Notranja energija telesa se lahko spremeni zaradi delovanja zunanjih sil. Za karakterizacijo spremembe notranje energije med prenosom toplote je uvedena količina, ki se imenuje količina toplote in jo označimo s Q.
V mednarodnem sistemu je enota za količino toplote, pa tudi za delo in energijo joule: = = = 1 J.
V praksi se včasih uporablja izvensistemska enota količine toplote - kalorija. 1 kal. = 4,2 J.
Opozoriti je treba, da je izraz "količina toplote" neposrečen. Uvedli so ga v času, ko je veljalo, da telesa vsebujejo neko breztežno, izmuzljivo tekočino – kalorično. Proces prenosa toplote naj bi bil sestavljen iz dejstva, da kalorij, ki se preliva iz enega telesa v drugega, nosi s seboj določeno količino toplote. Zdaj, ko poznamo osnove molekularno-kinetične teorije zgradbe snovi, razumemo, da v telesih ni kalorij, mehanizem za spreminjanje notranje energije telesa je drugačen. Vendar je moč tradicije velika in še naprej uporabljamo izraz, uveden na podlagi napačnih predstav o naravi toplote. Hkrati z razumevanjem narave prenosa toplote ne smemo popolnoma zanemariti napačnih predstav o tem. Nasprotno, z vlečenjem analogije med pretokom toplote in pretokom hipotetične tekočine kalorij, količino toplote in količino kalorij, je mogoče pri reševanju nekaterih razredov problemov vizualizirati potekajoče procese in pravilno rešiti težave. Na koncu so bile naenkrat na podlagi napačnih predstav o kaloriji kot nosilcu toplote pridobljene pravilne enačbe, ki opisujejo procese prenosa toplote.
Oglejmo si podrobneje procese, ki se lahko pojavijo kot posledica prenosa toplote.
V epruveto nalijemo nekaj vode in jo zapremo z zamaškom. Epruveto obesite na palico, pritrjeno na stojalo, in pod njo prižgite odprt ogenj. Od plamena dobi epruveta določeno količino toplote in temperatura tekočine v njej se dvigne. Z naraščanjem temperature se povečuje notranja energija tekočine. Obstaja intenziven proces njegovega izhlapevanja. Hlapi tekočine, ki se širijo, opravijo mehansko delo, da potisnejo zamašek iz cevi.
Izvedimo še poskus z modelom topa iz kosa medeninaste cevi, ki je nameščen na vozičku. Na eni strani je cev tesno zaprta z ebonitnim čepom, skozi katerega je napeljan žebljiček. Žice so spajkane na čep in cev ter se končajo s sponkami, ki jih je mogoče napajati iz omrežja za razsvetljavo. Model pištole je torej nekakšen električni kotel.
V topovsko cev nalijte nekaj vode in cev zaprite z gumijastim zamaškom. Priključite pištolo na vir napajanja. Električni tok, ki teče skozi vodo, jo segreje. Voda vre, kar vodi do njenega intenzivnega izhlapevanja. Pritisk vodne pare se poveča in končno opravijo delo s potiskanjem zamaška iz puškove cevi.
Pištola se zaradi odsuna vrne nazaj v smer, nasprotno od izstrelitve plute.
Obe izkušnji združujejo naslednje okoliščine. V procesu segrevanja tekočine na različne načine se je temperatura tekočine in s tem njena notranja energija povečala. Da je tekočina vrela in intenzivno izhlapevala, jo je bilo potrebno nadaljevati s segrevanjem.
Hlapi tekočine so zaradi svoje notranje energije opravljali mehansko delo.
Raziskujemo odvisnost količine toplote, potrebne za segrevanje telesa, od njegove mase, temperaturnih sprememb in vrste snovi. Za preučevanje teh odvisnosti bomo uporabili vodo in olje. (Za merjenje temperature v poskusu se uporablja električni termometer, sestavljen iz termočlena, ki je povezan z zrcalnim galvanometrom. En termočlenski spoj spustimo v posodo s hladno vodo, da zagotovimo konstantno temperaturo. Drugi termočlen meri temperaturo preučevane tekočine).
