Obliczanie ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała lub wydzielanego przez nie podczas chłodzenia. Obliczanie ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała i wydzielanego przez nie podczas chłodzenia - Hipermarket Wiedzy
(lub transfer ciepła).
Ciepło właściwe substancji.
Pojemność cieplna- jest to ilość ciepła pochłonięta przez ciało podgrzane o 1 stopień.
Pojemność cieplna ciała jest oznaczona wielką literą łacińską Z.
Od czego zależy pojemność cieplna ciała? Przede wszystkim z jego masy. Oczywiste jest, że podgrzanie na przykład 1 kilograma wody będzie wymagało więcej ciepła niż podgrzanie 200 gramów.
A co z rodzajem substancji? Zróbmy eksperyment. Weźmy dwa identyczne naczynia i wlewając do jednego z nich wodę o wadze 400 g, a do drugiego olej roślinny o wadze 400 g, zaczniemy je podgrzewać za pomocą identycznych palników. Obserwując wskazania termometru zobaczymy, że olej szybko się nagrzewa. Aby ogrzać wodę i olej do tej samej temperatury, wodę należy podgrzewać dłużej. Ale im dłużej podgrzewamy wodę, tym więcej ciepła otrzymuje ona z palnika.
Zatem ogrzanie tej samej masy różnych substancji do tej samej temperatury wymaga różnej ilości ciepła. Ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała, a co za tym idzie, jego pojemność cieplna, zależą od rodzaju substancji, z której zbudowane jest ciało.
I tak np. do ogrzania wody o masie 1 kg o 1°C potrzeba ciepła 4200 J, a do ogrzania tej samej masy oleju słonecznikowego o 1°C ilość ciepła równa Wymagane jest 1700 J.
Nazywa się wielkość fizyczną pokazującą, ile ciepła potrzeba do ogrzania 1 kg substancji o 1 ° C specyficzna pojemność cieplna tej substancji.
Każda substancja ma swoją pojemność cieplną właściwą, oznaczoną łacińską literą c i mierzoną w dżulach na kilogram stopnia (J/(kg °C)).
Ciepło właściwe tej samej substancji w różnych stanach skupienia (stałym, ciekłym i gazowym) jest różne. Na przykład ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/(kg °C), a ciepło właściwe lodu wynosi 2100 J/(kg °C); aluminium w stanie stałym ma ciepło właściwe 920 J/(kg - °C), a w stanie ciekłym - 1080 J/(kg - °C).
Należy pamiętać, że woda ma bardzo duże ciepło właściwe. Dlatego też woda w morzach i oceanach nagrzewając się latem, pochłania dużą ilość ciepła z powietrza. Dzięki temu w miejscach położonych w pobliżu dużych zbiorników wodnych lato nie jest tak gorące, jak w miejscach oddalonych od wody.
Obliczanie ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała lub wydzielanego przez nie podczas chłodzenia.
Z powyższego jasno wynika, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy od rodzaju substancji, z której ciało się składa (tj. jego ciepła właściwego) oraz od masy ciała. Wiadomo też, że ilość ciepła zależy od tego, o ile stopni będziemy podnosić temperaturę ciała.
Aby więc określić ilość ciepła potrzebną do ogrzania ciała lub uwolnioną przez nie podczas chłodzenia, należy pomnożyć pojemność cieplną właściwą ciała przez jego masę i różnicę między jego temperaturą końcową i początkową:
Q = cm (T 2 - T 1 ) ,
Gdzie Q- ilość ciepła, C- specyficzna pojemność cieplna, M- masa ciała, T 1 — temperatura początkowa, T 2 — temperatura końcowa.
Kiedy ciało się nagrzewa t2 > T 1 i dlatego Q > 0 . Kiedy ciało się ochłodzi t 2i< T 1 i dlatego Q< 0 .
Jeśli znana jest pojemność cieplna całego ciała Z, Q określone wzorem:
Q = C (t 2 - T 1 ) .
W praktyce często stosuje się obliczenia termiczne. Przykładowo przy wznoszeniu budynków należy wziąć pod uwagę, ile ciepła powinien oddać budynek cały system grzewczy. Warto także wiedzieć, ile ciepła ucieknie do otaczającej przestrzeni przez okna, ściany i drzwi.
Na przykładach pokażemy jak przeprowadzić proste obliczenia.
