Cantitatea totală de căldură. Calculul cantității de căldură în timpul transferului de căldură, capacitatea termică specifică a unei substanțe

« 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, a acestuia energie internă sunt în creștere.

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 căldură.

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 limita 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 într-un 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). capacitate 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 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 transformare substanță cristalină cântărind 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 care este 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).

Se numește procesul de transfer de energie de la un corp la altul fără a lucra schimb de căldură sau transfer de căldură. Schimbul de căldură are loc între corpurile care au temperaturi diferite. Când se stabilește contactul între corpuri cu temperaturi diferite, o parte din energia internă este transferată de la un corp cu o temperatură mai ridicată la un corp cu o temperatură mai scăzută. Energia transferată unui corp ca urmare a schimbului de căldură se numește cantitatea de căldură.

Capacitatea termică specifică a unei substanțe:

Dacă procesul de transfer de căldură nu este însoțit de muncă, atunci, pe baza primei legi a termodinamicii, cantitatea de căldură este egală cu modificarea energiei interne a corpului: .

Energia medie a mișcării de translație aleatoare a moleculelor este proporțională cu temperatura absolută. Modificarea energiei interne a unui corp este egală cu suma algebrică a modificărilor energiei tuturor atomilor sau moleculelor, al căror număr este proporțional cu masa corpului, prin urmare modificarea energiei interne și, prin urmare, cantitatea de căldură este proporțională cu masa și cu modificarea temperaturii:

Factorul de proporționalitate din această ecuație se numește capacitatea termică specifică a unei substanțe. Capacitatea termică specifică arată câtă căldură este necesară pentru a încălzi 1 kg dintr-o substanță cu 1 K.

Lucrari in termodinamica:

În mecanică, lucrul este definit ca produsul dintre modulele de forță și deplasare și cosinusul unghiului dintre ei. Se lucrează atunci când o forță acționează asupra unui corp în mișcare și este egală cu modificarea energiei sale cinetice.

În termodinamică, mișcarea unui corp în ansamblu nu este luată în considerare; vorbim despre mișcarea părților unui corp macroscopic unele față de altele. Ca urmare, volumul corpului se modifică, dar viteza acestuia rămâne egală cu zero. Munca în termodinamică este definită în același mod ca și în mecanică, dar este egală cu modificarea nu a energiei cinetice a corpului, ci a energiei sale interne.

Când se efectuează lucrări (compresie sau expansiune), energia internă a gazului se modifică. Motivul pentru aceasta este: în timpul ciocnirilor elastice ale moleculelor de gaz cu un piston în mișcare, energia lor cinetică se modifică.

Să calculăm munca efectuată de gaz în timpul expansiunii. Gazul exercită o forță asupra pistonului
, Unde - presiunea gazului și - suprafata piston Când gazul se extinde, pistonul se mișcă în direcția forței distanta scurta
. Dacă distanța este mică, atunci presiunea gazului poate fi considerată constantă. Lucrul efectuat de gaz este:

Unde
- modificarea volumului de gaz.

În procesul de expansiune a gazului, efectuează o activitate pozitivă, deoarece direcția forței și deplasarea coincid. În timpul procesului de expansiune, gazul eliberează energie în corpurile înconjurătoare.

Munca efectuată de corpurile externe asupra unui gaz diferă de munca efectuată de un gaz doar în semn
, din moment ce puterea , care acționează asupra gazului, este opusă forței , cu care gazul acționează asupra pistonului și este egal cu acesta în modul (a treia lege a lui Newton); iar mișcarea rămâne aceeași. Prin urmare, munca forțelor externe este egală cu:

Prima lege a termodinamicii:

Prima lege a termodinamicii este legea conservării energiei, extinsă la fenomenele termice. Legea conservării energiei: Energia în natură nu ia naștere din nimic și nu dispare: cantitatea de energie este neschimbată, trece doar de la o formă la alta.

Termodinamica ia în considerare corpurile al căror centru de greutate rămâne practic neschimbat. Energia mecanică a unor astfel de corpuri rămâne constantă și doar energia internă se poate schimba.

