Aké je množstvo tepla? Vnútorná energia. Práca a teplo

Čo sa na sporáku rýchlejšie zohreje – rýchlovarná kanvica alebo vedro s vodou? Odpoveď je zrejmá – čajník. Potom je druhá otázka prečo?

Odpoveď nie je o nič menej zrejmá - pretože množstvo vody v kanvici je menšie. Skvelé. A teraz si môžete urobiť skutočný fyzický zážitok sami doma. Na to budete potrebovať dva rovnaké malé hrnce, rovnaké množstvo vody a rastlinného oleja, napríklad pol litra a sporák. Umiestnite hrnce s olejom a vodou na rovnaké teplo. Teraz už len sledujte, čo sa rýchlejšie zahreje. Ak máte teplomer na tekutiny, môžete ho použiť, ak nie, teplotu si môžete jednoducho z času na čas vyskúšať prstom, len pozor, aby ste sa nepopálili. V každom prípade čoskoro uvidíte, že olej sa zohrieva oveľa rýchlejšie ako voda. A ešte jedna otázka, ktorá sa dá realizovať aj formou zážitku. Čo bude vrieť rýchlejšie - teplá voda alebo studená? Všetko je opäť zrejmé – prvý bude v cieli teplý. Prečo všetky tieto zvláštne otázky a experimenty? Na určenie fyzikálnej veličiny nazývanej „množstvo tepla“.

Množstvo tepla

Množstvo tepla je energia, ktorú telo stratí alebo získa pri prenose tepla. To je jasné už z názvu. Pri ochladzovaní telo stratí určité množstvo tepla a pri zahrievaní absorbuje. A odpovede na naše otázky nám ukázali Od čoho závisí množstvo tepla? Po prvé, čím väčšia je hmotnosť telesa, tým väčšie množstvo tepla musí byť vynaložené na zmenu jeho teploty o jeden stupeň. Po druhé, množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa závisí od látky, z ktorej pozostáva, teda od typu látky. A po tretie, pre naše výpočty je dôležitý aj rozdiel telesnej teploty pred a po prestupe tepla. Na základe vyššie uvedeného môžeme určiť množstvo tepla pomocou vzorca:

kde Q je množstvo tepla,
m - telesná hmotnosť,
(t_2-t_1) - rozdiel medzi počiatočnou a konečnou telesnou teplotou,
c je merná tepelná kapacita látky zistená z príslušných tabuliek.

Pomocou tohto vzorca môžete vypočítať množstvo tepla, ktoré je potrebné na zahriatie akéhokoľvek telesa alebo ktoré toto teleso uvoľní pri ochladzovaní.

Množstvo tepla sa meria v jouloch (1 J), ako každý typ energie. Táto hodnota však bola zavedená nie tak dávno a ľudia začali merať množstvo tepla oveľa skôr. A použili jednotku, ktorá je v našej dobe široko používaná - kalória (1 cal). 1 kalória je množstvo tepla potrebné na zahriatie 1 gramu vody o 1 stupeň Celzia. Na základe týchto údajov si tí, ktorí radi počítajú kalórie v jedle, môžu len tak pre zaujímavosť vypočítať, koľko litrov vody sa dá uvariť s energiou, ktorú počas dňa skonzumujú spolu s jedlom.

Vnútorná energia telesa sa môže meniť pôsobením vonkajších síl. Na charakterizáciu zmeny vnútornej energie pri prenose tepla sa zavádza veličina nazývaná množstvo tepla a označovaná Q.

V medzinárodnom systéme je jednotkou tepla, ako aj práce a energie joule: = = = 1 J.

V praxi sa niekedy používa nesystémová jednotka množstva tepla - kalória. 1 kal. = 4,2 J.

