Кількість теплоти витрачений на нагрівання тіла формула. Розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла або виділяється їм при охолодженні

\u003e\u003e Фізика: Розрахунок кількості теплоти необхідного для нагрівання тіла і виділяється їм при охолодженні

Щоб навчитися розраховувати кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання тіла, встановимо спочатку, від яких величин воно залежить.
З попереднього параграфа ми вже знаємо, що це кількість теплоти залежить від роду речовини, з якого складається тіло (тобто його питомої теплоємності):
Q залежить від з
Але це ще не все.

Якщо ми хочемо підігріти воду в чайнику так, щоб вона стала лише теплою, то ми недовго будемо нагрівати її. А для того щоб вода стала гарячою, ми будемо нагрівати її довше. Але чим довше чайник буде стикатися з нагрівачем, тим більша кількість теплоти він від нього отримає.

Отже, чим сильніше при нагріванні змінюється температура тіла, тим більша кількість теплоти необхідно йому передати.

Нехай початкова температура тіла дорівнює tнач, а кінцева температура - tкон. Тоді зміна температури тіла буде виражатися різницею:

Нарешті, всім відомо, що для нагрівання, Наприклад, 2 кг води потрібно більший час (І, отже, більшу кількість теплоти), ніж для нагрівання 1 кг води. Це означає, що кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла, залежить від маси цього тіла:

Отже, для розрахунку кількості теплоти потрібно знати питому теплоємність речовини, з якого виготовлено тіло, масу цього тіла і різниця між його кінцевою і початковою температурами.

Нехай, наприклад, потрібно визначити, яка кількість теплоти необхідно для нагрівання залізної деталі масою 5 кг за умови, що її початкова температура дорівнює 20 ° С, а кінцева повинна стати рівною 620 ° С.

З таблиці 8 знаходимо, що питома теплоємність заліза з \u003d 460 Дж / (кг ° С). Це означає, що для нагрівання 1 кг заліза на 1 ° С потрібно 460 Дж.
Для нагрівання 5 кг заліза на 1 ° С потрібно в 5 разів більше кількості теплоти, тобто 460 Дж * 5 \u003d 2300 Дж.

Для нагрівання залоза не на 1 ° С, а на At \u003d 600 ° С потрібно ще в 600 разів більше кількості теплоти, т. е. 2300 Дж Х 600 \u003d 1 380 000 Дж. Точно таке ж (по модулю) кількість теплоти виділиться і при охолодженні цього заліза від 620 до 20 ° С.

Отже, щоб знайти кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла або виділяється їм при охолодженні, потрібно питому теплоємність тіла помножити на його масу і на різницю між його кінцевою і початковою температурами:

??? 1. Наведіть приклади, що показують, що кількість теплоти, що отримується тілом при нагріванні, залежить від його маси і зміни температури. 2. За якою формулою розраховується кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла або виділяється їм при охолодженні?

С.В. Громов, Н.А. Родина, Фізика 8 клас

Відіслано читачами з інтернет-сайтів

Завдання і відповіді з фізики за класами, скачати реферати фізики, планування уроків фізики 8 клас, все школяреві для підготовки до уроків, план конспектів уроків з фізики, фізика тести онлайн, домашні завдання і робота

ТЕПЛООБМІН.

1.Теплообмен.

Теплообмін або теплопередача - це процес передачі внутрішньої енергії одного тіла іншому без здійснення роботи.

Існують три види теплообміну.

1) теплопровідність - це теплообмін між тілами при їх безпосередньому контакті.

2) Конвекція - це теплообмін, при якому перенесення тепла здійснюється потоками газу або рідини.

3) випромінювання - це теплообмін за допомогою електромагнітного випромінювання.

2.Кількість теплоти.

Кількість теплоти - це міра зміни внутрішньої енергії тіла при теплообміні. позначається буквою Q.

Одиниця виміру кількості теплоти \u003d 1 Дж.

