Calculul cantității de căldură necesară pentru încălzirea unui corp sau eliberată de acesta în timpul răcirii. Calculul cantității de căldură necesară pentru încălzirea corpului și eliberată de acesta în timpul răcirii - Knowledge Hypermarket
(sau transfer de căldură).
Capacitatea termică specifică a unei substanțe.
Capacitate termica- aceasta este cantitatea de căldură absorbită de un corp atunci când este încălzit cu 1 grad.
Capacitatea termică a unui corp este indicată printr-o literă latină majusculă CU.
De ce depinde capacitatea termică a unui corp? În primul rând, din masa sa. Este clar că încălzirea, de exemplu, a 1 kilogram de apă va necesita mai multă căldură decât încălzirea a 200 de grame.
Dar tipul de substanță? Să facem un experiment. Să luăm două vase identice și, după ce am turnat apă cu o greutate de 400 g într-unul dintre ele și ulei vegetal cu o greutate de 400 g în celălalt, vom începe să le încălzim folosind arzătoare identice. Observând citirile termometrului, vom vedea că uleiul se încălzește rapid. Pentru a încălzi apa și uleiul la aceeași temperatură, apa trebuie încălzită mai mult timp. Dar cu cât încălzim mai mult apa, cu atât primește mai multă căldură de la arzător.
Astfel, încălzirea aceleiași mase de substanțe diferite la aceeași temperatură necesită cantități diferite de căldură. Cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp și, prin urmare, capacitatea acestuia de căldură depind de tipul de substanță din care este compus corpul.
Deci, de exemplu, pentru a crește temperatura apei cu greutatea de 1 kg cu 1°C, este necesară o cantitate de căldură egală cu 4200 J și pentru a încălzi aceeași masă de ulei de floarea soarelui cu 1°C, o cantitate de căldură egală cu Este necesar 1700 J.
O mărime fizică care arată câtă căldură este necesară pentru a încălzi 1 kg dintr-o substanță cu 1 ºС se numește capacitatea termică specifică a acestei substante.
Fiecare substanță are propria sa capacitate termică specifică, care este notă cu litera latină c și măsurată în jouli pe kilogram grad (J/(kg °C)).
Capacitatea termică specifică a aceleiași substanțe în diferite stări de agregare (solid, lichid și gazos) este diferită. De exemplu, capacitatea termică specifică a apei este de 4200 J/(kg °C), iar capacitatea termică specifică a gheții este de 2100 J/(kg °C); aluminiul în stare solidă are o capacitate termică specifică de 920 J/(kg - °C), iar în stare lichidă - 1080 J/(kg - °C).
Rețineți că apa are o capacitate termică specifică foarte mare. Prin urmare, apa din mări și oceane, care se încălzește vara, absoarbe o cantitate mare de căldură din aer. Datorită acestui fapt, în acele locuri care sunt situate lângă corpuri mari de apă, vara nu este la fel de caldă ca în locurile departe de apă.
Calculul cantității de căldură necesară pentru încălzirea unui corp sau eliberată de acesta în timpul răcirii.
Din cele de mai sus reiese clar că cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp depinde de tipul de substanță din care constă corpul (adică, capacitatea de căldură specifică) și de masa corpului. De asemenea, este clar că cantitatea de căldură depinde de câte grade vom crește temperatura corpului.
Deci, pentru a determina cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp sau eliberată de acesta în timpul răcirii, trebuie să înmulțiți capacitatea termică specifică a corpului cu masa sa și cu diferența dintre temperaturile sale finale și inițiale:
Q = cm (t 2 - t 1 ) ,
Unde Q- cantitatea de caldura, c— capacitatea termică specifică, m- masa corpului , t 1 — temperatura inițială, t 2 — temperatura finală.
Când corpul se încălzește t 2 > t 1 prin urmare Q > 0 . Când corpul se răcește t 2i< t 1 prin urmare Q< 0 .
Dacă se cunoaşte capacitatea termică a întregului corp CU, Q determinat de formula:
Q = C (t 2 - t 1 ) .
În practică, calculele termice sunt adesea folosite. De exemplu, la construirea clădirilor, este necesar să se țină cont de câtă căldură ar trebui să ofere întregul sistem de încălzire clădirii. De asemenea, ar trebui să știți câtă căldură va scăpa în spațiul înconjurător prin ferestre, pereți și uși.
Vom arăta cu exemple cum să efectuați calcule simple.
