1).теплопроводность – передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому

или от одного горячего края тела к более холодному. Такой вид теплопередачи

происходит

преимущественно

в

твёрдых

телах;

2).конвекция – передача тепла совершается самими струями жидкости или газа.

Нагреваясь газ или жидкость стремится подняться вверх, а остывая опускается

вниз,

таким

образом

происходит

циркуляция

(конвекция);

3).излучение

–

передача

тепла

совершается

способом

излучения

электромагнитных волн определённой частоты. Данный вид теплопередачи может

существовать в любых агрегатных состояниях вещества и даже в вакууме.

Наиболее встречающийся пример, это солнечный свет идущий от Солнца к Земле,

проходя даже через вакуум Вселенной, газовую оболочку нашей планеты и

твёрдое стекло, мы

всё равно чувствуем

тепло.

3.УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЁМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА

При нагревании различных веществ оказалось, что при одинаковой

передачи тепла различным предметам их температура изменяется по-разному.

Например, если на вас есть изделия из драгоценных металлов и вы находитесь в

жарком помещении (в бане), то можно почувствовать сильное жжение от них. Но

находясь вплотную к кирпичной стене печи, в которой горит огонь, нам не так

жарко.

Это подтверждение того, что каждому материалу надо передавать

различное тепло, чтобы изменять его температуру. Отчего же это зависит? ОТ

ЕГО СВОЙСТВ.

Опыт.

Из опыта следует, что медь нагревается быстрее, чем сталь при

одинаковом нагревании. Значит должна быть такая физическая величина, которая

характеризует изменение температуры от получаемого количества теплоты.

Удельная теплоёмкость вещества [С - 1Дж/кг*градус] - физическая

величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать

телу массой 1 кг вещества для того, чтобы его температура изменилась на

1градус. К примеру, если мы возьмём 1 кг золота, то для того, чтобы изменить

его температуру на 1 градус, нужно сообщить ему количество теплоты равное 130

Дж.

4.НАГРЕВАНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ

Для того чтобы нагреть любое вещество нам необходимо знать род

вещества (удельную теплоёмкость), массу и изменение его температуры. Только

таким образом можно рассчитать какое количество теплоты необходимо для

нагрева любого тела.

Удельная теплоёмкость указывает на то,

какое количество теплоты

необходимо для нагрева одного килограмма вещества и на один градус, а что если

вещества не один килограмм, а несколько?

Значит, мы должны умножить

массу на удельную теплоёмкость.

Изменение

температуры

происходит тоже на несколько

градусов.

Значит,

нужно

умножить

на

количество

градусов.

Масса вещества [m - кг]

Удельная теплоёмкость вещества

[С – 1 Дж/кг*градус]

Температура [t - °C], изменение температуры [ t2-t1 ]или [Δt]

Оказывается при охлаждении, требуется точно такое же количество

теплоты отдать в окружающую среду веществу, как и при нагревании.

Пользуясь данной формулой при расчёте количества теплоты, следует

учесть, что если величина получается положительной, то тело нагревается, а если

отрицательной, то тело охлаждается. Процессы нагревания и охлаждения является

зеркальными.

5.ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ (КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ)

Опыт. Возьмём вещество в твёрдом состоянии, например, олово и будем

его нагревать, наблюдая за его температурой. В определённый момент времени

столбик термометра перестанет подниматься, хотя мы по-прежнему передаём ему

внутреннюю

энергию.

Почему

же

так

происходит?

Оказывается, этот металл достиг температуры плавления, и вся энергия

расходуется для разрушения молекулярных связей и происходит превращение из

твёрдого вещества в жидкое. Этот процесс называется плавление. Температура,

при которой происходит данный процесс называется температурой плавления.

Температура плавления [tp -°C ]

При достижении температуры плавления не всем веществам нужно

одинаковое количество теплоты для того, чтобы его полностью расплавить.

Поэтому существует физическая величина, которая определяет, сколько энергии

надо передать 1 килограмму вещества, взятому при температуре плавления, чтобы

полностью его расплавить.

Удельная теплота плавления [ λ - Дж/кг] (λ «лямбда»)

Таким

образом,

для

того,

чтобы

рассчитать

количество

теплоты

необходимое для

полного расплавления вещества, взятого при температуре

плавления надо удельную теплоту плавления умножить на массу.

Находясь в жидком состоянии, вещество может превратиться в твёрдое.

Ему необходимо передать окружающей среде точно такое же количество теплоты,

как и при плавлении. Процесс превращения из жидкого состояния в твёрдое

называется отвердевание (кристаллизация).

На

графике

видно,

что

температура

плавления

свинца

выше, чем у олова.

6.ПАРООБРАЗОВАНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ

Опыт. Возьмём ёмкость с водой при комнатной температуре, опустим

туда термометр и начнём нагревать. Температура жидкости увеличится до

определённого момента, а именно до температуры кипения.

Не убавляя

источник тепла, её температура так и не увеличится, а лишь

увеличит

интенсивность кипения.