Doživetje je sestavljeno iz treh serij. V prvi seriji se za konstantno maso določene tekočine (v našem primeru vode) preučuje odvisnost količine toplote, potrebne za njeno segrevanje, od temperaturnih sprememb. Količino toplote, ki jo tekočina prejme od grelnika (električne peči), bomo presodili po času segrevanja, ob predpostavki, da je med njima neposredno sorazmerno razmerje. Da bi rezultat poskusa ustrezal tej predpostavki, je treba zagotoviti enakomeren pretok toplote od električnega štedilnika do ogrevanega telesa. Da bi to naredili, je bil električni štedilnik vnaprej priključen na omrežje, tako da se do začetka poskusa temperatura njegove površine ne bo več spreminjala. Za bolj enakomerno segrevanje tekočine med poskusom jo bomo mešali s pomočjo samega termočlena. Odčitke termometra bomo beležili v rednih intervalih, dokler svetlobna točka ne doseže roba skale.
Naj zaključimo: med količino toplote, ki je potrebna za ogrevanje telesa, in spremembo njegove temperature obstaja premosorazmerna povezava.
V drugi seriji poskusov bomo primerjali količino toplote, ki je potrebna za segrevanje enakih tekočin različnih mas, ko se njihova temperatura spremeni za enako količino.
Za lažjo primerjavo dobljenih vrednosti bo masa vode za drugi poskus vzeta dvakrat manj kot v prvem poskusu.
Ponovno bomo v rednih intervalih beležili odčitke termometra.
Če primerjamo rezultate prvega in drugega poskusa, lahko sklepamo naslednje.
V tretji seriji poskusov bomo primerjali količine toplote, potrebne za segrevanje enakih mas različnih tekočin, ko se njihova temperatura spremeni za enako količino.
Na električnem štedilniku bomo segreli olje, katerega masa je enaka masi vode v prvem poskusu. V rednih intervalih bomo beležili odčitke termometra.
Rezultat poskusa potrjuje ugotovitev, da je količina toplote, ki je potrebna za ogrevanje telesa, premosorazmerna s spremembo njegove temperature, poleg tega pa kaže na odvisnost te količine toplote od vrste snovi.
Ker je bilo v poskusu uporabljeno olje, katerega gostota je manjša od gostote vode in je bila za segrevanje olja na določeno temperaturo potrebna manjša količina toplote kot za segrevanje vode, lahko predpostavimo, da je količina toplote potrebna za ogrevanje telesa je odvisna od njegove gostote.
Za preverjanje te predpostavke bomo istočasno segrevali enake mase vode, parafina in bakra na grelniku konstantne moči.
Po istem času je temperatura bakra približno 10-krat, parafin pa približno 2-krat višja od temperature vode.
Toda baker ima večjo in parafin manjšo gostoto kot voda.
Izkušnje kažejo, da količina, ki označuje hitrost spreminjanja temperature snovi, iz katerih so sestavljena telesa, ki sodelujejo pri izmenjavi toplote, ni gostota. To količino imenujemo specifična toplotna kapaciteta snovi in jo označujemo s črko c.
S posebno napravo primerjamo specifične toplotne kapacitete različnih snovi. Naprava je sestavljena iz stojal, v katerih je pritrjena tanka parafinska plošča in palica s palicami, ki so napeljane skozi njo. Na koncih palic so pritrjeni valji iz aluminija, jekla in medenine enake mase.
Valje segrejemo na isto temperaturo tako, da jih potopimo v posodo z vodo, ki stoji na segretem električnem štedilniku. Pritrdimo vroče jeklenke na stojala in jih sprostimo iz pritrdilnih elementov. Valji se istočasno dotaknejo parafinske plošče in se s taljenjem parafina začnejo potapljati vanj. Globina potopitve jeklenk enake mase v parafinsko ploščo, ko se njihova temperatura spremeni za enako količino, se izkaže za drugačno.
Izkušnje kažejo, da so specifične toplotne kapacitete aluminija, jekla in medenine različne.
Ko smo izvedli ustrezne poskuse s taljenjem trdnih snovi, uparjanjem tekočin in zgorevanjem goriva, dobimo naslednje kvantitativne odvisnosti.
Da bi dobili enote specifičnih količin, jih je treba izraziti iz ustreznih formul in v dobljene izraze nadomestiti enote toplote - 1 J, mase - 1 kg, za specifično toploto - in 1 K.