Musisz więc dowiedzieć się, ile ciepła otrzymała część miedziana po podgrzaniu. Jego masa wynosiła 2 kg, a temperatura wzrosła z 20 do 280°C. Najpierw, korzystając z tabeli 1, określamy ciepło właściwe miedzi przy m = 400 J / kg °C). Oznacza to, że ogrzanie części miedzianej o masie 1 kg o 1°C będzie wymagało 400 J. Aby ogrzać część miedzianą o masie 2 kg o 1°C, ilość ciepła potrzebna jest 2 razy większa - 800 J. Temperatura miedzi część należy zwiększyć o więcej niż 1°C, a przy 260°C oznacza to, że potrzeba będzie 260 razy więcej ciepła, czyli 800 J 260 = 208 000 J.
Jeśli oznaczymy masę jako m, różnicę między temperaturą końcową (t 2) i początkową (t 1) - t 2 - t 1, otrzymamy wzór na obliczenie ilości ciepła:
Q = cm(t 2 - t 1).
Przykład 1. Żelazny kocioł o masie 5 kg napełniono wodą o masie 10 kg. Ile ciepła należy przekazać do kotła z wodą, aby jego temperatura zmieniła się z 10 na 100°C?
Rozwiązując problem, należy wziąć pod uwagę, że oba ciała - kocioł i woda - nagrzeją się razem. Między nimi następuje wymiana ciepła. Ich temperatury można uznać za takie same, czyli temperatura kotła i wody zmienia się o 100°C - 10°C = 90°C. Ale ilości ciepła odbieranego przez kocioł i wodę nie będą takie same. Przecież ich masy i ciepło właściwe są różne.
Podgrzewanie wody w garnku
Przykład 2. Zmieszaliśmy wodę o masie 0,8 kg o temperaturze 25°C i wodę o temperaturze 100°C o masie 0,2 kg. Zmierzono temperaturę powstałej mieszaniny i okazało się, że wynosi ona 40°C. Oblicz, ile ciepła oddała gorąca woda podczas chłodzenia i ile zimnej wody otrzymała po podgrzaniu. Porównaj te ilości ciepła.
Zapiszmy warunki problemu i rozwiążmy go.
Widzimy, że ilość ciepła oddanego przez gorącą wodę i ilość ciepła otrzymanego przez zimną wodę jest równa. To nie jest wynik przypadkowy. Doświadczenie pokazuje, że jeśli między ciałami następuje wymiana ciepła, to energia wewnętrzna wszystkich ciał grzewczych wzrasta o tyle, o ile maleje energia wewnętrzna ciał chłodzących.
Podczas przeprowadzania eksperymentów zwykle okazuje się, że energia oddana przez gorącą wodę jest większa niż energia otrzymana przez zimną wodę. Wyjaśnia to fakt, że część energii jest przekazywana do otaczającego powietrza, a część energii jest przekazywana do naczynia, w którym mieszano wodę. Równość energii oddanej i otrzymanej będzie dokładniejsza, im mniej strat energii zostanie dopuszczone w eksperymencie. Jeśli obliczysz i uwzględnisz te straty, równość będzie dokładna.
pytania
- Co trzeba wiedzieć, aby obliczyć ilość ciepła otrzymaną przez ciało podczas ogrzewania?
- Wyjaśnij na przykładzie, w jaki sposób oblicza się ilość ciepła oddanego ciału podczas ogrzewania lub uwolnionego podczas chłodzenia.
- Napisz wzór na obliczenie ilości ciepła.
- Jakie wnioski można wyciągnąć z eksperymentu polegającego na zmieszaniu zimnej i gorącej wody? Dlaczego w praktyce te energie nie są równe?
Ćwiczenie 8
- Ile ciepła potrzeba, aby ogrzać 0,1 kg wody o 1°C?
- Oblicz ilość ciepła potrzebną do ogrzania: a) żeliwa o masie 1,5 kg, aby zmienić jego temperaturę o 200°C; b) łyżkę aluminiową o wadze 50 g od 20 do 90°C; c) kominek ceglany o wadze 2 ton od 10 do 40°C.
- Ile ciepła wydzieliło się podczas schładzania wody o objętości 20 litrów, jeśli temperatura zmieniła się ze 100 na 50°C?
Jak wiadomo, podczas różnych procesów mechanicznych następuje zmiana energii mechanicznej. Miarą zmiany energii mechanicznej jest praca sił przyłożonych do układu:
Podczas wymiany ciepła następuje zmiana energii wewnętrznej ciała. Miarą zmiany energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła jest ilość ciepła.
Ilość ciepła jest miarą zmiany energii wewnętrznej, którą ciało otrzymuje (lub oddaje) podczas wymiany ciepła.
Zatem zarówno praca, jak i ilość ciepła charakteryzują zmianę energii, ale nie są tożsame z energią. Nie charakteryzują one stanu samego układu, ale określają proces przejścia energii z jednego rodzaju na drugi (z jednego ciała na drugie), gdy stan się zmienia i w istotny sposób zależą od charakteru procesu.