Кількість теплоти, отримане тілом від іншого тіла в результаті теплообміну, може витрачатися на збільшення температури (збільшення кінетичної енергії молекул) або на зміну агрегатного стану (збільшення потенційної енергії).

3.Удельная теплоємність речовини.

Досвід показує, що кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла масою m від температури Т 1 до температури Т 2 пропорційно масі тіла m і різниці температур (Т 2 - Т 1), тобто

Q = cm(Т 2 - Т 1 ) \u003d ЗmΔ Т,

з називається питомою теплоємністю речовини тіла, що нагрівається.

Питома теплоємність речовини дорівнює кількості теплоту, яке необхідно повідомити 1 кг речовини, щоб нагріти його на 1 К.

Одиниця виміру питомої теплоємності \u003d.

Значення теплоємності різних речовин можна знайти в фізичних таблицях.

Точно така ж кількість теплоти Q буде виділятися при охолодженні тіла на Т.

4.Удельний теплотапаротворення.

Досвід показує, що кількість теплоти, необхідне для перетворення рідини в пару, пропорційно масі рідини, тобто

Q = Lm,

де коефіцієнт пропорційності Lназивається питомою теплотою пароутворення.

Питома теплота пароутворення дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для перетворення на пару 1 кг рідини, що знаходиться при температурі кипіння.

Одиниця виміру питомої теплоти пароутворення.

При зворотному процесі, конденсації пари, теплота виділяється в тій же кількості, яке витрачено на пароутворення.

5.Удельная теплота плавлення.

Досвід показує, що кількість теплоти, необхідне для перетворення твердого тіла в рідину, пропорційно масі тіла, тобто

Q = λ m,

де коефіцієнт пропорційності λ називається питомою теплотою плавлення.

Питома теплота плавлення дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для перетворення в рідину твердого тіла масою 1 кг при температурі плавлення.

Одиниця виміру питомої теплоти плавлення.

При зворотному процесі, кристалізації рідини, теплота виділяється в тій же кількості, яке витрачено на плавлення.

6.Удельная теплота згоряння.

Досвід показує, що кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні палива, пропорційно масі палива, тобто

Q = qm,

Де коефіцієнт пропорційності q називається питомою теплотою згоряння.

Питома теплота згоряння дорівнює кількості теплоти, що виділяється при повному згорянні 1 кг палива.

Одиниця виміру питомої теплоти згорання.

7.Уравненіе теплового балансу.

У теплообміні беруть участь два або більше тіла. Одні тіла віддають теплоту, а інші приймають. Теплообмін відбувається до тих пір, поки температури тіл не стануть рівними. Згідно із законом збереження енергії, кількість теплоти, яке віддається, дорівнює кількості, яке приймається. На цій підставі записується рівняння теплового балансу.

Розглянемо приклад.

Тіло масою m 1, теплоємність якого з 1, має температуру Т 1, а тіло масою m 2, теплоємність якого з 2, має температуру Т 2. Причому Т 1 більше Т 2. Ці тіла наведені в зіткнення. Досвід показує, що холодне тіло (m 2) починає нагріватися, а гаряче тіло (m 1) - охолоджуватися. Це говорить про те, що частина внутрішньої енергії гарячого тіла передається холодного, і температури вирівнюються. Позначимо кінцеву загальну температуру θ.

Кількість теплоти, переданої гарячим тілом холодного

Q переданий. = c 1 m 1 (Т 1 – θ )

Кількість теплоти, отриманої холодним тілом від гарячого

Q отримано. = c 2 m 2 (θ – Т 2 )

Згідно із законом збереження енергії Q переданий. = Q отримано. , Тобто

c 1 m 1 (Т 1 – θ )= c 2 m 2 (θ – Т 2 )

Розкриємо дужки і висловимо значення загальною усталеною температури θ.

Значення температури θ в даному випадку отримаємо в кельвінах.