Кипение — процесс интенсивного парообразования, который происходит

в жидкости, как на свободной её поверхности, так и внутри её структуры.

Парообразование

- это процесс превращения вещества из жидкого

состояния в газообразное.

Кипение может происходит только при максимальной температуре

жидкости, так как жидкость не может существовать при большей температуре

(это будет пар). Парообразование может происходить даже при комнатной

температуре.

Процесс парообразования происходит из-за того, что молекулы жидкости

могут обладать достаточной энергией, чтобы преодолеть притяжение соседних

молекул и покинуть жидкость.

Данный процесс можно встретить в повседневной жизни.

Опыт. Капнем воду на поверхность стола. Спустя некоторое время вся

капля испарится, даже при комнатной температуре. Надевая мокрую одежду на

себя, мы чувствуем холод, это происходит из-за того, что молекулы воды

стремятся превратится в пар, и забирают часть тепла с нашей поверхности тела.

Чтобы испарить 1 килограмм жидкости взятой при температуре кипения

требуется определённое количество теплоты. Величина, указывающая на то,

сколько потребуется тепла для данного процесса называется удельной теплотой

парообразования.

Удельная теплота парообразования [L - Дж/кг]

Для каждой жидкости требуется своё количество теплоты для того, чтобы

её полностью превратить в пар. Поэтому удельная теплота парообразования

индивидуальна для каждой жидкости.

Температура кипения

в °С

при давлении 101,3

кПа

Удельная теплота

парообразования, кДж/кг

Алюминий

2 450

10 900

Ацетон

56,25

525

Вода

100

2 256

Водород

-252,77

454

Гелий

-268,94

20,6

Золото

2 700

1 650

Кислород

-182,97

213

Медь

2 590

4 790

Метан

-161,5

510

Олово

2 430

2 450

Температуру кипения жидкости можно легко поменять, изменяя давление

над её поверхностью, к примеру, если кипящую воду в кастрюле накрыть плотно

крышкой, то пар, находящийся на поверхности жидкости, будет препятствовать

покиданию молекул из неё. При этом температура кипения воды может достигать

120-130°C.

Находясь в месте пониженного давления, например, на горе Эверест, температура

кипения воды резко понижается до 40-50°C.

Существует и обратный процесс превращения пара в жидкость, который

называется конденсация. Мы его часто наблюдаем, достав холодную бутылку

воды из холодильника. Это происходит из-за того, что молекулы пара ударяясь о

бутылку отдают ей свою внутреннюю энергию и превращаются в жидкость, в

виде капель воды на её поверхности.

7.ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПРИРОДЕ И ТЕХНИКЕ. УРАВНЕНИЕ

ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА.

Все процессы, описанные ранее, часто встречаются в нашей повседневной

жизни. И поэтому мы не можем их рассматривать по отдельности.

Существуют процессы смешивания веществ или помещения твёрдых в

жидкое состояние с разной температурой. Такое уравнение называют уравнение

теплового баланса. Оно учитывает сохранение внутренней энергии всех тел.

Q = Q1+Q2+Q3+…..+Qn

Q – количество теплоты, которым обладают вся система

веществ.

Опыт. Возьмём стакан с водой известной массы и погрузим туда кусок

нагретого металла. В процессе получим тепловой баланс жидкости и металла. Как

же рассчитать установившуюся температуру?

Общее количество теплоты будет равняться сумме количеств теплоты

воды и металла.

Q = m

воды

Cв

оды

(t

общее

- t

начальное

)+m

металла

C

металла

(t

общее

- t

начальное

)

Отсюда следует, что установившаяся температура равна

8.ИСТОЧНИКИ ТЕПЛА. КПД.

Все виды теплопередачи подразумевают переход тепла от одного тела к

другому. Для того, чтобы тепло появилось надо его произвести. Таких способов

несколько:

1 способ. Совершить механическую работу.

А = FS

, где А – работа [Дж], F – сила трения [Н], S – путь [м]

Получение внутренней энергии этим способом, очень распространено в

различных механических агрегатах. Трущиеся детали друг о друга начинают

нагреваться, в некоторых случаях детали смазывают маслом, чтобы понизить силу

трения.

2 способ. Химическая реакция.

Самая распространённая химическая реакция – горение. Гореть могут

вещества, которые являются топливом. При сгорании 1 килограмма спирта

выделится 27 000 000 Дж, а у торфа 14 000 000 Дж.

Можно

сделать

вывод, что у каждого

топлива существует своя

величина выделенной

энергии.

Топливо бывает трёх видов: твёрдое, жидкое и газообразное. Каждый вид топлива

используется в промышленности и в нашей повседневной жизни, в зависимости

от условий его применения. Например, в автомобиль мы заливаем жидкое или

газообразное топливо (бензин, керосин, дизельное топливо, пропан, нитрометан),

т.к. особенности его мотора не приспособлены для твёрдого топлива.

В котельных в основном используют уголь, т.к. его легко транспортировать, не

взрывоопасен и угля много в природе.

3 способ. Электрическая энергия.