Treba poznamenať, že pojem „množstvo tepla“ je nešťastný. Bol zavedený v čase, keď sa verilo, že telá obsahujú nejakú beztiažovú, nepolapiteľnú tekutinu – kalorickú. Proces výmeny tepla údajne spočíva v tom, že kalorické, prúdiace z jedného tela do druhého, nesie so sebou určité množstvo tepla. Teraz, keď poznáme základy molekulárnej kinetickej teórie štruktúry hmoty, chápeme, že v tele nie sú žiadne kalórie, mechanizmus zmeny vnútornej energie tela je iný. Sila tradície je však veľká a naďalej používame termín zavedený na základe nesprávnych predstáv o povahe tepla. Zároveň by sme pri pochopení podstaty prenosu tepla nemali úplne ignorovať mylné predstavy o ňom. Naopak, nakreslením analógie medzi tokom tepla a tokom hypotetickej kalorickej kvapaliny, množstvom tepla a množstvom kalorií, pri riešení určitých tried problémov je možné vizualizovať prebiehajúce procesy a správne vyriešiť problémy. Nakoniec, správne rovnice popisujúce procesy prenosu tepla boli kedysi získané na základe nesprávnych predstáv o kalorickom ako nosiči tepla.

Pozrime sa podrobnejšie na procesy, ktoré sa môžu vyskytnúť v dôsledku výmeny tepla.

Do skúmavky nalejte trochu vody a uzavrite ju zátkou. Skúmavku zavesíme na tyč upevnenú v stojane a pod ňu umiestnime otvorený plameň. Skúmavka dostáva z plameňa určité množstvo tepla a teplota kvapaliny v nej stúpa. So zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje vnútorná energia kvapaliny. Nastáva intenzívny proces odparovania. Rozpínajúce sa pary kvapaliny vykonávajú mechanickú prácu na vytlačenie zátky zo skúmavky.

Urobme ďalší experiment s modelom dela vyrobeného z kusu mosadznej rúrky, ktorá je namontovaná na vozíku. Na jednej strane je trubica tesne uzavretá ebonitovou zátkou, cez ktorú je prevlečený kolík. Drôty sú prispájkované na kolík a rúrku, končiace svorkami, do ktorých je možné privádzať napätie z osvetľovacej siete. Model dela je teda typom elektrického kotla.

Nalejte trochu vody do hlavne dela a uzavrite trubicu gumovou zátkou. Pripojme pištoľ k zdroju energie. Elektrický prúd prechádzajúci vodou ju ohrieva. Voda vrie, čo vedie k intenzívnej tvorbe pary. Zvyšuje sa tlak vodnej pary a nakoniec vytlačia zátku z hlavne.

Pištoľ sa v dôsledku spätného rázu odkotúľa v smere opačnom k ​​vysunutiu zástrčky.

Obe skúsenosti spájajú nasledujúce okolnosti. V procese zahrievania kvapaliny rôznymi spôsobmi sa teplota kvapaliny a tým aj jej vnútorná energia zvýšila. Aby kvapalina vrela a intenzívne sa odparovala, bolo potrebné pokračovať v jej zahrievaní.

Kvapalné pary vďaka svojej vnútornej energii vykonávali mechanickú prácu.

Skúmame závislosť množstva tepla potrebného na zahriatie telesa od jeho hmotnosti, zmien teploty a druhu látky. Na štúdium týchto závislostí použijeme vodu a olej. (Na meranie teploty v experimente sa používa elektrický teplomer vyrobený z termočlánku spojeného so zrkadlovým galvanometrom. Jeden prechod termočlánku sa spustí do nádoby so studenou vodou, aby sa zabezpečila jej konštantná teplota. Druhý prechod termočlánku meria teplotu kvapaliny. v štúdiu).

Zážitok pozostáva z troch sérií. V prvej sérii sa pre konštantnú hmotnosť špecifickej kvapaliny (v našom prípade vody) študuje závislosť množstva tepla potrebného na jej ohrev od teplotných zmien. Množstvo tepla prijatého kvapalinou z ohrievača (elektrického sporáka) budeme posudzovať podľa doby ohrevu za predpokladu, že je medzi nimi priamo úmerný vzťah. Aby výsledok experimentu zodpovedal tomuto predpokladu, je potrebné zabezpečiť stacionárny tok tepla z elektrického sporáka do vyhrievaného telesa. Na tento účel sa elektrický sporák zapol vopred, takže na začiatku experimentu sa teplota jeho povrchu prestane meniť. Aby sa kvapalina počas experimentu zohriala rovnomernejšie, budeme ju miešať pomocou samotného termočlánku. Hodnoty teplomeru budeme zaznamenávať v pravidelných intervaloch, kým svetelná škvrna nedosiahne okraj stupnice.

