В данном уроке мы научимся рассчитывать количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении. Для этого мы обобщим те знания, которые были получены на предыдущих уроках.
Кроме того, мы научимся с помощью формулы для количества теплоты выражать остальные величины из этой формулы и рассчитывать их, зная другие величины. Также будет рассмотрен пример задачи с решением на вычисление количества теплоты.
Данный урок посвящен вычислению количества теплоты при нагревании тела или выделяемого им при охлаждении.
Умение вычислять необходимое количество теплоты является очень важным. Это может понадобиться, к примеру, при вычислении количества теплоты, которое необходимо сообщить воде для обогрева помещения.
Рис. 1. Количество теплоты, которое необходимо сообщить воде для обогрева помещения
Или для вычисления количества теплоты, которое выделяется при сжигании топлива в различных двигателях:
Рис. 2. Количество теплоты, которое выделяется при сжигании топлива в двигателе
Также эти знания нужны, например, чтобы определить количество теплоты, которое выделяется Солнцем и попадает на Землю:
Рис. 3. Количество теплоты, выделяемое Солнцем и попадающее на Землю
Для вычисления количества теплоты необходимо знать три вещи (рис. 4):
- массу тела (которую, обычно, можно измерить с помощью весов);
- разность температур, на которую необходимо нагреть тело или охладить его (обычно измеряется с помощью термометра);
- удельную теплоемкость тела (которую можно определить по таблице).
Рис. 4. Что необходимо знать для определения
Формула, по которой вычисляется количество теплоты, выглядит так:
В этой формуле фигурируют следующие величины:
Количество теплоты, измеряется в джоулях (Дж);
Удельная теплоемкость вещества, измеряется в ;
- разность температур, измеряется в градусах Цельсия ().
Рассмотрим задачу на вычисление количества теплоты.
Задача
В медном стакане массой грамм находится вода объемом литра при температуре . Какое количество теплоты необходимо передать стакану с водой, чтобы его температура стала равна ?
Рис. 5. Иллюстрация условия задачи
Сначала запишем краткое условие (Дано ) и переведем все величины в систему интернационал (СИ).
|
Дано: |
СИ |
|
|
Найти: |
Решение:
Сначала определи, какие еще величины потребуются нам для решения данной задачи. По таблице удельной теплоемкости (табл. 1) находим (удельная теплоемкость меди, так как по условию стакан медный), (удельная теплоемкость воды, так как по условию в стакане находится вода). Кроме того, мы знаем, что для вычисления количества теплоты нам понадобится масса воды. По условию нам дан лишь объем. Поэтому из таблицы возьмем плотность воды: (табл. 2).
Табл. 1. Удельная теплоемкость некоторых веществ,
Табл. 2. Плотности некоторых жидкостей
Теперь у нас есть все необходимое для решения данной задачи.
Заметим, что итоговое количество теплоты будет состоять из суммы количества теплоты, необходимого для нагревания медного стакана и количества теплоты, необходимого для нагревания воды в нем:
Рассчитаем сначала количество теплоты, необходимое для нагревания медного стакана:
Прежде чем вычислить количество теплоты, необходимое для нагревания воды, рассчитаем массу воды по формуле, хорошо знакомой нам из 7 класса:
Теперь можем вычислить:
Тогда можем вычислить:
Напомним, что означает: килоджоули. Приставка «кило» означает , то есть 
.
Ответ: .
Для удобства решения задач на нахождение количества теплоты (так называемые прямые задачи) и связанных с этим понятием величин можно пользоваться следующей таблицей.
|
Искомая величина |
Обозначение |
Единицы измерения |
Основная формула |
Формула для величины |
|
Количество теплоты |
В данном уроке рассматривается понятие количества теплоты.
Если до этого момента мы рассматривали общие свойства и явления, связанные с теплом, энергией или их передачей, то теперь пришло время познакомиться с количественными характеристиками этих понятий. А точнее, ввести понятие количества теплоты. На этом понятии будут основаны все дальнейшие расчеты, связанные с преобразованиями энергии и теплотой.
Определение
Количество теплоты - это энергия, которая передается с помощью теплопередачи.
Рассмотрим вопрос: какой величиной мы будем выражать это количество теплоты?