Energia internă se poate modifica în două moduri: transfer de căldură și lucru. În cazul general, energia internă se modifică atât datorită transferului de căldură, cât și datorită muncii efectuate. Prima lege a termodinamicii este formulată tocmai pentru astfel de cazuri generale:

Modificarea energiei interne a unui sistem în timpul tranziției sale de la o stare la alta este egală cu suma muncii forțelor externe și a cantității de căldură transferată sistemului:

Dacă sistemul este izolat, atunci nu se lucrează la el și nu face schimb de căldură cu corpurile din jur. Conform primei legi a termodinamicii energia internă a unui sistem izolat rămâne neschimbată.

Având în vedere că
, prima lege a termodinamicii se poate scrie astfel:

Cantitatea de căldură transferată sistemului se duce pentru a-și schimba energia internă și pentru a efectua lucrări asupra corpurilor externe de către sistem.

A doua lege a termodinamicii: Este imposibil să transferați căldură de la un sistem mai rece la unul mai fierbinte în absența altor modificări simultane în ambele sisteme sau în corpurile înconjurătoare.

721. De ce se folosește apa pentru a răci unele mecanisme?
Apa are o capacitate termică specifică mare, ceea ce facilitează o bună îndepărtare a căldurii din mecanism.

722. În care caz este necesar să cheltuiți mai multă energie: să încălziți un litru de apă cu 1 °C sau să încălziți o sută de grame de apă cu 1 °C?
Pentru a încălzi un litru de apă, cu cât masa este mai mare, cu atât mai multă energie trebuie cheltuită.

723. Cupronicul și furculițele de argint de masă egală au fost coborâte în apă fierbinte. Vor primi aceeași cantitate de căldură din apă?
O furcă cu cupronicel va primi mai multă căldură, deoarece căldura specifică a cupronicelului este mai mare decât cea a argintului.

724. O bucată de plumb și o bucată de fontă de aceeași masă au fost lovite de trei ori cu un baros. Care piesa a devenit mai fierbinte?
Plumbul va deveni mai fierbinte deoarece capacitatea sa de căldură specifică este mai mică decât fonta și este nevoie de mai puțină energie pentru a încălzi plumbul.

725. Un balon conține apă, celălalt conține kerosen de aceeași masă și temperatură. Un cub de fier la fel de încălzit a fost aruncat în fiecare balon. Ce se va încălzi mai mult temperatură ridicată– apă sau kerosen?
Kerosenul.

726. De ce sunt fluctuațiile de temperatură iarna și vara mai puțin accentuate în orașele de pe malul mării decât în orașele situate în interior?
Apa se încălzește și se răcește mai lent decât aerul. În timpul iernii, se răcește și mută masele de aer cald pe uscat, făcând clima de pe coastă mai caldă.

727. Capacitatea termică specifică a aluminiului este de 920 J/kg °C. Ce înseamnă acest lucru?
Aceasta înseamnă că pentru a încălzi 1 kg de aluminiu cu 1 °C este necesar să cheltuiți 920 J.

728. Barele de aluminiu și cupru de aceeași masă 1 kg se răcesc la 1 °C. Cât de mult se va schimba energia internă a fiecărui bloc? Pentru ce bară se va schimba mai mult și cu cât?

729. Ce cantitate de căldură este necesară pentru a încălzi un kilogram de țagle de fier cu 45 °C?

730. Ce cantitate de căldură este necesară pentru a încălzi 0,25 kg de apă de la 30 °C la 50 °C?

731. Cum se va schimba energia internă a doi litri de apă când sunt încălzite cu 5 °C?

732. Ce cantitate de căldură este necesară pentru a încălzi 5 g de apă de la 20 °C la 30 °C?

733. Ce cantitate de căldură este necesară pentru a încălzi o minge de aluminiu cu o greutate de 0,03 kg cu 72 °C?

734. Calculați cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi 15 kg de cupru la 80 °C.

735. Calculați cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi 5 kg de cupru de la 10 °C la 200 °C.

736. Ce cantitate de căldură este necesară pentru a încălzi 0,2 kg de apă de la 15 °C la 20 °C?

737. Apa care cântărește 0,3 kg s-a răcit cu 20 °C. Cât de mult a scăzut energia internă a apei?

738. Ce cantitate de căldură este necesară pentru a încălzi 0,4 kg de apă la o temperatură de 20 °C la o temperatură de 30 °C?