Deci, trebuie să aflați câtă căldură a primit partea de cupru atunci când este încălzită. Masa sa a fost de 2 kg, iar temperatura a crescut de la 20 la 280 °C. În primul rând, folosind Tabelul 1, determinăm capacitatea termică specifică a cuprului cu m = 400 J / kg °C). Aceasta înseamnă că încălzirea unei piese de cupru care cântărește 1 kg cu 1 °C va necesita 400 J. Pentru a încălzi o piesă de cupru care cântărește 2 kg cu 1 °C, cantitatea de căldură necesară este de 2 ori mai mare - 800 J. Temperatura cuprului partea trebuie crescută cu mai mult de 1 °C, iar la 260 °C, aceasta înseamnă că va fi necesară de 260 de ori mai multă căldură, adică 800 J 260 = 208.000 J.
Dacă notăm masa ca m, diferența dintre temperaturile finale (t 2) și inițiale (t 1) - t 2 - t 1, obținem o formulă pentru calcularea cantității de căldură:
Q = cm(t 2 - t 1).
Exemplul 1. Un cazan de fier care cântărește 5 kg este umplut cu apă de 10 kg. Câtă căldură trebuie transferată în cazan cu apă pentru a-i schimba temperatura de la 10 la 100 °C?
Când rezolvați problema, trebuie să țineți cont de faptul că ambele corpuri - cazanul și apa - se vor încălzi împreună. Schimbul de căldură are loc între ele. Temperaturile lor pot fi considerate la fel, adică temperatura cazanului și a apei se modifică cu 100 °C - 10 °C = 90 °C. Dar cantitățile de căldură primite de boiler și apă nu vor fi aceleași. La urma urmei, masele lor și capacitățile termice specifice sunt diferite.
Încălzirea apei într-o oală
Exemplul 2. Am amestecat apă cu o greutate de 0,8 kg la o temperatură de 25 °C și apă la o temperatură de 100 °C cu o greutate de 0,2 kg. S-a măsurat temperatura amestecului rezultat și s-a dovedit a fi de 40 °C. Calculați câtă căldură a cedat apa caldă la răcire și apa rece primită la încălzire. Comparați aceste cantități de căldură.
Să notăm condițiile problemei și să o rezolvăm.
Vedem că cantitatea de căldură degajată de apa caldă și cantitatea de căldură primită de apa rece sunt egale. Acesta nu este un rezultat întâmplător. Experiența arată că, dacă are loc schimbul de căldură între corpuri, atunci energia internă a tuturor corpurilor de încălzire crește cu atât cât scade energia internă a corpurilor de răcire.
La efectuarea experimentelor, de obicei se dovedește că energia emisă de apa caldă este mai mare decât energia primită de apa rece. Acest lucru se explică prin faptul că o parte din energie este transferată în aerul din jur, iar o parte din energie este transferată în vasul în care apa a fost amestecată. Egalitatea energiei date și primite va fi mai precisă, cu cât este permisă mai puțină pierdere de energie în experiment. Dacă calculezi și iei în calcul aceste pierderi, egalitatea va fi exactă.
Întrebări
- Ce trebuie să știți pentru a calcula cantitatea de căldură primită de un corp atunci când este încălzit?
- Explicați printr-un exemplu cum se calculează cantitatea de căldură transmisă unui corp atunci când este încălzit sau eliberată atunci când este răcit.
- Scrieți o formulă pentru a calcula cantitatea de căldură.
- Ce concluzie se poate trage din experimentul de amestecare a apei rece și calde? De ce aceste energii nu sunt egale în practică?
Exercițiul 8
- Câtă căldură este necesară pentru a încălzi 0,1 kg de apă cu 1 °C?
- Calculați cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi: a) o fontă cu o greutate de 1,5 kg pentru a-și schimba temperatura cu 200 °C; b) o lingură de aluminiu cu o greutate de 50 g de la 20 la 90 °C; c) un șemineu din cărămidă cu o greutate de 2 tone de la 10 la 40 °C.
- Câtă căldură s-a eliberat când apa cu un volum de 20 de litri s-a răcit, dacă temperatura s-a schimbat de la 100 la 50 °C?
După cum se știe, în timpul diferitelor procese mecanice are loc o schimbare a energiei mecanice. O măsură a schimbării energiei mecanice este munca forțelor aplicate sistemului:
În timpul schimbului de căldură, are loc o schimbare a energiei interne a corpului. O măsură a modificării energiei interne în timpul transferului de căldură este cantitatea de căldură.