Количество теплоты связано с внутренней энергией тела, поэтому, когда тело получает энергию, его внутренняя энергия увеличивается, а когда отдает - уменьшается (рис. 1).
Рис. 1. Взаимосвязь количества теплоты и внутренней энергии
Аналогичные выводы можно сделать и о температуре тела (рис. 2).
Рис. 2. Взаимосвязь количества теплоты и температуры
Внутренняя энергия выражается в джоулях (Дж). Значит, количество теплоты также измеряется в джоулях (в СИ):
Стандартное обозначение количества теплоты.
Чтобы выяснить: от чего зависит , проведем 3 эксперимента.
Эксперимент № 1
Возьмем два одинаковых тела, но разной массы. Например, возьмем две одинаковые кастрюли и нальем в них разное количество воды (одинаковой температуры).
Очевидно, что для того, чтобы вскипятить ту кастрюлю, в которой воды больше, потребуется больше времени. То есть ей необходимо будет сообщить большее количество теплоты.
Из этого можно сделать вывод, что количество теплоты зависит от массы (прямо пропорционально - чем больше масса, тем больше количество теплоты).
Рис. 3. Эксперимент № 1
Эксперимент № 2
Во втором эксперименте мы будем нагревать тела одинаковой массы до разной температуры. То есть возьмем две кастрюли с водой одинаковой массы и нагреем одну из них на , а вторую, к примеру, на .
Очевидно, что, для того чтобы нагреть кастрюлю до большей температуры, понадобится больше времени, то есть ей необходимо будет сообщить большее количество теплоты.
Из этого можно сделать вывод, что количество теплоты зависит от разности температур (прямо пропорционально - чем больше разность температур, тем больше количество теплоты).
Рис. 4. Эксперимент № 2
Эксперимент № 3
В третьем эксперименте рассмотрим зависимость количества теплоты от характеристик вещества. Для этого возьмем две кастрюли и нальем в одну из них воду, а в другую - подсолнечное масло. При этом температуры и массы воды и масла должны быть одинаковы. Будем нагревать обе кастрюли до одинаковой температуры.
Для того чтобы нагреть кастрюлю с водой, потребуется больше времени, то есть ей необходимо будет сообщить большее количество теплоты.
Из этого можно сделать вывод, что количество теплоты зависит от рода вещества (подробнее о том, как именно, мы поговорим на следующем уроке).
Рис. 5. Эксперимент № 3
После проведенных экспериментов можно сделать вывод, что зависит:
- от массы тела;
- изменения его температуры;
- рода вещества.
Отметим, что во всех рассмотренных нами случаях речь не идет о фазовых переходах (то есть изменениях агрегатного состояния вещества).
Вместе с тем численное значение количества теплоты может зависеть и от его единиц измерения. Кроме джоуля, который является единицей СИ, используется еще одна единица измерения количества теплоты - калория (переводится как «жар», «тепло»).
Это достаточно маленькое значение, поэтому чаще используется понятие килокалории: 
. Эта величина соответствует количеству теплоты, которое необходимо передать воды, чтобы нагреть его на .
На следующем уроке мы рассмотрим понятие удельной теплоемкости, которая связывает вещество и количество теплоты.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Интернет-портал «festival.1september.ru» ()
- Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()
- Интернет-портал «school.xvatit.com» ()
- Стр. 20, параграф 7, вопросы № 1-6. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Почему вода в озере остывает за ночь гораздо меньше, чем песок на пляже?
- Почему климат, для которого характерны резкие перепады температуры между днем и ночью, называют резко континентальным?
Обучающая цель: Ввести понятия количества теплоты и удельной теплоемкости.
Развивающая цель: Воспитывать внимательность; учить думать, делать выводы.
1. Актуализация темы
2. Объяснение нового материала. 50 мин.
Вам уже известно, что внутренняя энергия тела может изменяться как путем совершения работы, так и путем теплопередачи (без совершения работы).
Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называют количеством теплоты. (запись в тетрадь)
Значит и единицы измерения количества теплоты тоже Джоули (Дж) .