Широко используется в быту. Проходя по проводам, электрический ток

начинает их нагревать. Этот способ лежит в основе работы таких приборов, как

электрический чайник, кипятильник, электрическая плита, лампочка накаливания.

Для

того

чтоб

рассчитать

количество

теплоты

выделенное

электронагревательным прибором используется Закон Джоуля – Ленца.

Существуют,

конечно, ещё

способы получать тепло, к примеру, термоядерная реакция.

Тепло, переходя от топлива к телу, либо от тела к телу, не всегда

полностью это делает, поэтому можно рассчитать, сколько произошло потерь в

данной системе.

КПД – коэффициент полезного действия.

9.ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ.

Задача №1 Деталь из алюминия массой 200г. нагрели от 24 градусов до

274 градусов. Какое количество теплоты передали детали?

Задача №2 Стакан из стекла наполнен водой массой 80 г., стояв на Солнце, его

температура повысилась на 25 градусов. Найдите массу воды, если известно, что

стакан вместе с водой повысил свою внутреннюю энергию на 22,65 КДж

Для того чтоб рассчитать массу воды мы должны учитывать что часть

внутренней энергии ушло для нагрева воды, а часть на нагрев стакана из стекла.

Получаем уравнение.

Задача№3

10.ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1 уровень сложности

1. Какое физическое явление используется в основе работы ртутного термометра?

А. Плавление твердого тела при нагревании.

Б. Испарение жидкости при нагревании.

В. Расширение жидкости при нагревании.

Г. Конвекция в жидкости при нагревании.

Д. Излучение при нагревании.

2. Каким способом осуществляется передача энергии от Солнца к Земле?

А. Теплопроводностью.

Б. Излучением.

В. Конвекцией.

Г. Работой.

Д. Всеми перечисленными в ответах А — Г.

3. При погружении части металлической ложки в стакан с горячим чаем не

погруженная часть ложки вскоре стала горячей. Каким способом осуществилась

передача энергии в этом случае?

А. Теплопроводностью.

Б. Излучением.

В. Конвекцией.

Г. Работой.

Д. Всеми перечисленными в А — Г способами.

4. Как обогревается комната радиатором центрального отопления?

А. Тепло выделяется радиатором и распределяется по всей комнате.

Б. Обогревание комнаты осуществляется только за счет явления

теплопроводности.

В. Обогревание комнаты осуществляется только путем конвекции.

Г. Энергия от батареи теплопроводностью передается холодному воздуху у ее

поверхности. Затем конвекцией распределяется по всей комнате.

5. Какой физический параметр определяет количество теплоты, необходимое для

нагревания вещества массой 1 кг на 1 °С?

A. Удельная теплота сгорания.

Б. Удельная теплота парообразования.

B. Удельная теплота плавления.

Г. Удельная теплоемкость.

Д. Теплопроводность

2 уровень сложности

1.Определите по графику массу воды, если известно, что на её нагревание

затратили 504 КДж

2. В стакане было 50 г воды при температуре 20 °С. В него долили 100 г воды при

температуре 80 °С. Какой стала температура воды в стакане после смешивания

воды?

3.Кристаллическое вещество при температуре 20 °С поместили в электрическую

печь и некоторое время нагревали. Затем его вынули из печи и оно некоторое

время остывало. График зависимости температуры вещества от времени в течение

этого опыта представлен на рисунке 1. Сколько минут в этом эксперименте все

вещество находилось в жидком состоянии?

4. Расплавленный цинк при температуре 630 °С влит в форму. За 10 мин

температура

отливки

снизилась

до

температуры

525

°С.

Температура

кристаллизации цинка 420 °С. Сколько еще минут пройдет до завершения

процесса кристаллизации при такой же скорости теплоотдачи, как и в начальном

процессе остывания? Удельная теплоемкость жидкого цинка 0,5 кДж/кг • °С.

Удельная теплота плавления 112 кДж/кг • °С.

3 уровень сложности

1. Ванна, в которую помещается 100 кг воды, необходимо заполнить водой при

температуре 30 С. , используя воду при температуре 80 С и лед при температуре -

20 С. Найти массу льда, который придется положить в ванну. Удельная

теплоемкость льда 2100 Дж/кгС, удельная теплота плавления льда 330000 Дж\кг.

2. В железном калориметре массой 100 г с удельной теплоемкостью 460 Дж/кг С.

находится 0,5 кг воды при температуре 15 С. В калориметр бросают свинец и

алюминий общей массой 0,15 кг и температурой 100 С. В результате температура

воды поднимется до 17 С. Найти массы свинца и алюминия. Удельные

теплоемкости свинца 126 Дж/кгС, алюминия 836 Дж\кг С.

3. Смесь, состоящую из 5 кг льда и 15 кг воды при общей температуре 0С надо

нагреть до температуры 80 С пропусканием водяного пара при температуре 100

С. Найдите необходимое для этого количество пара.

Удельная теплота

парообразования воды 2,26 * 10

6

Дж\кг.

4.Определите количество теплоты, которое необходимо передать кусочку льда

массой 2 грамма, чтобы его температура увеличилась от -20 градусов до 120.