Dobimo enote: specifična toplotna kapaciteta - 1 J / kg K, druge specifične toplote: 1 J / kg.
Kot že vemo, se lahko notranja energija telesa spreminja tako pri delu kot pri prenosu toplote (brez dela). Glavna razlika med delom in količino toplote je v tem, da delo določa proces pretvorbe notranje energije sistema, ki ga spremlja preoblikovanje energije iz ene vrste v drugo.
V primeru, da sprememba notranje energije poteka s pomočjo prenos toplote, se prenos energije iz enega telesa v drugo izvaja zaradi toplotna prevodnost, sevanje oz konvekcija.
Energija, ki jo telo izgubi ali pridobi pri prenosu toplote, se imenuje količino toplote.
Pri izračunu količine toplote morate vedeti, katere količine nanjo vplivajo.
Iz dveh enakih gorilnikov bomo ogrevali dve posodi. V eni posodi 1 kg vode, v drugi - 2 kg. Temperatura vode v obeh posodah je na začetku enaka. Vidimo, da se v istem času voda v eni od posod segreje hitreje, čeprav obe posodi prejmeta enako količino toplote.
Tako sklepamo: večja kot je masa določenega telesa, večjo količino toplote je treba porabiti, da se njegova temperatura zniža ali poveča za enako število stopinj.
Ko se telo ohlaja, oddaja sosednjim predmetom večja je količina toplote, večja je njegova masa.
Vsi vemo, da če moramo segreti poln kotliček vode na temperaturo 50°C, bomo za to porabili manj časa, kot če bi segreli kotliček z enako količino vode, vendar le do 100°C. V prvem primeru bo voda dobila manj toplote kot v drugem.
Tako je količina toplote, potrebne za ogrevanje, neposredno odvisna od koliko stopinj telo se lahko ogreje. Lahko zaključimo: količina toplote je neposredno odvisna od temperaturne razlike telesa.
Toda ali je mogoče določiti količino toplote, ki je potrebna ne za ogrevanje vode, ampak za kakšno drugo snov, recimo olje, svinec ali železo.
Eno posodo napolnite z vodo, drugo pa z rastlinskim oljem. Masi vode in olja sta enaki. Obe posodi bosta enakomerno segreti na istih gorilnikih. Začnimo s poskusom pri enaki začetni temperaturi rastlinskega olja in vode. Čez pet minut bomo z merjenjem temperature segretega olja in vode opazili, da je temperatura olja precej višja od temperature vode, čeprav sta obe tekočini prejeli enako količino toplote.
Očiten zaključek je: Pri segrevanju enakih mas olja in vode pri isti temperaturi so potrebne različne količine toplote.
In takoj potegnemo še en zaključek: količina toplote, ki je potrebna za ogrevanje telesa, je neposredno odvisna od snovi, iz katere telo sestoji (vrsta snovi).
Tako je količina toplote, ki je potrebna za ogrevanje telesa (ali sproščena med hlajenjem), neposredno odvisna od mase danega telesa, variabilnosti njegove temperature in vrste snovi.
Količino toplote označujemo s simbolom Q. Tako kot druge različne vrste energije se tudi količina toplote meri v joulih (J) ali kilodžulih (kJ).
1 kJ = 1000 J
Vendar pa zgodovina kaže, da so znanstveniki začeli meriti količino toplote že dolgo preden se je v fiziki pojavil koncept energije. Takrat je bila razvita posebna enota za merjenje količine toplote - kalorija (cal) ali kilokalorija (kcal). Beseda ima latinske korenine, calorus - toplota.
1 kcal = 1000 kal
Kalorije je količina toplote, ki je potrebna, da se temperatura 1 g vode segreje za 1 °C
1 cal = 4,19 J ≈ 4,2 J
1 kcal = 4190 J ≈ 4200 J ≈ 4,2 kJ
Imaš kakšno vprašanje? Ne veste, kako narediti domačo nalogo?
Če želite dobiti pomoč od mentorja -.
Prva lekcija je brezplačna!
blog.site, s popolnim ali delnim kopiranjem gradiva je obvezna povezava do vira.
V tej lekciji se bomo naučili izračunati količino toplote, ki je potrebna za ogrevanje telesa ali njegovo sproščanje, ko se ohladi. Da bi to naredili, bomo povzeli znanje, pridobljeno v prejšnjih lekcijah.