Проводим опыт: два стакана в одном 300 г. воды, а в другом 150 г. и железный цилиндр массой 150 г. Оба стакана ставятся на одну и ту же плитку. Через некоторое время термометры покажут, что вода в сосуде, в котором находится тело, нагревается быстрее.
Это означает, что для нагревания 150 г. железо требуется меньше количество теплоты, чем для нагревания 150 г. воды.
Количество теплоты, переданное телу, зависит от рода вещества, из которого изготовлено тело. (запись в тетрадь)
Предлагаем вопрос: одинаковое ли количество теплоты требуется для нагревания до одной и той же температуры тел равной массы, но состоящих из разных веществ?
Проводим опыт с прибором Тиндаля по определению удельной теплоемкости.
Делаем вывод: тела из разных веществ, но одинаковой массы, отдают при охлаждении и требуют при нагревании на одно и то же число градусов разное количество теплоты.
Делаем выводы:
1. Для нагревания до одной и той же температуры тел равной массы, состоящих из разных веществ, требуется различное количество теплоты.
2.Тела равной массы, состоящие из разных веществ и нагретые до одинаковой температуры. При охлаждении на одно и тоже число градусов отдают различное количество теплоты.
Делаем заключение, что количество теплоты, необходимое для нагревания на один градус единицы масс разных веществ, будет различным.
Даем определение удельной теплоемкости.
Физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг для того, чтобы его температура изменилась на 1 градус, называется удельной теплоемкостью вещества.
Вводим единицу измерения удельной теплоемкости: 1Дж/кг*градус.
Физический смысл термина: удельная теплоемкость показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия 1г (кг.) вещества при нагревании или охлаждении его на 1 градус.
Рассматриваем таблицу удельных теплоемкостей некоторых веществ.
Решаем задачу аналитическим путем
Какое количество теплоты требуется, чтобы нагреть стакан воды (200 г.) от 20 0 до 70 0 С.
Для нагревания 1 г. на 1 г. Требуется - 4,2 Дж.
А для нагревания 200 г. на 1 г. потребуется в 200 больше - 200*4,2 Дж.
А для нагревания 200 г. на (70 0 -20 0) потребуется еще в (70-20) больше - 200 * (70-20) *4,2 Дж
Подставляя данные, получим Q = 200 * 50*4,2 Дж = 42000 Дж.
Запишем полученную формулу через соответствующие величины
4. От чего зависит количество теплоты, полученное телом при нагревании?
Обращаем внимании, что количество теплоты, необходимое для нагревания какого либо тела, пропорционально массе тела и изменению его температуры.,
Имеются два цилиндра одинаковой массы: железный и латунный. Одинаковое ли количество теплоты необходимо, чтобы нагреть их на одно и то же число градусов? Почему?
Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 250 г. воды от 20 о до 60 0 С.
Какая связь между калорией и джоулем?
Калория – это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1 градус.
1 кал = 4.19=4.2 Дж
1ккал=1000кал
1ккал=4190Дж=4200Дж
3. Решение задач. 28 мин.
Если прогретые в кипящей воде цилиндры из свинца, олова и стали массой 1 кг поставить на лед, то они охладятся, и часть льда под ними растает. Как изменится внутренняя энергия цилиндров? Под каким из цилиндров растает больше льда, под каким – меньше?
Нагретый камень массой 5 кг. Охлаждаясь в воде на 1 градус, передает ей 2,1 кДж энергии. Чему равна удельная теплоемкость камня
При закалке зубила его сначала нагрели до 650 0 , потом опустили в масло, где оно стыло до 50 0 С. Какое при этом выделилось количество теплоты, если его масса 500 гр.
Какое количество теплоты пошло на нагревание от 20 0 до 1220 0 С. стальной заготовки для коленчатого вала компрессора массой 35 кг.
Самостоятельная работа
Какой вид теплопередачи?
Учащиеся заполняют таблицу.
- Воздух в комнате нагревается через стены.
- Через открытое окно, в которое входит теплый воздух.
- Через стекло, которое пропускает лучи солнца.
- Земля нагревается лучами солнца.
- Жидкость нагревается на плите.
- Стальная ложка нагревается от чая.
- Воздух нагревается от свечи.
- Газ двигается около тепловыделяющих деталей машины.