Urobme záver: existuje priama úmernosť medzi množstvom tepla potrebného na zahriatie telesa a zmenou jeho teploty.

V druhej sérii experimentov budeme porovnávať množstvá tepla potrebné na zohriatie rovnakých kvapalín rôznej hmotnosti, keď sa ich teplota zmení o rovnakú hodnotu.

Pre uľahčenie porovnania získaných hodnôt sa hmotnosť vody pre druhý experiment bude považovať za dvakrát menšiu ako v prvom experimente.

Hodnoty teplomeru budeme opäť zaznamenávať v pravidelných intervaloch.

Porovnaním výsledkov prvého a druhého experimentu možno vyvodiť nasledujúce závery.

V tretej sérii experimentov budeme porovnávať množstvá tepla potrebné na zahriatie rovnakých hmôt rôznych kvapalín, keď sa ich teplota zmení o rovnakú hodnotu.

Na elektrickom sporáku si rozohrejeme olej, ktorého hmotnosť sa rovná hmotnosti vody v prvom pokuse. Hodnoty teplomeru budeme zaznamenávať v pravidelných intervaloch.

Výsledok experimentu potvrdzuje záver, že množstvo tepla potrebné na zahriatie telesa je priamo úmerné zmene jeho teploty a navyše naznačuje závislosť tohto množstva tepla od druhu látky.

Keďže v experimente bol použitý olej, ktorého hustota je menšia ako hustota vody a ohrev oleja na určitú teplotu si vyžadoval menej tepla ako ohrev vody, možno predpokladať, že množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa závisí od jeho hustota.

Aby sme otestovali tento predpoklad, budeme súčasne ohrievať rovnaké množstvá vody, parafínu a medi na ohrievači s konštantným výkonom.

Po rovnakom čase je teplota medi približne 10-krát a parafínu približne 2-krát vyššia ako teplota vody.

Ale meď má vyššiu hustotu a parafín má nižšiu hustotu ako voda.

Skúsenosti ukazujú, že veličina charakterizujúca rýchlosť zmeny teploty látok, z ktorých sú vyrobené telesá zapojené do výmeny tepla, nie je hustota. Táto veličina sa nazýva merná tepelná kapacita látky a označuje sa písmenom c.

Na porovnanie špecifických tepelných kapacít rôznych látok sa používa špeciálne zariadenie. Zariadenie pozostáva z regálov, v ktorých je pripevnená tenká parafínová platňa a pásik s tyčami, ktoré cez ňu prechádzajú. Na koncoch tyčí sú pripevnené hliníkové, oceľové a mosadzné valce rovnakej hmotnosti.

Valce zohrejeme na rovnakú teplotu tak, že ich ponoríme do nádoby s vodou stojacej na rozpálenom sporáku. Horúce valce pripevníme k stojanom a uvoľníme ich z upevnenia. Valce sa súčasne dotýkajú parafínovej platne a po roztavení parafínu do nej začnú klesať. Hĺbka ponorenia valcov rovnakej hmotnosti do parafínovej platne, keď sa ich teplota zmení o rovnakú hodnotu, sa ukáže byť odlišná.

Skúsenosti ukazujú, že špecifické tepelné kapacity hliníka, ocele a mosadze sú rôzne.

Po vykonaní príslušných experimentov s tavením pevných látok, odparovaním kvapalín a spaľovaním paliva sme získali nasledujúce kvantitatívne závislosti.

Na získanie jednotiek konkrétnych veličín je potrebné ich vyjadriť z príslušných vzorcov a do výsledných výrazov nahradiť jednotky tepla - 1 J, hmotnosť - 1 kg a pre špecifickú tepelnú kapacitu - 1 K.

Dostaneme tieto jednotky: merná tepelná kapacita – 1 J/kg·K, ostatné merné tepla: 1 J/kg.

Ťažiskom nášho článku je množstvo tepla. Budeme uvažovať o koncepte vnútornej energie, ktorá sa transformuje, keď sa táto veličina zmení. Ukážeme si aj niekoľko príkladov využitia výpočtov v ľudskej činnosti.