739. Ce cantitate de căldură se consumă pentru a încălzi 2,5 kg de apă cu 20 °C?

740. Ce cantitate de căldură a fost eliberată când 250 g de apă s-au răcit de la 90 °C la 40 °C?

741. Ce cantitate de căldură este necesară pentru a încălzi 0,015 litri de apă cu 1 °C?

742. Calculați cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un iaz cu un volum de 300 m3 cu 10 °C?

743. Ce cantitate de căldură trebuie adăugată la 1 kg de apă pentru a-i crește temperatura de la 30 °C la 40 °C?

744. Apa cu un volum de 10 litri s-a răcit de la o temperatură de 100 °C la o temperatură de 40 °C. Câtă căldură a fost eliberată în acest timp?

745. Calculați cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi 1 m3 de nisip cu 60 °C.

746. Volum aer 60 mc, capacitate termică specifică 1000 J/kg °C, densitate aer 1,29 kg/m3. Câtă căldură este necesară pentru a o ridica la 22°C?

747. Apa a fost încălzită la 10 °C, consumând 4,20 103 J de căldură. Determinați cantitatea de apă.

748. 20,95 kJ de căldură au fost transmise apei cu o greutate de 0,5 kg. Ce a devenit temperatura apei dacă temperatura inițială a apei a fost de 20 °C?

749. O tigaie de cupru cu o greutate de 2,5 kg se umple cu 8 kg de apă la 10 °C. Câtă căldură este necesară pentru a încălzi apa din tigaie până la fierbere?

750. Se toarnă un litru de apă la o temperatură de 15 °C într-un oală de cupru care cântărește 300 g Ce cantitate de căldură este necesară pentru a încălzi apa din oală la 85 °C?

751. Se pune în apă o bucată de granit încălzit de 3 kg. Granitul transferă 12,6 kJ de căldură în apă, răcindu-se cu 10 °C. Care este capacitatea termică specifică a pietrei?

752. S-a adăugat apă fierbinte la 50 °C la 5 kg apă la 12 °C, obținându-se un amestec cu temperatura de 30 °C. Câtă apă ai adăugat?

753. S-a adăugat apă la 20 °C la 3 litri de apă la 60 °C, obținându-se apă la 40 °C. Câtă apă ai adăugat?

754. Care va fi temperatura amestecului dacă amesteci 600 g apă la 80 °C cu 200 g apă la 20 °C?

755. Un litru de apă la 90 °C a fost turnat în apă la 10 °C, iar temperatura apei a devenit 60 °C. Câtă apă rece era?

756. Determinați câtă apă caldă încălzită la 60 °C trebuie turnată într-un vas dacă vasul conține deja 20 de litri de apă rece la o temperatură de 15 °C; temperatura amestecului trebuie să fie de 40 °C.

757. Stabiliți câtă căldură este necesară pentru a încălzi 425 g de apă cu 20 °C.

758. Câte grade se vor încălzi 5 kg de apă dacă apa primește 167,2 kJ?

759. Câtă căldură este necesară pentru a încălzi m grame de apă la temperatura t1 la temperatura t2?

760. 2 kg de apă se toarnă într-un calorimetru la temperatura de 15 °C. La ce temperatură se va încălzi apa calorimetrului dacă se coboară în ea o greutate de alamă de 500 g încălzită la 100 °C? Capacitatea termică specifică a alamei este de 0,37 kJ/(kg °C).

761. Sunt bucăți de cupru, cositor și aluminiu de același volum. Care dintre aceste piese are cea mai mare și care are cea mai mică capacitate de căldură?