- Нагревание ствола пулемета.
- Кипение молока.
5. Домашнее задание: Перышкин А.В. “Физика 8” § §7, 8; сборник задач 7-8 Лукашик В.И. №№778-780, 792,793 2 мин.
Изменение внутренней энергии путём совершения работы характеризуется величиной работы, т.е. работа является мерой изменения внутренней энергии в данном процессе. Изменение внутренней энергии тела при теплопередаче характеризуется величиной, называемой количествоv теплоты.
– это изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы. Количество теплоты обозначают буквой Q .
Работа, внутренняя энергия и количество теплоты измеряются в одних и тех же единицах - джоулях (Дж ), как и всякий вид энергии.
В тепловых измерениях в качестве единицы количества теплоты раньше использовалась особая единица энергии - калория (кал ), равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия (точнее, от 19,5 до 20,5 °С). Данную единицу, в частности, используют в настоящее время при расчетах потребления тепла (тепловой энергии) в многоквартирных домах. Опытным путем установлен механический эквивалент теплоты - соотношение между калорией и джоулем: 1 кал = 4,2 Дж .
При передаче телу некоторого количества теплоты без совершения работы его внутренняя энергия увеличивается, если тело отдаёт какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия уменьшается.
Если в два одинаковых сосуда налить в один 100 г воды, а в другой 400 г при одной и той же температуре и поставить их на одинаковые горелки, то раньше закипит вода в первом сосуде. Таким образом, чем больше масса тела, тем большее количество тепла требуется ему для нагревания. То же самое и с охлаждением.
Количество теплоты, необходимое для нагревания тела зависит еще и от рода вещества, из которого это тело сделано. Эта зависимость количества теплоты, необходимого для нагревания тела, от рода вещества характеризуется физической величиной, называемой удельной теплоёмкостью вещества.
– это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества для нагревания его на 1 °С (или на 1 К). Такое же количество теплоты 1 кг вещества отдаёт при охлаждении на 1 °С.
Удельная теплоёмкость обозначается буквой с . Единицей удельной теплоёмкости является 1 Дж/кг °С или 1 Дж/кг °К.
Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, очень маленькую удельную теплоёмкость имеет золото.
Поскольку кол-во теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 °С . В частности, внутренняя энергия 1 кг свинца при его нагревании на 1 °С увеличивается на 140 Дж, а при охлаждении уменьшается на 140 Дж.
Q , необходимое для нагревания тела массой m от температуры t 1 °С до температуры t 2 °С , равно произведению удельной теплоёмкости вещества, массы тела и разности конечной и начальной температур, т.е.Q = c ∙ m (t 2 — t 1)
По этой же формуле вычисляется и количество теплоты, которое тело отдаёт при охлаждении. Только в этом случае от начальной температуры следует отнять конечную, т.е. от большего значения температуры отнять меньшее.
Это конспект по теме «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость» . Выберите дальнейшие действия:
- Перейти к следующему конспекту:
Когда мы будем обсуждать способы отоплении дома, варианты снижения утечек тепла, мы должны понимать, что такое тепло, в каких единицах оно измеряется, как передается и как теряется. На этой странице будут приведены основные сведения из курса физики, необходимые для рассмотрения всех перечисленных вопросов.
Теплота — один из способов передачи энергии
Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется коли́чеством теплоты́ или просто теплотой.
В строгом смысле теплота представляет собой один из способов передачи энергии, и физический смысл имеет лишь количество энергии, переданное системе, но слово «тепло-» входит в такие устоявшиеся научные понятия, как поток тепла, теплоёмкость, теплота фазового перехода, теплота химической реакции, теплопроводность и пр. Поэтому там, где такое словоупотребление не вводит в заблуждение, понятия «теплота» и «количество теплоты» синонимичны. Однако этими терминами можно пользоваться только при условии, что им дано точное определение, и ни в коем случае «количество теплоты» нельзя относить к числу первоначальных понятий, не требующих определения. Во избежание ошибок под понятием «теплота» следует понимать именно способ передачи энергии, а количество переданной этим способом энергии обозначают понятием «количество теплоты». Рекомендуется избегать такого термина, как «тепловая энергия».