Однак, так як у виразах для Q переданий. і Q отримано. варто різницю двох температур, а вона і в кельвінах, і в градусах Цельсія однакова, то розрахунок можна вести і в градусах Цельсія. тоді

У цьому випадку значення температури θ отримаємо в градусах Цельсія.

Вирівнювання температур в результаті теплопровідності можна пояснити на підставі молекулярно-кінетичної теорії як обмін кінетичної енергією між молекулами при зіткненні в процесі теплового хаотичного руху.

Цей приклад можна проілюструвати графіком.

Щоб навчитися розраховувати кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання тіла, встановимо спочатку, від яких величин воно залежить.

З попереднього параграфа ми вже знаємо, що це кількість теплоти залежить від роду речовини, з якого складається тіло (т. Е. Його питомої теплоємності):

Q залежить від c.

Але це ще не все.

Якщо ми хочемо підігріти воду в чайнику так, щоб вона стала лише теплою, то ми недовго будемо нагрівати її. А для того щоб вода стала гарячою, ми будемо нагрівати її довше. Але чим довше чайник буде стикатися з нагрівачем, тим більша кількість теплоти він від нього отримає. Отже, чим сильніше при нагріванні змінюється температура тіла, тим більша кількість теплоти необхідно йому передати.

Нехай початкова температура тіла дорівнює t поч, а кінцева температура - t кін. Тоді зміна температури тіла буде виражатися різницею

Δt \u003d t кін - t поч,

і кількість теплоти буде залежати від цієї величини:

Q залежить від Δt.

Нарешті, всім відомо, що для нагрівання, наприклад, 2 кг води потрібно більше часу (і, отже, більшу кількість теплоти), ніж для нагрівання 1 кг води. Це означає, що кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла, залежить від маси цього тіла:

Q залежить від m.

Отже, для розрахунку кількості теплоти потрібно знати питому теплоємність речовини, з якого виготовлено тіло, масу цього тіла і різниця між його кінцевою і початковою температурами.

Нехай, наприклад, потрібно визначити, яка кількість теплоти необхідно для нагрівання залізної деталі масою 5 кг за умови, що її початкова температура дорівнює 20 ° С, а кінцева повинна стати рівною 620 ° С.

З таблиці 8 знаходимо, що питома теплоємність заліза з \u003d 460 Дж / (кг * ° С). Це означає, що для нагрівання 1 кг заліза на 1 ° С потрібно 460 Дж.

Для нагрівання 5 кг заліза на 1 ° С потрібно в 5 разів більше кількості теплоти, т. Е. 460 Дж * 5 \u003d 2300 Дж.

Для нагрівання залоза не на 1 ° С, а на Δt \u003d 600 ° С потрібно ще в 600 разів більше кількості теплоти, т. Е. 2300 Дж * 600 \u003d 1 380 000 Дж. Точно таке ж (по модулю) кількість теплоти виділиться і при охолодженні цього заліза від 620 до 20 ° С.

Отже, щоб знайти кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла або виділяється їм при охолодженні, потрібно питому теплоємність тіла помножити на його масу і на різницю між його кінцевою і початковою температурами:

При нагріванні тіла tкон\u003e tнач і, отже, Q\u003e 0. При охолодженні тіла t кін< t нач и, следовательно, Q < 0.

1. Наведіть приклади, що показують, що кількість теплоти, що отримується тілом при нагріванні, залежить від його маси і зміни температури. 2. За якою формулою розраховується кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла або виділяється їм при охолодженні?

У фокусі уваги нашої статті - кількість теплоти. Ми розглянемо поняття внутрішньої енергії, яка трансформується при зміні цієї величини. А також покажемо деякі приклади застосування розрахунків в людській діяльності.