Teplo

Každý človek má svoje vlastné asociácie s akýmkoľvek slovom v jeho rodnom jazyku. Sú určené osobnou skúsenosťou a iracionálnymi pocitmi. Čo sa vám zvyčajne vybaví, keď počujete slovo „teplo“? Mäkká deka, fungujúci radiátor ústredného kúrenia v zime, prvé slnečné svetlo na jar, mačka. Alebo pohľad matky, utešujúce slovo priateľa, včasná pozornosť.

Fyzici pod tým myslia veľmi špecifický pojem. A veľmi dôležité, najmä v niektorých častiach tejto zložitej, no fascinujúcej vedy.

Termodynamika

Nemá cenu uvažovať o množstve tepla izolovane od najjednoduchších procesov, na ktorých je založený zákon zachovania energie – nič nebude jasné. Preto ich najprv našim čitateľom pripomeňme.

Termodynamika považuje akúkoľvek vec alebo predmet za kombináciu veľmi veľkého počtu elementárnych častí - atómov, iónov, molekúl. Jeho rovnice popisujú akúkoľvek zmenu v kolektívnom stave systému ako celku a ako časti celku pri zmene makroparametrov. Ten sa vzťahuje na teplotu (označenú ako T), tlak (P), koncentráciu zložiek (zvyčajne C).

Vnútorná energia

Vnútorná energia je pomerne zložitý pojem, ktorého význam sa oplatí pochopiť skôr, ako budeme hovoriť o množstve tepla. Označuje energiu, ktorá sa mení, keď sa hodnota makroparametrov objektu zvyšuje alebo znižuje a nezávisí od referenčného systému. Je súčasťou celkovej energie. Zhoduje sa s ním v podmienkach, keď je ťažisko skúmanej veci v kľude (to znamená, že neexistuje žiadna kinetická zložka).

Keď človek cíti, že sa predmet (povedzme bicykel) zahrial alebo ochladil, znamená to, že všetky molekuly a atómy, ktoré tvoria tento systém, prešli zmenou vnútornej energie. Stála teplota však neznamená zachovanie tohto ukazovateľa.

Práca a teplo

Vnútorná energia akéhokoľvek termodynamického systému môže byť transformovaná dvoma spôsobmi:

• vykonávaním práce na ňom;
• pri výmene tepla s okolím.

Vzorec pre tento proces vyzerá takto:

dU=Q-A, kde U je vnútorná energia, Q je teplo, A je práca.

Nech sa čitateľ nenechá oklamať jednoduchosťou výrazu. Preskupenie ukazuje, že Q=dU+A, avšak zavedením entropie (S) sa vzorec dostane do tvaru dQ=dSxT.

Keďže v tomto prípade má rovnica formu diferenciálnej, prvý výraz vyžaduje to isté. Ďalej sa v závislosti od síl pôsobiacich v skúmanom objekte a parametra, ktorý sa počíta, odvodí požadovaný pomer.

Zoberme si kovovú guľu ako príklad termodynamického systému. Ak naň stlačíte, vyhodíte ho, pustíte do hlbokej studne, znamená to, že na ňom budete pracovať. Navonok všetky tieto neškodné akcie nespôsobia loptičku žiadnu škodu, ale jej vnútorná energia sa zmení, aj keď veľmi mierne.

Druhým spôsobom je výmena tepla. Teraz sa dostávame k hlavnému cieľu tohto článku: k popisu toho, aké je množstvo tepla. Ide o zmenu vnútornej energie termodynamického systému, ku ktorej dochádza pri výmene tepla (pozri vzorec vyššie). Meria sa v jouloch alebo kalóriách. Je zrejmé, že ak držíte loptu nad zapaľovačom, na slnku alebo jednoducho v teplej ruke, zahreje sa. A potom môžete pomocou zmeny teploty nájsť množstvo tepla, ktoré mu bolo oznámené.

Prečo je plyn najlepším príkladom zmeny vnútornej energie a prečo školáci nemajú radi fyziku

Vyššie sme opísali zmeny termodynamických parametrov kovovej gule. Bez špeciálnych zariadení nie sú príliš viditeľné a čitateľ sa môže dozvedieť len o procesoch, ktoré sa vyskytujú s objektom. Iná vec je, ak je systém plynový. Stlačte naň - bude viditeľný, zahrejte - tlak stúpne, spustite ho pod zem - a dá sa ľahko zaznamenať. Preto sa v učebniciach najčastejšie používa plyn ako vizuálny termodynamický systém.