Теплота — это кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).
Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемной единицы количества теплоты — калории: международная калория равна 4,1868 Дж.
Теплообмен и теплопередача
Теплопередача — это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда). Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.
Теплопроводность
Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью. Теплопроводность стержня оценивается величиной теплового потока , который зависит от коэффициента теплопроводности, площади поперечного сечения, через которое передается теплота и градиента температуры (отношения разности температур на концах стержня к расстоянию между ними). Единицей теплового потока является ватт.
ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
Вещества и материалы Теплопроводность, Вт/(м^2*К)
Металлы
Алюминий ___________________205
Бронза _____________________105
Вольфрам ___________________159
Железо ______________________67
Медь _______________________389
Никель ______________________58
Свинец ______________________35
Цинк _______________________113
Другие материалы
Асбест _______________________0,08
Бетон ________________________0,59
Воздух _______________________0,024
Гагачий пух (неплотный) ______0,008
Дерево (орех) ________________0,209
Опилки _______________________0,059
Резина (губчатая) ____________0,038
Стекло _______________________0,75
Конвекция
Конвекция — это теплообмен за счет перемещения масс воздуха или жидкости. При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент конвективного теплопереноса можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается.
Тепловое излучение
Третий вид теплопередачи — лучистый теплообмен — отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение — это один из видов электромагнитного излучения.
Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения составляет примерно 1,37 Вт/м2.
Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры.
Теплоёмкость
Различные вещества обладают разной способностью накапливать тепло; это зависит от их молекулярной структуры и плотности. Количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус (1 °С или 1 К), называется его удельной теплоемкостью. Теплоемкость измеряется в Дж/(кг К).
Обычно различают теплоемкость при постоянном объёме (C V ) и теплоемкость при постоянном давлении (С P ), если в процессе нагревания поддерживаются постоянными соответственно объём тела или давление. Например, чтобы нагреть на 1 К один грамм воздуха в воздушном шаре, требуется больше теплоты, чем для такого же его нагрева в герметичном сосуде с жесткими стенками, поскольку часть энергии, сообщаемой воздушному шару, расходуется на расширение воздуха, а не на его нагревание. При нагревании при постоянном давлении часть теплоты идёт на производство работы расширения тела, а часть — на увеличение его внутренней энергии, тогда как при нагревании при постоянном объёме вся теплота расходуется на увеличение внутренней энергии; в связи с этим С Р всегда больше, чем C V . У жидкостей и твёрдых тел разница между С Р и C V сравнительно мала.
Тепловые машины
Тепловые машины — это устройства, преобразующие теплоту в полезную работу. Примерами таких машин могут служить компрессоры, турбины, паровые, бензиновые и реактивные двигатели. Одной из наиболее известных тепловых машин является паровая турбина, использующаяся на современных тепловых электростанциях. Упрощенная схема такой электростанции на рисунке 1.
Рис. 1. Упрощенная схема паротурбинной электростанции, работающей на ископаемом топливе.
Рабочую жидкость — воду — превращают в перегретый пар в паровом котле, нагреваемом за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефти или природного газа). Пар высокого давления вращает вал паровой турбины, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электроэнергию. Отработанный пар конденсируется при охлаждении проточной водой, которая поглощает часть теплоты. Далее вода подается в охлаждающую башню (градирню), откуда часть тепла уходит в атмосферу. Конденсат с помощью насоса возвращают в паровой котел, и весь цикл повторяется.
Другим примером тепловой машины может служить бытовой холодильник, схема которого представлена на рис. 2.
В холодильниках и бытовых кондиционерах энергия для его обеспечения подводится извне. Компрессор повышает температуру и давление рабочего вещества холодильника — фреона, аммиака или углекислого газа. Перегретый газ подается в конденсатор, где охлаждается и конденсируется, отдавая тепло окружающей среде. Жидкость, выходящая из патрубков конденсатора, проходит через дросселирующий клапан в испаритель, и часть ее испаряется, что сопровождается резким понижением температуры. Испаритель отбирает у камеры холодильника тепло, которое нагревает рабочую жидкость в патрубках; эта жидкость подается компрессором в конденсатор, и цикл снова повторяется.