теплота

З будь-яким словом рідної мови у кожної людини є свої асоціації. вони визначаються особистим досвідом і ірраціональними почуттями. Що зазвичай представляється при слові «теплота»? М'яка ковдра, що працює батарея центрального опалення взимку, перший сонячне світло навесні, кіт. Або погляд матері, втішне слово одного, вчасно виявлену увагу.

Фізики мають на увазі під цим абсолютно конкретний термін. І дуже важливий, особливо в деяких розділах цієї складної, але захоплюючої науки.

термодинаміка

Розглядати кількість теплоти у відриві від найпростіших процесів, на які спирається закон збереження енергії, не варто - нічого не буде зрозуміло. Тому для початку нагадаємо їх читачам.

Термодинаміка розглядає будь-яку річ або об'єкт як з'єднання дуже великої кількості елементарних частин - атомів, іонів, молекул. Її рівняння описують будь-яка зміна колективного стану системи як цілого і як частини цілого при зміні макропараметрів. Під останніми розуміються температура (позначається як Т), тиск (Р), концентрація компонентів (як правило, С).

Внутрішня енергія

Внутрішня енергія - досить складний термін, в сенсі якого варто розібратися перш, ніж говорити про кількість теплоти. Він позначає ту енергію, яка змінюється при збільшенні або зменшенні значення макропараметрів об'єкта і не залежить від системи відліку. Є частиною загальної енергії. Збігається з нею в умовах, коли центр мас досліджуваної речі спочиває (тобто відсутня кінетична складова).

Коли людина відчуває, що деякий об'єкт (скажімо, велосипед) нагрівся або охолов, це показує, що всі молекули й атоми, складові цю систему, зазнали зміна внутрішньої енергії. Однак незмінність температури не означає збереження цього показника.

Робота і теплота

Внутрішня енергія будь-якої термодинамічної системи може перетворитися двома способами:

• за допомогою здійснення над нею роботи;
• при теплообміні з навколишнім середовищем.

Формула цього процесу виглядає так:

dU \u003d Q-А, де U - внутрішня енергія, Q - теплота, А - робота.

Нехай читач не спокушається простотою виразу. Перестановка показує, що Q \u003d dU + А, однак введення ентропії (S) призводить формулу до вигляду dQ \u003d dSxT.

Так як в даному випадку рівняння приймає вид диференціального, то і перший вираз вимагає того ж. Далі, в залежності від сил, що діють в досліджуваному об'єкті, і параметра, який обчислюється, виводиться правильні значення.

Візьмемо як приклад термодинамічної системи металева кулька. Якщо на нього натиснути, підкинути вгору, впустити в глибокий колодязь, то це означає зробити над ним роботу. Чисто зовні всі ці нешкідливі дії кульці ніякої шкоди не заподіють, але внутрішня енергія його зміниться, хоч і дуже ненабагато.

Другий спосіб - це теплообмін. Тепер підходимо до головної мети даної статті: опису того, що така кількість теплоти. Це така зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи, яке відбувається при теплообміні (дивіться формулу вище). Воно вимірюється в джоулях або калоріях. Очевидно, що якщо кулька потримати над запальничкою, на сонці, або просто в теплою руці, То він нагріється. А далі можна по зміні температури знайти кількість теплоти, яке йому було при цьому повідомлено.

Чому газ - кращий приклад зміни внутрішньої енергії, і чому через це школярі не люблять фізику

Вище ми описували зміни термодинамічних параметрів металевої кульки. Вони без спеціальних приладів не дуже помітні, і читачеві залишається повірити на слово про що відбуваються з об'єктом процесах. Інша справа, якщо система - газ. Натисніть на нього - це буде видно, нагрійте - підніметься тиск, опустіть під землю - і це можна з легкістю зафіксувати. Тому в підручниках найчастіше в якості наочної термодинамічної системи беруть саме газ.