Cantitatea de căldură este o măsură a modificării energiei interne la care un corp o primește (sau renunță) în timpul schimbului de căldură.
Astfel, atât munca cât și cantitatea de căldură caracterizează schimbarea energiei, dar nu sunt identice cu energia. Ele nu caracterizează starea sistemului în sine, ci determină procesul de tranziție a energiei de la un tip la altul (de la un corp la altul) atunci când starea se schimbă și depind semnificativ de natura procesului.
Principala diferență dintre muncă și cantitatea de căldură este că munca caracterizează procesul de modificare a energiei interne a unui sistem, însoțită de transformarea energiei de la un tip la altul (din mecanic în intern). Cantitatea de căldură caracterizează procesul de transfer al energiei interne de la un corp la altul (de la mai încălzit la mai puțin încălzit), neînsoțit de transformări energetice.
Experiența arată că cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp de masă m de la temperatură la temperatură se calculează prin formula
unde c este capacitatea termică specifică a substanței;
Unitatea SI a capacității termice specifice este joule pe kilogram Kelvin (J/(kg K)).
Căldura specifică c este numeric egal cu cantitatea de căldură care trebuie transmisă unui corp care cântărește 1 kg pentru a-l încălzi cu 1 K.
Capacitate termica corpul este numeric egal cu cantitatea de căldură necesară pentru a modifica temperatura corpului cu 1 K:
Unitatea SI a capacității de căldură a unui corp este joule pe Kelvin (J/K).
Pentru a transforma un lichid în abur la o temperatură constantă, este necesar să consumați o cantitate de căldură
unde L este căldura specifică de vaporizare. Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.
Pentru a topi un corp cristalin de masa m la temperatura de topire, este necesar sa se imparta o cantitate de caldura corpului.
unde este căldura specifică de fuziune. Când un corp cristalizează, se eliberează aceeași cantitate de căldură.
Cantitatea de căldură eliberată în timpul arderii complete a combustibilului cu masa m,
unde q este căldura specifică de ardere.
Unitatea SI a căldurilor specifice de vaporizare, topire și ardere este joule pe kilogram (J/kg).
« Fizica - clasa a X-a"
În ce procese au loc transformări agregate ale materiei?
Cum se poate schimba starea de agregare a unei substanțe?
Puteți schimba energia internă a oricărui corp lucrând, încălzindu-l sau, dimpotrivă, răcindu-l.
Deci, la forjarea unui metal, se lucrează și acesta se încălzește, în același timp metalul poate fi încălzit peste o flacără care arde.
De asemenea, dacă pistonul este fix (Fig. 13.5), atunci volumul de gaz nu se modifică atunci când este încălzit și nu se lucrează. Dar temperatura gazului și, prin urmare, energia sa internă, crește.
Energia internă poate crește și scădea, astfel încât cantitatea de căldură poate fi pozitivă sau negativă.
Se numește procesul de transfer de energie de la un corp la altul fără a lucra schimb de caldura.
Măsura cantitativă a modificării energiei interne în timpul transferului de căldură se numește cantitatea de căldură.
Imaginea moleculară a transferului de căldură.
În timpul schimbului de căldură la granița dintre corpuri, are loc interacțiunea moleculelor care se mișcă lentă ale unui corp rece cu moleculele care se mișcă rapid ale unui corp fierbinte. Ca urmare, energiile cinetice ale moleculelor sunt egalizate și vitezele moleculelor unui corp rece cresc, iar cele ale unui corp fierbinte scad.
În timpul schimbului de căldură, energia nu este convertită dintr-o formă în alta; o parte din energia internă a unui corp mai încălzit este transferată unui corp mai puțin încălzit.
Cantitatea de căldură și capacitatea de căldură.
Știți deja că pentru a încălzi un corp de masă m de la temperatura t 1 la temperatura t 2, este necesar să îi transferați o cantitate de căldură:
Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13,5)
Când un corp se răcește, temperatura sa finală t 2 se dovedește a fi mai mică decât temperatura inițială t 1 și cantitatea de căldură degajată de corp este negativă.
Se numește coeficientul c din formula (13.5). capacitatea termică specifică substante.
Căldura specifică- aceasta este o cantitate egală numeric cu cantitatea de căldură pe care o primește sau o eliberează o substanță cu greutatea de 1 kg atunci când temperatura sa se schimbă cu 1 K.