Ale, bohužiaľ, v modernom vzdelávaní sa nevenuje veľa pozornosti skutočným skúsenostiam. Vedec, ktorý píše metodickú príručku, dokonale chápe, o čo ide. Zdá sa mu, že na príklade molekúl plynu budú všetky termodynamické parametre riadne demonštrované. Ale študenta, ktorý práve objavuje tento svet, nudí počúvať o ideálnej banke s teoretickým piestom. Ak by škola mala skutočné výskumné laboratóriá a vyčlenené hodiny na prácu v nich, veci by boli iné. Zatiaľ sú, žiaľ, experimenty len na papieri. A s najväčšou pravdepodobnosťou je to práve dôvod, prečo ľudia považujú toto odvetvie fyziky za niečo čisto teoretické, ďaleko od života a zbytočné.

Preto sme sa rozhodli ako príklad použiť už vyššie spomínaný bicykel. Človek tlačí na pedále a pracuje na nich. Okrem prenosu krútiaceho momentu na celý mechanizmus (vďaka ktorému sa bicykel pohybuje v priestore) sa mení vnútorná energia materiálov, z ktorých sú páčky vyrobené. Cyklista stlačí rukoväte, aby sa otočil, a znova vykoná prácu.

Vnútorná energia vonkajšieho povlaku (plastu alebo kovu) sa zvyšuje. Človek vychádza na čistinku pod ostrým slnkom - bicykel sa zahrieva, jeho množstvo tepla sa mení. Zastaví sa, aby si oddýchol v tieni starého dubu a systém sa ochladí, pričom stratí kalórie alebo jouly. Zvyšuje rýchlosť – zvyšuje sa výmena energie. Výpočet množstva tepla vo všetkých týchto prípadoch však ukáže veľmi malú, nepostrehnuteľnú hodnotu. Preto sa zdá, že v reálnom živote neexistujú žiadne prejavy termodynamickej fyziky.

Aplikácia výpočtov na zmeny množstva tepla

Čitateľ si asi povie, že je to všetko veľmi výchovné, ale prečo sa v škole tak trápime týmito formulkami? A teraz uvedieme príklady, v ktorých oblastiach ľudskej činnosti sú priamo potrební a ako sa to týka kohokoľvek v jeho každodennom živote.

Najprv sa rozhliadnite okolo seba a spočítajte: koľko kovových predmetov vás obklopuje? Pravdepodobne viac ako desať. Ale predtým, ako sa stane kancelárskou sponkou, kočiarom, prsteňom alebo flash diskom, každý kov prechádza tavením. Každý závod, ktorý spracováva, povedzme, železnú rudu, musí pochopiť, koľko paliva je potrebné na optimalizáciu nákladov. A pri tomto výpočte je potrebné poznať tepelnú kapacitu suroviny obsahujúcej kov a množstvo tepla, ktoré jej treba odovzdať, aby prebehli všetky technologické procesy. Keďže energia uvoľnená jednotkou paliva sa počíta v jouloch alebo kalóriách, vzorce sú potrebné priamo.

Alebo iný príklad: väčšina supermarketov má oddelenie s mrazeným tovarom – rybami, mäsom, ovocím. Tam, kde sa suroviny z mäsa zvierat alebo morských plodov premieňajú na polotovary, musia vedieť, koľko elektriny spotrebujú chladiace a mraziace jednotky na tonu alebo jednotku hotového výrobku. Aby ste to urobili, musíte si vypočítať, koľko tepla stratí kilogram jahôd alebo kalamárov pri ochladení o jeden stupeň Celzia. A v konečnom dôsledku to ukáže, koľko elektriny spotrebuje mraznička určitého výkonu.

Lietadlá, lode, vlaky

Vyššie sme si ukázali príklady relatívne nehybných, statických objektov, ktorým sa určité množstvo tepla odovzdáva alebo naopak odoberá. Pre objekty, ktoré sa počas prevádzky pohybujú v podmienkach neustále sa meniacej teploty, sú výpočty množstva tepla dôležité aj z iného dôvodu.