Але, на жаль, в сучасній освіті реальним дослідам приділяється не так багато уваги. Вчений, який пише методичний посібник, Чудово розуміє, про що йде мова. Йому здається, що на прикладі молекул газу все термодинамічні параметри будуть належним чином продемонстровано. Але учневі, який тільки відкриває для себе цей світ, нудно слухати про ідеальну колбу з теоретичним поршнем. Якби в школі існували справжні дослідні лабораторії і на роботу в них виділялися годинник, все було б по-іншому. Поки, на жаль, досліди тільки на папері. І, швидше за все, саме це стає причиною того, що люди вважають цей розділ фізики чимось чисто теоретичним, далеким від життя і непотрібним.

Тому ми вирішили в якості прикладу привести вже згадуваний вище велосипед. Людина тисне на педалі - здійснює над ними роботу. Крім повідомлення всьому механізму крутного моменту (завдяки якому велосипед і переміщається в просторі), змінюється внутрішня енергія матеріалів, з яких зроблені важелі. Велосипедист натискає на ручки, щоб повернути, - і знову робить роботу.

Внутрішня енергія зовнішнього покриття (пластика або металу) збільшується. Людина виїжджає на галявину під яскраве сонце - велосипед нагрівається, змінюється його кількість теплоти. Зупиняється відпочити в тіні старого дуба, і система охолоджується, втрачаючи калорії або джоулі. Збільшує швидкість - зростає обмін енергією. Однак розрахунок кількості теплоти в усіх цих випадках покаже дуже маленьку, непомітну величину. Тому і здається, що проявів термодинамічної фізики в реальному житті немає.

Застосування розрахунків зі зміни кількості теплоти

Ймовірно, читач скаже, що все це дуже пізнавально, але навіщо ж нас так мучать в школі цими формулами. А зараз ми наведемо приклади, в яких областях людської діяльності вони потрібні безпосередньо і як це стосується будь-якого в його повсякденності.

Для початку подивіться навколо себе і порахуйте: скільки предметів з металу вас оточують? Напевно більше десяти. Але перш ніж стати скріпкою, вагоном, кільцем або флешкою, будь-який метал проходить виплавку. Кожен комбінат, на якому переробляють, припустимо, залізну руду, повинен розуміти, скільки потрібно палива, щоб оптимізувати витрати. А розраховуючи це, необхідно знати теплоємність металлосодержащего сировини і кількість теплоти, яке йому необхідно повідомити, щоб відбулися всі технологічні процеси. Так як виділяється одиницею палива енергія розраховується в джоулях або калоріях, то формули потрібні безпосередньо.

Або інший приклад: у більшості супермаркетів є відділ з замороженими товарами - рибою, м'ясом, фруктами. Там, де сировину з м'яса тварин чи морепродуктів перетворюється в напівфабрикат, повинні знати, скільки електрики употребят холодильні та морозильні установки на тонну або одиницю готового продукту. Для цього слід розрахувати, яка кількість теплоти втрачає кілограм полуниці або кальмарів при охолодженні на один градус Цельсія. А в підсумку це покаже, скільки електрики витратить морозильник певної потужності.

Літаки, пароплави, потяги

Вище ми показали приклади щодо нерухомих, статичних предметів, яким повідомляють або у яких, навпаки, забирають певну кількість теплоти. Для об'єктів, в процесі роботи рухаються в умовах постійно мінливої \u200b\u200bтемператури, розрахунки кількості теплоти важливі з іншої причини.

Є таке поняття, як "втома металу". Включає воно в себе також і гранично допустимі навантаження при певній швидкості зміни температури. Уявіть, літак злітає з вологих тропіків в заморожені верхні шари атмосфери. Інженерам доводиться багато працювати, щоб він не розвалився через тріщини в металі, які з'являються при перепаді температури. Вони шукають такий склад сплаву, який здатний витримати реальні навантаження і буде мати великий запас міцності. А щоб не шукати наосліп, сподіваючись випадково наштовхнутися на потрібну композицію, доводиться робити багато розрахунків, в тому числі і включають зміни кількості теплоти.