Poleg tega se bomo naučili, kako s formulo za količino toplote izraziti preostale količine iz te formule in jih izračunati ob poznavanju drugih količin. Obravnavan bo tudi primer problema z rešitvijo za izračun količine toplote.
Ta lekcija je namenjena izračunu količine toplote, ko se telo segreje ali sprosti pri ohlajanju.
Sposobnost izračuna potrebne količine toplote je zelo pomembna. To je lahko potrebno na primer pri izračunu količine toplote, ki jo je treba prenesti na vodo za ogrevanje prostora.
riž. 1. Količina toplote, ki jo je treba prijaviti vodi za ogrevanje prostora
Ali za izračun količine toplote, ki se sprosti pri zgorevanju goriva v različnih motorjih:
riž. 2. Količina toplote, ki se sprosti pri zgorevanju goriva v motorju
Tudi to znanje je potrebno na primer za določitev količine toplote, ki jo sprosti Sonce in zadene Zemljo:
riž. 3. Količina toplote, ki jo sprosti Sonce in pade na Zemljo
Za izračun količine toplote morate vedeti tri stvari (slika 4):
- telesna teža (ki jo običajno lahko izmerimo s tehtnico);
- temperaturna razlika, s katero je potrebno telo ogreti ali ohladiti (običajno merjeno s termometrom);
- specifična toplotna kapaciteta telesa (ki jo lahko določimo iz tabele).
riž. 4. Kaj morate vedeti za določitev
Formula za izračun količine toplote je naslednja:
Ta formula vsebuje naslednje količine:
Količina toplote, merjena v joulih (J);
Specifična toplotna kapaciteta snovi, merjena v;
- temperaturna razlika, merjena v stopinjah Celzija ().
Razmislite o problemu izračuna količine toplote.
Naloga
Bakren kozarec z maso gramov vsebuje vodo s prostornino en liter pri temperaturi . Koliko toplote je treba prenesti na kozarec vode, da postane njegova temperatura enaka?
riž. 5. Ponazoritev pogoja problema
Najprej napišemo kratek pogoj ( dano) in pretvorite vse količine v mednarodni sistem (SI).
|
podano: |
SI |
|
|
Najti: |
rešitev:
Najprej določite, katere druge količine potrebujemo za rešitev tega problema. Glede na tabelo specifične toplotne kapacitete (tabela 1) ugotovimo (specifična toplotna kapaciteta bakra, saj je po pogoju steklo baker), (specifična toplotna kapaciteta vode, saj je po pogoju v kozarcu voda). Poleg tega vemo, da za izračun količine toplote potrebujemo maso vode. Po pogoju nam je dana le glasnost. Zato vzamemo gostoto vode iz tabele: (Tabela 2).
Tab. 1. Specifična toplotna kapaciteta nekaterih snovi,
Tab. 2. Gostote nekaterih tekočin
Zdaj imamo vse, kar potrebujemo za rešitev tega problema.
Upoštevajte, da bo skupna količina toplote sestavljena iz vsote količine toplote, potrebne za segrevanje bakrenega stekla, in količine toplote, potrebne za segrevanje vode v njem:
Najprej izračunamo količino toplote, potrebno za segrevanje bakrenega stekla:
Preden izračunamo količino toplote, potrebno za ogrevanje vode, izračunamo maso vode po formuli, ki nam je znana iz 7. razreda:
Zdaj lahko izračunamo:
Potem lahko izračunamo:
Spomnite se, kaj pomeni: kilodžulov. Predpona "kilo" pomeni, tj.
odgovor:.
Za lažje reševanje problemov iskanja količine toplote (tako imenovani neposredni problemi) in količin, povezanih s tem konceptom, lahko uporabite naslednjo tabelo.
|
Želena vrednost |
Imenovanje |
Enote |
Osnovna formula |
Formula za količino |
|
Količina toplote |
V naslednji lekciji bomo izvedli laboratorijsko delo, katerega namen je, da se naučimo eksperimentalno določati specifično toploto trdne snovi. Seznamliteratura:
Domača naloga |
Kaj se hitreje segreje na štedilniku - kotliček ali vedro vode? Odgovor je očiten - kotliček. Potem je drugo vprašanje zakaj?