Existuje niečo ako „únava kovu“. Zahŕňa aj maximálne prípustné zaťaženia pri určitej rýchlosti zmeny teploty. Predstavte si lietadlo vzlietajúce z vlhkých trópov do zamrznutej hornej atmosféry. Inžinieri musia tvrdo pracovať, aby zabezpečili, že sa nerozpadne v dôsledku prasklín v kove, ktoré sa objavia pri zmene teploty. Hľadajú zloženie zliatiny, ktoré vydrží skutočné zaťaženie a má veľkú rezervu bezpečnosti. A aby ste nehľadali slepo v nádeji, že náhodou narazíte na požadované zloženie, musíte urobiť veľa výpočtov vrátane tých, ktoré zahŕňajú zmeny v množstve tepla.

« Fyzika - 10. ročník"

V akých procesoch dochádza k agregátnym premenám hmoty?
Ako môžete zmeniť stav agregácie látky?

Vnútornú energiu akéhokoľvek telesa môžete meniť vykonávaním práce, zahrievaním alebo naopak ochladzovaním.
Takže pri kovaní kovu sa pracuje a zahrieva sa, zároveň sa kov môže zahrievať nad horiacim plameňom.

Taktiež, ak upevníte piest (obr. 13.5), potom sa objem plynu pri zahrievaní nemení a nevykonáva sa žiadna práca. Ale teplota plynu, a teda aj jeho vnútorná energia, sa zvyšuje.

Vnútorná energia sa môže zvyšovať a znižovať, takže množstvo tepla môže byť kladné alebo záporné.

Proces prenosu energie z jedného tela do druhého bez vykonania práce sa nazýva výmena tepla.

Kvantitatívna miera zmeny vnútornej energie pri prenose tepla sa nazýva množstvo tepla.

Molekulárny obraz prenosu tepla.

Pri výmene tepla na hranici medzi telesami dochádza k interakcii pomaly sa pohybujúcich molekúl studeného telesa s rýchlo sa pohybujúcimi molekulami horúceho telesa. V dôsledku toho sa kinetické energie molekúl vyrovnajú a rýchlosti molekúl studeného telesa sa zvýšia a horúceho telesa sa znížia.

Počas výmeny tepla sa energia nepremieňa z jednej formy na druhú; časť vnútornej energie viac zohriateho telesa sa prenáša na menej zohriate teleso.

Množstvo tepla a tepelná kapacita.

Už viete, že na zahriatie telesa s hmotnosťou m z teploty t 1 na teplotu t 2 je potrebné odovzdať mu množstvo tepla:

Q = cm(t2 - t1) = cm At. (13,5)

Keď sa teleso ochladí, jeho konečná teplota t 2 je nižšia ako počiatočná teplota t 1 a množstvo tepla, ktoré teleso vydáva, je záporné.

Koeficient c vo vzorci (13.5) sa nazýva merná tepelná kapacita látok.

Špecifické teplo- je to množstvo, ktoré sa číselne rovná množstvu tepla, ktoré látka s hmotnosťou 1 kg prijme alebo uvoľní pri zmene jej teploty o 1 K.

Merná tepelná kapacita plynov závisí od procesu, ktorým dochádza k prenosu tepla. Ak ohrievate plyn pri konštantnom tlaku, roztiahne sa a bude pracovať. Na zahriatie plynu o 1 °C pri konštantnom tlaku je potrebné odovzdať viac tepla, ako ho zohriať pri konštantnom objeme, kedy sa plyn bude iba ohrievať.

Kvapaliny a pevné látky pri zahrievaní mierne expandujú. Ich špecifické tepelné kapacity pri konštantnom objeme a konštantnom tlaku sa líšia len málo.

Špecifické teplo vyparovania.

Aby sa kvapalina počas procesu varu premenila na paru, musí sa do nej preniesť určité množstvo tepla. Teplota kvapaliny sa pri vare nemení. Premena kvapaliny na paru pri konštantnej teplote nevedie k zvýšeniu kinetickej energie molekúl, ale je sprevádzaná zvýšením potenciálnej energie ich interakcie. Koniec koncov, priemerná vzdialenosť medzi molekulami plynu je oveľa väčšia ako medzi molekulami kvapaliny.