762. S-au turnat în calorimetru 450 g apă, a cărei temperatură era de 20 °C. Când 200 g de pilitură de fier încălzită la 100 °C au fost scufundate în această apă, temperatura apei a devenit 24 °C. Determinați capacitatea termică specifică a rumegușului.

763. Un calorimetru de cupru care cântărește 100 g conține 738 g de apă, a cărei temperatură este de 15 °C. 200 g de cupru au fost coborâte în acest calorimetru la o temperatură de 100 °C, după care temperatura calorimetrului a crescut la 17 °C. Care este capacitatea termică specifică a cuprului?

764. Se scoate din cuptor o bila de otel cu greutatea de 10 g si se pune in apa la temperatura de 10 °C. Temperatura apei a crescut la 25 °C. Care era temperatura bilei în cuptor dacă masa de apă era de 50 g? Capacitatea termică specifică a oțelului este de 0,5 kJ/(kg °C).

770. Un tăietor din oțel cu o greutate de 2 kg a fost încălzit la o temperatură de 800 °C și apoi coborât într-un vas care conținea 15 litri de apă la o temperatură de 10 °C. La ce temperatură se va încălzi apa din vas?

(Indicație: Pentru a rezolva această problemă, este necesar să se creeze o ecuație în care temperatura necunoscută a apei din vas după coborârea tăietorului este considerată necunoscută.)

771. Ce temperatură se va obține apa dacă amestecați 0,02 kg apă la 15 °C, 0,03 kg apă la 25 °C și 0,01 kg apă la 60 °C?

772. Pentru încălzirea unei clase bine ventilate, cantitatea de căldură necesară este de 4,19 MJ pe oră. Apa intră în caloriferele de încălzire la 80 °C și le lasă la 72 °C. Câtă apă ar trebui să fie furnizată caloriferelor la fiecare oră?

773. Plumbul cântărind 0,1 kg la o temperatură de 100 °C a fost scufundat într-un calorimetru de aluminiu cu o greutate de 0,04 kg care conținea 0,24 kg apă la o temperatură de 15 °C. După care temperatura din calorimetru a ajuns la 16 °C. Care este căldura specifică a plumbului?

1. Modificarea energiei interne prin efectuarea muncii este caracterizată de cantitatea de muncă, adică. munca este o măsură a schimbării energiei interne într-un proces dat. Modificarea energiei interne a unui corp în timpul transferului de căldură este caracterizată de o mărime numită cantitatea de căldură.

Cantitatea de căldură este modificarea energiei interne a unui corp în timpul procesului de transfer de căldură fără a lucra.

Cantitatea de căldură este notată cu litera \(Q\) . Deoarece cantitatea de căldură este o măsură a modificării energiei interne, unitatea sa este joule (1 J).

Când un corp transferă o anumită cantitate de căldură fără să lucreze, energia sa internă crește dacă corpul degajă o anumită cantitate de căldură, atunci energia sa internă scade.

2. Dacă turnați 100 g de apă în două vase identice, unul și 400 g în celălalt la aceeași temperatură și le puneți pe arzătoare identice, atunci apa din primul vas va fierbe mai devreme. Astfel, cu cât masa unui corp este mai mare, cu atât este mai mare cantitatea de căldură de care are nevoie pentru a se încălzi. Același lucru este valabil și în cazul răcirii: un corp de masă mai mare emite mai multă căldură atunci când este răcit. Aceste corpuri sunt făcute din aceeași substanță și se încălzesc sau se răcesc cu același număr de grade.

3. Dacă acum încălzim 100 g de apă de la 30 la 60 °C, adică. la 30 °C, apoi până la 100 °C, adică cu 70 °C, apoi în primul caz va dura mai puțin timp pentru încălzire decât în al doilea și, în consecință, încălzirea apei cu 30 °C va necesita mai puțină căldură decât încălzirea apei cu 70 °C. Astfel, cantitatea de căldură este direct proporțională cu diferența dintre temperaturile finale \((t_2\,^\circ C) \) și inițiale \((t_1\,^\circ C) \): \( Q\sim(t_2-t_1) \) .