Zasadnicza różnica między pracą a ilością ciepła polega na tym, że praca charakteryzuje proces zmiany energii wewnętrznej układu, któremu towarzyszy przemiana energii z jednego rodzaju na inny (z mechanicznej na wewnętrzną). Ilość ciepła charakteryzuje proces przenoszenia energii wewnętrznej z jednego ciała do drugiego (z bardziej ogrzanego do mniej ogrzanego), któremu nie towarzyszą przemiany energetyczne.
Doświadczenie pokazuje, że ilość ciepła potrzebną do ogrzania ciała o masie m od temperatury do temperatury oblicza się ze wzoru
gdzie c jest ciepłem właściwym substancji;
Jednostką ciepła właściwego w układzie SI jest dżul na kilogram Kelwina (J/(kg·K)).
Ciepło właściwe c jest liczbowo równe ilości ciepła, jakie należy dostarczyć ciału o masie 1 kg, aby ogrzać je o 1 K.
Pojemność cieplna ciało jest liczbowo równe ilości ciepła potrzebnego do zmiany temperatury ciała o 1 K:
Jednostką pojemności cieplnej ciała w układzie SI jest dżul na kelwin (J/K).
Aby zamienić ciecz w parę o stałej temperaturze, należy wydać pewną ilość ciepła
gdzie L jest ciepłem właściwym parowania. Kiedy para się skrapla, uwalniana jest taka sama ilość ciepła.
Aby stopić ciało krystaliczne o masie m w temperaturze topnienia, należy przekazać ciału pewną ilość ciepła
gdzie jest ciepło właściwe topnienia. Kiedy ciało krystalizuje, uwalniana jest taka sama ilość ciepła.
Ilość ciepła wydzielonego podczas całkowitego spalania paliwa o masie m,
gdzie q jest ciepłem właściwym spalania.
Jednostką ciepła właściwego parowania, topnienia i spalania w układzie SI jest dżul na kilogram (J/kg).
« Fizyka – klasa 10”
W jakich procesach zachodzą zagregowane przemiany materii?
Jak zmienić stan skupienia substancji?
Możesz zmienić energię wewnętrzną dowolnego ciała, wykonując pracę, ogrzewając je lub odwrotnie, schładzając.
Tak więc podczas kucia metalu praca jest wykonywana i nagrzewa się, a jednocześnie metal może być podgrzewany nad płonącym płomieniem.
Ponadto, jeśli tłok jest nieruchomy (ryc. 13.5), wówczas objętość gazu nie zmienia się po podgrzaniu i nie jest wykonywana żadna praca. Ale temperatura gazu, a tym samym jego energia wewnętrzna, wzrasta.
Energia wewnętrzna może się zwiększać i zmniejszać, więc ilość ciepła może być dodatnia lub ujemna.
Proces przenoszenia energii z jednego ciała na drugie bez wykonywania pracy nazywa się wymiana ciepła.
Nazywa się ilościową miarą zmiany energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła ilość ciepła.
Molekularny obraz wymiany ciepła.
Podczas wymiany ciepła na granicy ciał dochodzi do oddziaływania wolno poruszających się cząsteczek ciała zimnego z szybko poruszającymi się cząsteczkami ciała gorącego. W rezultacie energie kinetyczne cząsteczek wyrównują się i prędkości cząsteczek ciała zimnego rosną, a prędkości cząsteczek ciała gorącego maleją.
Podczas wymiany ciepła energia nie ulega przemianie z jednej formy w drugą; część energii wewnętrznej ciała bardziej ogrzanego jest przekazywana do ciała mniej ogrzanego.
Ilość ciepła i pojemność cieplna.
Wiesz już, że aby ogrzać ciało o masie m od temperatury t 1 do temperatury t 2, należy przekazać mu pewną ilość ciepła:
Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13,5)
Kiedy ciało się ochładza, jego temperatura końcowa t 2 okazuje się niższa od temperatury początkowej t 1, a ilość ciepła oddanego przez ciało jest ujemna.
Nazywa się współczynnik c we wzorze (13.5). specyficzna pojemność cieplna Substancje.
Ciepło właściwe- jest to ilość liczbowo równa ilości ciepła, jakie otrzymuje lub oddaje substancja o masie 1 kg, gdy jej temperatura zmieni się o 1 K.
Ciepło właściwe gazów zależy od procesu, w którym zachodzi wymiana ciepła. Jeśli podgrzejesz gaz pod stałym ciśnieniem, rozszerzy się i wykona pracę. Aby ogrzać gaz o 1°C przy stałym ciśnieniu, musi on przekazać więcej ciepła, niż ogrzać go przy stałej objętości, gdy gaz będzie się tylko nagrzewał.