Množstvo, ktoré sa číselne rovná množstvu tepla potrebného na premenu kvapaliny s hmotnosťou 1 kg na paru pri konštantnej teplote, sa nazýva špecifické teplo vyparovania.

Proces odparovania kvapaliny nastáva pri akejkoľvek teplote, zatiaľ čo najrýchlejšie molekuly opúšťajú kvapalinu a počas odparovania sa ochladzujú. Špecifické teplo vyparovania sa rovná špecifickému teplu vyparovania.

Táto hodnota sa označuje písmenom r a vyjadruje sa v jouloch na kilogram (J/kg).

Merné skupenské teplo vyparovania vody je veľmi vysoké: r H20 = 2,256 10 6 J/kg pri teplote 100 °C. Pre iné kvapaliny, napríklad alkohol, éter, ortuť, petrolej, je merné skupenské teplo vyparovania 3-10 krát menšie ako u vody.

Na premenu kvapaliny s hmotnosťou m na paru je potrebné množstvo tepla, ktoré sa rovná:

Qp = rm. (13.6)

Keď para kondenzuje, uvoľňuje sa rovnaké množstvo tepla:

Qk = -rm. (13.7)

Špecifické teplo topenia.

Keď sa kryštalické teleso topí, všetko teplo, ktoré sa mu dodáva, zvyšuje potenciálnu energiu interakcie medzi molekulami. Kinetická energia molekúl sa nemení, pretože topenie prebieha pri konštantnej teplote.

Hodnota, ktorá sa číselne rovná množstvu tepla potrebného na premenu kryštalickej látky s hmotnosťou 1 kg pri teplote topenia na kvapalinu, sa nazýva špecifické teplo topenia a označuje sa písmenom λ.

Keď látka s hmotnosťou 1 kg vykryštalizuje, uvoľní sa presne také množstvo tepla, aké sa absorbuje pri tavení.

Merné teplo topenia ľadu je pomerne vysoké: 3,34 10 5 J/kg.

„Ak by ľad nemal vysoké teplo topenia, na jar by sa celá masa ľadu musela roztopiť v priebehu niekoľkých minút alebo sekúnd, pretože teplo sa do ľadu neustále prenáša zo vzduchu. Dôsledky toho by boli strašné; veď aj v súčasnej situácii vznikajú veľké povodne a silné prúdy vody, keď sa topia veľké masy ľadu alebo snehu.“ R. Black, XVIII storočie.

Na roztavenie kryštalického telesa s hmotnosťou m je potrebné množstvo tepla, ktoré sa rovná:

Qpl = λm. (13.8)

Množstvo tepla uvoľneného počas kryštalizácie telesa sa rovná:

Qcr = -λm (13,9)

Rovnica tepelnej bilancie.

Uvažujme o výmene tepla v rámci systému pozostávajúceho z niekoľkých telies, ktoré majú spočiatku rozdielne teploty, napríklad výmena tepla medzi vodou v nádobe a horúcou železnou guľou spustenou do vody. Podľa zákona zachovania energie sa množstvo tepla, ktoré vydá jedno teleso, číselne rovná množstvu tepla prijatého iným.

Množstvo odovzdaného tepla sa považuje za negatívne, množstvo prijatého tepla sa považuje za pozitívne. Preto celkové množstvo tepla Q1 + Q2 = 0.

Ak dôjde k výmene tepla medzi niekoľkými telesami v izolovanom systéme, potom

Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)

Volá sa rovnica (13.10). rovnica tepelnej bilancie.

Q 1 Q 2, Q 3 sú množstvá tepla prijatého alebo odovzdaného telesami. Tieto množstvá tepla sú vyjadrené vzorcom (13.5) alebo vzorcom (13.6)-(13.9), ak počas procesu výmeny tepla dochádza k rôznym fázovým premenám látky (topenie, kryštalizácia, odparovanie, kondenzácia).

V tejto lekcii sa naučíme, ako vypočítať množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa alebo tepla uvoľneného pri ochladzovaní. K tomu zhrnieme poznatky, ktoré sme získali v predchádzajúcich lekciách.