4. Dacă acum turnați 100 g de apă într-un vas și turnați puțină apă într-un alt vas identic și puneți în el un corp metalic astfel încât masa sa și masa de apă să fie de 100 g și încălziți vasele pe plăci identice, atunci veți observa că într-un vas care conține doar apă va avea o temperatură mai scăzută decât unul care conține apă și un corp metalic. Prin urmare, pentru ca temperatura conținutului din ambele vase să fie aceeași, este necesar să se transfere mai multă căldură apei decât apei și corpului metalic. Astfel, cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp depinde de tipul de substanță din care este făcut corpul.

5. Dependența cantității de căldură necesară pentru încălzirea unui corp de tipul de substanță este caracterizată de o mărime fizică numită capacitatea termică specifică a unei substanțe.

O cantitate fizică egală cu cantitatea de căldură care trebuie transmisă unui kg de substanță pentru a o încălzi cu 1 ° C (sau 1 K) se numește capacitatea termică specifică a substanței.

1 kg de substanță eliberează aceeași cantitate de căldură atunci când este răcită cu 1 °C.

Capacitatea termică specifică este notă cu litera \(c\). Unitatea de capacitate termică specifică este 1 J/kg °C sau 1 J/kg K.

Capacitatea termică specifică a substanțelor se determină experimental. Lichidele au o capacitate termică specifică mai mare decât metalele; Apa are cea mai mare căldură specifică, aurul are o căldură specifică foarte mică.

Căldura specifică a plumbului este de 140 J/kg °C. Aceasta înseamnă că pentru a încălzi 1 kg de plumb cu 1 °C este necesar să consumați o cantitate de căldură de 140 J. Aceeași cantitate de căldură va fi eliberată atunci când 1 kg de apă se răcește cu 1 °C.

Deoarece cantitatea de căldură este egală cu modificarea energiei interne a corpului, putem spune că capacitatea termică specifică arată cât de mult se modifică energia internă a 1 kg dintr-o substanță atunci când temperatura acesteia se schimbă cu 1 °C. În special, energia internă a 1 kg de plumb crește cu 140 J când este încălzit cu 1 °C și scade cu 140 J când este răcit.

Cantitatea de căldură \(Q \) necesară pentru a încălzi un corp de masă \(m \) de la temperatura \((t_1\,^\circ C) \) la temperatura \((t_2\,^\ circ C) \) este egal cu produsul capacității termice specifice a substanței, masa corporală și diferența dintre temperaturile finale și inițiale, i.e.

\[ Q=cm(t_2()^\circ-t_1()^\circ) \]

Aceeași formulă este folosită pentru a calcula cantitatea de căldură pe care o degajă un corp atunci când se răcește. Numai în acest caz temperatura finală trebuie scăzută din temperatura inițială, adică. Scădeți temperatura mai mică din temperatura mai mare.

6. Exemplu de rezolvare a problemei. 100 g de apă la o temperatură de 20 °C se toarnă într-un pahar care conține 200 g de apă la o temperatură de 80 °C. După care temperatura din vas a ajuns la 60 °C. Câtă căldură a primit apa rece și câtă căldură a emis apa caldă?

Când rezolvați o problemă, trebuie să efectuați următoarea secvență de acțiuni:

notează pe scurt condițiile problemei;
convertiți valorile cantităților în SI;
analizați problema, stabiliți ce corpuri sunt implicate în schimbul de căldură, care corpuri emit energie și care primesc;
rezolva problema in forma generala;
efectuați calcule;
analiza raspunsul primit.