Odgovor ni nič manj očiten - ker je masa vode v kotličku manjša. Super. In zdaj lahko najbolj pravo telesno izkušnjo doživite sami doma. Če želite to narediti, boste potrebovali dve enaki majhni ponvi, enako količino vode in rastlinskega olja, na primer pol litra vsakega in kuhalnik. Na isti ogenj pristavimo lonce z oljem in vodo. Zdaj pa le opazujte, kaj se bo hitreje segrelo. Če obstaja termometer za tekočine, ga lahko uporabite, če ne, lahko samo občasno poskusite temperaturo s prstom, le pazite, da se ne opečete. V vsakem primeru boste kmalu videli, da se olje segreje bistveno hitreje kot voda. In še eno vprašanje, ki ga je mogoče uresničiti tudi v obliki izkušenj. Katera voda hitreje zavre - topla ali hladna? Spet je vse očitno – prvi bo na koncu prišel topli. Zakaj vsa ta čudna vprašanja in poskusi? Da bi določili fizikalno količino, imenovano "količina toplote."
Količina toplote
Količina toplote je energija, ki jo telo izgubi ali pridobi pri prenosu toplote. To je jasno že iz imena. Pri ohlajanju bo telo izgubilo določeno količino toplote, pri segrevanju pa jo absorbiralo. In odgovori na naša vprašanja so nam pokazali od česa je odvisna količina toplote? Prvič, večja kot je masa telesa, večja je količina toplote, ki jo je treba porabiti, da se njegova temperatura spremeni za eno stopinjo. Drugič, količina toplote, ki je potrebna za ogrevanje telesa, je odvisna od snovi, iz katere je sestavljeno, to je od vrste snovi. In tretjič, za naše izračune je pomembna tudi razlika v telesni temperaturi pred in po prenosu toplote. Na podlagi zgoraj navedenega lahko določite količino toplote po formuli:
Q=cm(t_2-t_1) ,
kjer je Q količina toplote,
m - telesna teža,
(t_2-t_1) - razlika med začetno in končno telesno temperaturo,
c - specifična toplotna kapaciteta snovi, se ugotovi iz ustreznih tabel.
S to formulo lahko izračunate količino toplote, ki je potrebna za ogrevanje katerega koli telesa ali ki jo bo to telo sprostilo, ko se ohladi.
Količino toplote merimo v joulih (1 J), tako kot vsako drugo obliko energije. Vendar je bila ta vrednost uvedena ne tako dolgo nazaj in ljudje so začeli meriti količino toplote veliko prej. In uporabili so enoto, ki se v našem času pogosto uporablja - kalorijo (1 cal). 1 kalorija je količina toplote, ki je potrebna za dvig temperature 1 grama vode za 1 stopinjo Celzija. Na podlagi teh podatkov lahko ljubitelji štetja kalorij v hrani, ki jo zaužijejo, za zanimivost izračunajo, koliko litrov vode lahko zavrejo z energijo, ki jo čez dan zaužijejo s hrano.
IZMENJAVA TOPLOTE.
1. Prenos toplote.
Izmenjava toplote ali prenos toplote je proces prenosa notranje energije enega telesa na drugo brez opravljanja dela.
Obstajajo tri vrste prenosa toplote.
1) Toplotna prevodnost je izmenjava toplote med telesi v neposrednem stiku.
2) Konvekcija je prenos toplote, pri katerem se toplota prenaša s tokovi plina ali tekočine.
3) sevanje je prenos toplote s pomočjo elektromagnetnega sevanja.
2. Količina toplote.
Količina toplote je merilo za spremembo notranje energije telesa med izmenjavo toplote. Označeno s črko Q.
Merska enota količine toplote = 1 J.
Količina toplote, ki jo telo prejme od drugega telesa kot posledica prenosa toplote, se lahko porabi za povečanje temperature (povečanje kinetične energije molekul) ali za spremembo agregatnega stanja (povečanje potencialne energije).
3. Specifična toplotna kapaciteta snovi.
Izkušnje kažejo, da je količina toplote, ki je potrebna za segrevanje telesa mase m s temperature T 1 na temperaturo T 2, sorazmerna z maso telesa m in temperaturno razliko (T 2 - T 1), tj.
Q = cm(T 2 - T 1 ) = zmΔ T,
z imenujemo specifična toplotna kapaciteta snovi segretega telesa.