Ciecze i ciała stałe nieznacznie rozszerzają się po podgrzaniu. Ich właściwe pojemności cieplne przy stałej objętości i stałym ciśnieniu niewiele się różnią.
Ciepło właściwe parowania.
Aby w procesie wrzenia ciecz zamieniła się w parę, należy przekazać jej pewną ilość ciepła. Temperatura cieczy nie zmienia się podczas wrzenia. Przekształcenie cieczy w parę w stałej temperaturze nie prowadzi do wzrostu energii kinetycznej cząsteczek, lecz towarzyszy wzrost energii potencjalnej ich oddziaływania. W końcu średnia odległość między cząsteczkami gazu jest znacznie większa niż między cząsteczkami cieczy.
Nazywa się ilość liczbowo równą ilości ciepła potrzebnej do przekształcenia cieczy o masie 1 kg w parę o stałej temperaturze ciepło właściwe parowania.
Proces parowania cieczy zachodzi w dowolnej temperaturze, przy czym najszybsze cząsteczki opuszczają ciecz, która podczas parowania ochładza się. Ciepło właściwe parowania jest równe ciepłu właściwemu parowania.
Wartość ta jest oznaczona literą r i wyrażona w dżulach na kilogram (J/kg).
Ciepło właściwe parowania wody jest bardzo wysokie: r H20 = 2,256 · 10 6 J/kg w temperaturze 100°C. W przypadku innych cieczy, np. alkoholu, eteru, rtęci, nafty, ciepło właściwe parowania jest 3-10 razy mniejsze niż wody.
Aby zamienić ciecz o masie m w parę, potrzebna jest ilość ciepła równa:
Q p = rm. (13,6)
Kiedy para się skrapla, wydziela się taka sama ilość ciepła:
Q k = -rm. (13,7)
Ciepło właściwe topnienia.
Kiedy ciało krystaliczne topi się, całe dostarczone do niego ciepło zostaje wykorzystane do zwiększenia energii potencjalnej interakcji między cząsteczkami. Energia kinetyczna cząsteczek nie zmienia się, ponieważ topienie zachodzi w stałej temperaturze.
Wartość liczbowo równa ilości ciepła potrzebnej do przekształcenia substancji krystalicznej o masie 1 kg w temperaturze topnienia w ciecz nazywa się ciepło właściwe topnienia i oznaczone literą λ.
Podczas krystalizacji substancji o masie 1 kg uwalniana jest dokładnie taka sama ilość ciepła, jaka została pochłonięta podczas topienia.
Ciepło właściwe topnienia lodu jest dość wysokie: 3,34 10 5 J/kg.
„Gdyby lód nie miał wysokiego ciepła topnienia, to wiosną cała masa lodu musiałaby się stopić w ciągu kilku minut lub sekund, ponieważ ciepło jest stale przenoszone do lodu z powietrza. Konsekwencje tego byłyby tragiczne; przecież nawet w obecnej sytuacji duże powodzie i silne przypływy wody powstają, gdy topnieją duże masy lodu lub śniegu”. R. Czarny, XVIII wiek.
Do stopienia ciała krystalicznego o masie m potrzebna jest ilość ciepła:
Qpl = λm. (13,8)
Ilość ciepła wydzielonego podczas krystalizacji ciała jest równa:
Q cr = -λm (13,9)
Równanie bilansu cieplnego.
Rozważmy wymianę ciepła w układzie składającym się z kilku ciał, które początkowo mają różną temperaturę, na przykład wymianę ciepła pomiędzy wodą w naczyniu a gorącą żelazną kulą opuszczoną do wody. Zgodnie z prawem zachowania energii ilość ciepła oddanego przez jedno ciało jest liczbowo równa ilości ciepła otrzymanego przez drugie.
Ilość oddanego ciepła uważa się za ujemną, ilość ciepła odebranego za dodatnią. Zatem całkowita ilość ciepła Q1 + Q2 = 0.
Jeśli wymiana ciepła zachodzi między kilkoma ciałami w izolowanym systemie, wówczas
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Równanie (13.10) nazywa się równanie bilansu cieplnego.
Tutaj Q 1 Q 2, Q 3 to ilości ciepła otrzymanego lub oddanego przez ciała. Te ilości ciepła wyraża się wzorami (13.5) lub wzorami (13.6)-(13.9), jeżeli w procesie wymiany ciepła zachodzą różne przemiany fazowe substancji (topienie, krystalizacja, parowanie, skraplanie).