Okrem toho sa naučíme pomocou vzorca pre množstvo tepla vyjadriť z tohto vzorca zostávajúce množstvá a vypočítať ich so znalosťou iných veličín. Zváži sa aj príklad problému s riešením výpočtu množstva tepla.

Táto lekcia je venovaná výpočtu množstva tepla, keď sa telo zahrieva alebo uvoľňuje pri ochladzovaní.

Schopnosť vypočítať požadované množstvo tepla je veľmi dôležitá. To môže byť potrebné napríklad pri výpočte množstva tepla, ktoré je potrebné odovzdať vode na vykurovanie miestnosti.

Ryža. 1. Množstvo tepla, ktoré sa musí odovzdať vode na ohrev miestnosti

Alebo na výpočet množstva tepla, ktoré sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva v rôznych motoroch:

Ryža. 2. Množstvo tepla, ktoré sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva v motore

Tieto znalosti sú potrebné napríklad aj na určenie množstva tepla, ktoré uvoľňuje Slnko a dopadá na Zem:

Ryža. 3. Množstvo tepla uvoľneného Slnkom a dopadajúceho na Zem

Na výpočet množstva tepla potrebujete vedieť tri veci (obr. 4):

• telesná hmotnosť (ktorá sa zvyčajne môže merať pomocou stupnice);
• teplotný rozdiel, o ktorý sa musí teleso zohriať alebo ochladiť (zvyčajne merané teplomerom);
• merná tepelná kapacita telesa (ktorá sa dá zistiť z tabuľky).

Ryža. 4. Čo potrebujete vedieť určiť

Vzorec, podľa ktorého sa vypočíta množstvo tepla, vyzerá takto:

V tomto vzorci sa objavujú nasledujúce množstvá:

množstvo tepla merané v jouloch (J);

Špecifická tepelná kapacita látky sa meria v ;

- teplotný rozdiel, meraný v stupňoch Celzia ().

Uvažujme o probléme výpočtu množstva tepla.

Úloha

Medené sklo s hmotnosťou gramov obsahuje vodu s objemom liter pri teplote. Koľko tepla treba odovzdať poháru vody, aby sa jeho teplota vyrovnala ?

Ryža. 5. Ilustrácia problémových stavov

Najprv si zapíšeme krátku podmienku ( Dané) a previesť všetky množstvá do medzinárodného systému (SI).

Vzhľadom na to:	SI
Nájsť:

Riešenie:

Najprv určte, aké ďalšie množstvá potrebujeme na vyriešenie tohto problému. Pomocou tabuľky mernej tepelnej kapacity (tabuľka 1) zistíme (merná tepelná kapacita medi, keďže podľa stavu je sklo meď), (merná tepelná kapacita vody, keďže podľa stavu je v skle voda). Okrem toho vieme, že na výpočet množstva tepla potrebujeme množstvo vody. Podľa stavu sa nám dáva len objem. Preto z tabuľky vezmeme hustotu vody: (Tabuľka 2).

Tabuľka 1. Merná tepelná kapacita niektorých látok,

Tabuľka 2. Hustoty niektorých kvapalín

Teraz máme všetko, čo potrebujeme na vyriešenie tohto problému.

Upozorňujeme, že konečné množstvo tepla bude pozostávať zo súčtu množstva tepla potrebného na ohrev medeného skla a množstva tepla potrebného na ohrev vody v ňom:

Najprv vypočítajme množstvo tepla potrebného na zahriatie medeného skla:

Pred výpočtom množstva tepla potrebného na ohrev vody vypočítajme hmotnosť vody pomocou vzorca, ktorý je nám známy od triedy 7:

Teraz môžeme vypočítať:

Potom môžeme vypočítať:

Pripomeňme si, čo znamenajú kilojouly. Predpona "kilo" znamená .

odpoveď:.

Na uľahčenie riešenia problémov zisťovania množstva tepla (takzvané priame problémy) a množstiev spojených s týmto konceptom môžete použiť nasledujúcu tabuľku.

Požadované množstvo	Označenie	Jednotky merania	Základný vzorec	Vzorec pre množstvo
Množstvo tepla