1. Stare problematica.

Dat:
\(m_1 \) = 200 g
\(m_2\) = 100 g
\(t_1 \) = 80 °C
\(t_2 \) = 20 °C
\(t\) = 60 °C
______________

\(Q_1 \) — ? \(Q_2 \) — ?
\(c_1 \) = 4200 J/kg °C

2. SI:\(m_1\) = 0,2 kg; \(m_2\) = 0,1 kg.

3. Analiza sarcinilor. Problema descrie procesul de schimb de căldură între apa caldă și apa rece. Apă fierbinte degajă o cantitate de căldură \(Q_1 \) și se răcește de la temperatură \(t_1 \) la temperatură \(t \) . Apa rece primește cantitatea de căldură \(Q_2 \) și este încălzită de la temperatură \(t_2 \) la temperatură \(t \) .

4. Rezolvarea problemei în formă generală. Cantitatea de căldură dată apă fierbinte, se calculează prin formula: \(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) .

Cantitatea de căldură primită de apa rece se calculează prin formula: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) .

5. Calcule.
\(Q_1 \) = 4200 J/kg · °С · 0,2 kg · 20 °С = 16800 J
\(Q_2\) = 4200 J/kg °C 0,1 kg 40 °C = 16800 J

6. Răspunsul arată că cantitatea de căldură degajată de apa caldă este egală cu cantitatea de căldură primită de apa rece. În acest caz s-a luat în considerare o situație idealizată și nu s-a ținut cont de faptul că s-a folosit o anumită cantitate de căldură pentru a încălzi paharul în care se afla apa și aerul din jur. În realitate, cantitatea de căldură degajată de apa caldă este mai mare decât cantitatea de căldură primită de apa rece.

Partea 1

1. Capacitatea termică specifică a argintului este de 250 J/(kg °C). Ce înseamnă acest lucru?

1) când 1 kg de argint se răcește la 250 °C, se eliberează o cantitate de căldură de 1 J
2) când 250 kg de argint se răcește cu 1 °C, se eliberează o cantitate de căldură de 1 J
3) când 250 kg de argint se răcește cu 1 °C, o cantitate de căldură de 1 J este absorbită
4) când 1 kg de argint se răcește cu 1 °C, se eliberează o cantitate de căldură de 250 J

2. Capacitatea termică specifică a zincului este de 400 J/(kg °C). Aceasta înseamnă că

1) când 1 kg de zinc este încălzit la 400 °C, energia sa internă crește cu 1 J
2) când 400 kg de zinc sunt încălzite cu 1 °C, energia sa internă crește cu 1 J
3) pentru a încălzi 400 kg de zinc cu 1 °C este necesar să consumați 1 J de energie
4) când 1 kg de zinc este încălzit cu 1 °C, energia sa internă crește cu 400 J

3. La transfer corp solid masa \(m \) cantitatea de căldură \(Q \) temperatura corpului crescută cu \(\Delta t^\circ \) . Care dintre următoarele expresii determină capacitatea termică specifică a substanței acestui corp?

1) \(\frac(m\Delta t^\circ)(Q) \)
2) \(\frac(Q)(m\Delta t^\circ) \)
3) \(\frac(Q)(\Delta t^\circ) \)
4) \(Qm\Delta t^\circ \)

4. Figura prezintă un grafic al dependenței cantității de căldură necesară pentru a încălzi două corpuri (1 și 2) de aceeași masă de temperatură. Comparați valorile capacității termice specifice (\(c_1 \) și \(c_2 \) ) ale substanțelor din care sunt fabricate aceste corpuri.

1) \(c_1=c_2 \)
2) \(c_1>c_2 \)
3)\(c_1 4) răspunsul depinde de valoarea masei corpurilor

5. Diagrama arată cantitatea de căldură transferată către două corpuri de masă egală atunci când temperatura lor se modifică cu același număr de grade. Ce relație este corectă pentru capacitățile termice specifice ale substanțelor din care sunt formate corpurile?

1) \(c_1=c_2\)
2) \(c_1=3c_2\)
3) \(c_2=3c_1\)
4) \(c_2=2c_1\)

6. Figura prezintă un grafic al temperaturii unui corp solid în funcție de cantitatea de căldură pe care o degajă. Greutate corporală 4 kg. Care este capacitatea termică specifică a substanței acestui corp?