Capacitatea termică specifică a gazelor depinde de procesul prin care are loc transferul de căldură. Dacă încălziți un gaz la presiune constantă, acesta se va extinde și va funcționa. Pentru a încălzi un gaz cu 1 °C la presiune constantă, trebuie să transfere mai multă căldură decât să-l încălzească la un volum constant, când gazul se va încălzi doar.
Lichidele și solidele se extind ușor când sunt încălzite. Capacitățile lor specifice de căldură la volum constant și presiune constantă diferă puțin.
Căldura specifică de vaporizare.
Pentru a transforma un lichid în abur în timpul procesului de fierbere, trebuie să i se transfere o anumită cantitate de căldură. Temperatura unui lichid nu se schimbă atunci când fierbe. Transformarea unui lichid în vapori la o temperatură constantă nu duce la o creștere a energiei cinetice a moleculelor, ci este însoțită de o creștere a energiei potențiale a interacțiunii lor. La urma urmei, distanța medie dintre moleculele de gaz este mult mai mare decât între moleculele lichide.
O cantitate egală numeric cu cantitatea de căldură necesară pentru a transforma un lichid care cântărește 1 kg în abur la o temperatură constantă se numește căldură specifică de vaporizare.
Procesul de evaporare a unui lichid are loc la orice temperatură, în timp ce cele mai rapide molecule părăsesc lichidul, iar acesta se răcește în timpul evaporării. Căldura specifică de evaporare este egală cu căldura specifică de vaporizare.
Această valoare este notată cu litera r și exprimată în jouli pe kilogram (J/kg).
Căldura specifică de vaporizare a apei este foarte mare: r H20 = 2,256 10 6 J/kg la o temperatură de 100 °C. Pentru alte lichide, de exemplu alcool, eter, mercur, kerosen, căldura specifică de vaporizare este de 3-10 ori mai mică decât cea a apei.
Pentru a transforma un lichid cu masa m în vapori, este necesară o cantitate de căldură egală cu:
Q p = rm. (13,6)
Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură:
Q k = -rm. (13,7)
Căldura specifică de fuziune.
Când un corp cristalin se topește, toată căldura furnizată acestuia duce la creșterea energiei potențiale de interacțiune între molecule. Energia cinetică a moleculelor nu se modifică, deoarece topirea are loc la o temperatură constantă.
O valoare egală numeric cu cantitatea de căldură necesară pentru a transforma o substanță cristalină care cântărește 1 kg la punctul de topire într-un lichid se numește căldură specifică de fuziuneși notat cu litera λ.
Când o substanță care cântărește 1 kg cristalizează, se eliberează exact aceeași cantitate de căldură cu cea absorbită în timpul topirii.
Căldura specifică de topire a gheţii este destul de mare: 3,34 10 5 J/kg.
„Dacă gheața nu ar avea o căldură mare de fuziune, atunci în primăvară întreaga masă de gheață ar trebui să se topească în câteva minute sau secunde, deoarece căldura este transferată continuu către gheață din aer. Consecințele acestui lucru ar fi cumplite; la urma urmei, chiar și în situația actuală, atunci când mase mari de gheață sau zăpadă se topesc, apar inundații mari și fluxuri puternice de apă.” R. Black, secolul XVIII.
Pentru a topi un corp cristalin de masa m, este necesară o cantitate de căldură egală cu:
Qpl = λm. (13,8)
Cantitatea de căldură eliberată în timpul cristalizării unui corp este egală cu:
Q cr = -λm (13,9)
Ecuația de echilibru termic.
Să luăm în considerare schimbul de căldură în cadrul unui sistem format din mai multe corpuri care au inițial temperaturi diferite, de exemplu, schimbul de căldură între apa dintr-un vas și o minge fierbinte de fier coborâtă în apă. Conform legii conservării energiei, cantitatea de căldură degajată de un corp este numeric egală cu cantitatea de căldură primită de altul.
Cantitatea de căldură dată este considerată negativă, cantitatea de căldură primită este considerată pozitivă. Prin urmare, cantitatea totală de căldură Q1 + Q2 = 0.
Dacă schimbul de căldură are loc între mai multe corpuri dintr-un sistem izolat, atunci
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Ecuația (13.10) se numește ecuația de echilibru termic.
Aici Q 1 Q 2, Q 3 sunt cantitățile de căldură primite sau degajate de corpuri. Aceste cantități de căldură sunt exprimate prin formula (13.5) sau formulele (13.6)-(13.9), dacă în timpul procesului de schimb de căldură au loc diferite transformări de fază ale substanței (topire, cristalizare, vaporizare, condensare).