Specifična toplotna kapaciteta snovi je enaka količini toplote, ki jo je treba privesti 1 kg snovi, da se ta segreje za 1 K.
Enota specifične toplotne kapacitete =.
Vrednosti toplotne kapacitete različnih snovi najdete v fizičnih tabelah.
Popolnoma enaka količina toplote Q se bo sprostila, ko se telo ohladi za ΔT.
4. Specifična toplota uparjanja.
Izkušnje kažejo, da je količina toplote, ki je potrebna za pretvorbo tekočine v paro, sorazmerna z maso tekočine, tj.
Q = lm,
kjer je koeficient sorazmernosti L imenujemo specifična toplota uparjanja.
Specifična toplota uparjanja je enaka količini toplote, ki je potrebna za pretvorbo 1 kg tekočine pri vrelišču v paro.
Merska enota za specifično toploto uparjanja.
V obratnem procesu, kondenzaciji pare, se toplota sprosti v enaki količini, kot je bila porabljena za uparjanje.
5. Specifična talilna toplota.
Izkušnje kažejo, da je količina toplote, ki je potrebna za pretvorbo trdne snovi v tekočino, sorazmerna z maso telesa, tj.
Q = λ m,
kjer se sorazmernostni koeficient λ imenuje specifična talilna toplota.
Specifična talilna toplota je enaka količini toplote, ki je potrebna, da se trdno telo, ki tehta 1 kg, spremeni v tekočino pri tališču.
Merska enota za specifično talilno toploto.
V obratnem procesu, kristalizaciji tekočine, se toplota sprosti v enaki količini, kot je bila porabljena za taljenje.
6. Specifična zgorevalna toplota.
Izkušnje kažejo, da je količina toplote, ki se sprosti pri popolnem zgorevanju goriva, sorazmerna z maso goriva, tj.
Q = qm,
Pri čemer se faktor sorazmernosti q imenuje specifična zgorevalna toplota.
Specifična toplota zgorevanja je enaka količini toplote, ki se sprosti pri popolnem zgorevanju 1 kg goriva.
Merska enota za specifično toploto zgorevanja.
7. Enačba toplotne bilance.
Pri izmenjavi toplote sodelujeta dve ali več teles. Nekatera telesa oddajajo toploto, druga pa jo sprejemajo. Prenos toplote poteka, dokler se temperature teles ne izenačijo. Po zakonu o ohranitvi energije je količina oddane toplote enaka prejeti količini. Na tej osnovi je zapisana enačba toplotne bilance.
Razmislite o primeru.
Telo z maso m 1 s toplotno kapaciteto c 1 ima temperaturo T 1 , telo z maso m 2 s toplotno kapaciteto c 2 pa temperaturo T 2 . Poleg tega je T1 večji od T2. Ta telesa pridejo v stik. Izkušnje kažejo, da se hladno telo (m 2) začne segrevati, vroče telo (m 1) pa se začne ohlajati. To pomeni, da se del notranje energije vročega telesa prenese na hladno in se temperature izravnajo. Končno skupno temperaturo označimo z θ.
Količina toplote, ki se prenese z vročega telesa na hladno
Q preneseno. = c 1 m 1 (T 1 – θ )
Količina toplote, ki jo hladno telo prejme od vročega
Q prejeli. = c 2 m 2 (θ – T 2 )
Po zakonu o ohranitvi energije Q preneseno. = Q prejeli., tj.
c 1 m 1 (T 1 – θ )= c 2 m 2 (θ – T 2 )
Odprimo oklepaje in izrazimo vrednost skupne stacionarne temperature θ.
Vrednost temperature θ v tem primeru dobimo v kelvinih.
Ker pa je v izrazih za Q prešlo. in Q je prejet. če obstaja razlika med dvema temperaturama in je enaka v obeh kelvinih in stopinjah Celzija, se lahko izračun izvede v stopinjah Celzija. Potem
V tem primeru bo vrednost temperature θ dobljena v stopinjah Celzija.
Poravnavo temperatur kot posledico toplotne prevodnosti lahko na podlagi molekularno-kinetične teorije razložimo kot izmenjavo kinetične energije med molekulami med trkom v procesu termičnega kaotičnega gibanja.
Ta primer lahko ponazorimo z grafom.