1) 500 J/(kg °C)
2) 250 J/(kg °C)
3) 125 J/(kg °C)
4) 100 J/(kg °C)

7. La încălzirea unei substanțe cristaline care cântărește 100 g, s-a măsurat temperatura substanței și cantitatea de căldură transmisă substanței. Datele de măsurare au fost prezentate sub formă de tabel. Presupunând că pierderile de energie pot fi neglijate, determinați capacitatea termică specifică a substanței în stare solidă.

1) 192 J/(kg °C)
2) 240 J/(kg °C)
3) 576 J/(kg °C)
4) 480 J/(kg °C)

8. Pentru a încălzi 192 g de molibden cu 1 K, trebuie să îi transferați o cantitate de căldură de 48 J Care este căldura specifică a acestei substanțe?

1) 250 J/(kg K)
2) 24 J/(kg K)
3) 4·10 -3 J/(kg K)
4) 0,92 J/(kg K)

9. Ce cantitate de căldură este necesară pentru a încălzi 100 g de plumb de la 27 la 47 °C?

1) 390 J
2) 26 kJ
3) 260 J
4) 390 kJ

10. Încălzirea unei cărămizi de la 20 la 85 °C necesită aceeași cantitate de căldură ca și încălzirea apei de aceeași masă cu 13 °C. Capacitatea termică specifică a cărămizii este

1) 840 J/(kg K)
2) 21000 J/(kg K)
3) 2100 J/(kg K)
4) 1680 J/(kg K)

11. Din lista de afirmații de mai jos, selectați două dintre cele corecte și scrieți numărul lor în tabel.

1) Cantitatea de căldură pe care o primește un corp atunci când temperatura îi crește cu un anumit număr de grade este egală cu cantitatea de căldură pe care o degajă acest corp când temperatura lui scade cu același număr de grade.
2) Când o substanță se răcește, energia ei internă crește.
3) Cantitatea de căldură pe care o primește o substanță atunci când este încălzită este folosită în principal pentru a crește energia cinetică a moleculelor sale.
4) Cantitatea de căldură pe care o primește o substanță atunci când este încălzită este folosită în principal pentru a crește energia potențială de interacțiune a moleculelor sale
5) Energia internă a unui corp poate fi schimbată numai prin transmiterea unei anumite cantități de căldură acestuia

12. Tabelul prezintă rezultatele măsurătorilor de masă \(m\) , modificările de temperatură \(\Delta t\) și cantitatea de căldură \(Q\) eliberată în timpul răcirii cilindrilor din cupru sau aluminiu .

Care afirmații corespund rezultatelor experimentului? Selectați două dintre cele corecte din lista oferită. Indicați-le numerele. Pe baza măsurătorilor efectuate, se poate argumenta că cantitatea de căldură eliberată în timpul răcirii

1) depinde de substanța din care este fabricat cilindrul.
2) nu depinde de substanța din care este fabricat cilindrul.
3) crește odată cu creșterea masei cilindrului.
4) crește odată cu creșterea diferenței de temperatură.
5) capacitatea termică specifică a aluminiului este de 4 ori mai mare decât capacitatea termică specifică a staniului.

Partea 2

C1. Un corp solid care cântărește 2 kg este plasat într-un cuptor de 2 kW și începe să se încălzească. Figura arată dependența temperaturii \(t\) a acestui corp de timpul de încălzire \(\tau \) . Care este capacitatea termică specifică a substanței?

1) 400 J/(kg °C)
2) 200 J/(kg °C)
3) 40 J/(kg °C)
4) 20 J/(kg °C)

Răspunsuri

Puteți modifica energia internă a gazului din cilindru nu numai lucrând, ci și încălzind gazul (Fig. 43). Dacă fixați pistonul, volumul gazului nu se va schimba, dar temperatura și, prin urmare, energia internă va crește.
Procesul de transfer de energie de la un corp la altul fără a lucra se numește schimb de căldură sau transfer de căldură.

Energia transferată organismului ca rezultat al schimbului de căldură se numește cantitatea de căldură. Cantitatea de căldură se mai numește și energia pe care o degajă un corp în timpul schimbului de căldură.

Imaginea moleculară a transferului de căldură.În timpul schimbului de căldură la limita dintre corpuri, are loc interacțiunea moleculelor care se mișcă lentă ale unui corp rece cu moleculele care se mișcă mai rapid ale unui corp fierbinte. Ca urmare, energiile cinetice ale moleculelor sunt egalizate și vitezele moleculelor corpului rece cresc, iar cele ale corpului fierbinte scad.

În timpul schimbului de căldură, energia nu este convertită dintr-o formă în alta: o parte din energia internă a unui corp fierbinte este transferată unui corp rece.

Cantitatea de căldură și capacitatea de căldură. Din cursul de fizică clasa a VII-a se știe că pentru a încălzi un corp de masă m de la temperatura t 1 la temperatura t 2 este necesar să se informeze despre cantitatea de căldură.

Q = cm(t 2 – t 1) = cmΔt. (4,5)

Când un corp se răcește, temperatura sa eternă t 2 este mai mică decât temperatura inițială t 1 și cantitatea de căldură degajată de corp este negativă.
Coeficientul c din formula (4.5) se numește capacitatea termică specifică. Capacitatea termică specifică este cantitatea de căldură pe care 1 kg dintr-o substanță o primește sau o eliberează atunci când temperatura acesteia se schimbă cu 1 K.

Capacitatea termică specifică este exprimată în jouli împărțit la kilogram înmulțit cu kelvin. Corpuri diferite necesită cantități diferite de energie pentru a crește temperatura cu 1 K. Astfel, capacitatea termică specifică a apei este de 4190 J/(kg K), iar cea a cuprului este de 380 J/(kg K).

Capacitatea termică specifică depinde nu numai de proprietățile substanței, ci și 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, va trebui să i se transfere mai multă căldură decât pentru a-l încălzi la volum constant.

Corpurile lichide și solide se extind ușor atunci când sunt încălzite, iar capacitățile lor specifice de căldură la volum constant și presiune constantă diferă puțin.

Căldura specifică de vaporizare. Pentru a transforma un lichid în abur, trebuie transferată o anumită cantitate de căldură. Temperatura lichidului nu se modifică în timpul acestei transformări. 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 acestora. La urma urmei, distanța medie dintre moleculele de gaz este de multe ori mai mare decât între moleculele lichide. În plus, o creștere a volumului în timpul tranziției unei substanțe de la starea lichidă la starea gazoasă necesită muncă împotriva forțelor externe de presiune.

Cantitatea de căldură necesară pentru a transforma 1 kg de lichid în vapori la o temperatură constantă se numește căldură specifică de vaporizare.

Această cantitate este notată cu litera r și exprimată în jouli pe kilogram.

Căldura specifică de vaporizare a apei este foarte mare: 2.256 · 10 6 J/kg la o temperatură de 100°C. Pentru alte lichide (alcool, eter, mercur, kerosen etc.) căldura specifică de vaporizare este de 3-10 ori mai mică.

Pentru a transforma un lichid cu masa m în vapori, este necesară o cantitate de căldură egală cu:

Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură

Căldura specifică de fuziune. Q k = –rm. (4,7)

Când un corp cristalin se topește, toată căldura furnizată acestuia duce la creșterea energiei potențiale a moleculelor. Energia cinetică a moleculelor nu se modifică, deoarece topirea are loc la o temperatură constantă.

Cantitatea de căldură λ (lambda) necesară pentru a transforma 1 kg dintr-o substanță cristalină la punctul de topire într-un lichid la aceeași temperatură se numește căldură specifică de fuziune.

Pentru a topi un corp cristalin de masa m, este necesară o cantitate de căldură egală cu:

Când 1 kg dintr-o substanță cristalizează, se eliberează exact aceeași cantitate de căldură. Căldura specifică de topire a gheţii este destul de mare: 3,4 · 10 5 J/kg.

Qpl = λm. (4,8)