Теплові явища. Теорія та приклади розв'язування задач

1.1 Тепловий рух молекул і атомів. Внутрішня енергія тіл

1.1 Тепловий рух - хаотичний рух молекул, атомів та йонів (мікрочастинок).

способи теплопередачі - теплопровідність, конвекція, теплові промені

1.2. Температура

Великий закон природи : більш нагріті тіла завжди віддають тепло менш нагрітим.

гаряче тіло віддає холодному тепло

Теплова рівновага - вирівювання температури тіл, які перебувають у теплообміні в обмеженому просторі:

ознаки теплової рівноваги

Вимірювання температури - теплове розширення рідин , металів :

шкала Цельсія - С, t в системі СІ - шкала Кельвіна - 1К, позначається велечина літерою Т.

Абсолютний нуль - температура, при якій припинився 6 хаотичний рух молекул і атомів тіла - найнижча температура в природі.

1.3.Особливості теплового розширення води

графік залежності об'єму від часу та тиску від часу при нагріванні води

Вода при нагріванні від 0* до 4‘С зменьшується в об’ємі ( її густина максимальна при 4°С).Подальше нагрівання води призводить до збільшення її об’єму.

Іншою особливістю води є зменшення її густини при замерзанні , внаслідок чого лід плаває на поверхні води. Ці особливості пов'язані з тим , шо в твердому стані кристалічна структура має менш щільну упаковку, ніж в рідкому.А максимум щільності упаковки молекул води досягається при 4*С.

Особливість теплового розширення води має важливе значення для збереження життя організмів у водоймах взимку .Охолоджені повітрям верхні шари води опускаються вниз , а теплі піднімаються вгору. Таке перемішування води відбувається до тих пір , поки температура води не опуститься до 4*С.При подальшому охолодженні верхні шари не опускаються і при 0‘С зверху утворюється лід,що плаває на поверхні та запобігає повному промерзанню водоймищ.

1.4.Означення фізичних величин. Основні формули. Фізичний зміст коефіцієнтів пропорційності. Розмірність фізичних величин.

1.1 Об'ємне та лінійне розширення.

Коефіцієнт B показує , на яку частку зміниться об’єм рідини відносно Його початкового об’єму У_о внаслідок зміни температури тіла на 1К.

Коефіцієнт а показує, на яку частку зміниться довжина тіла відносно його початкової довжини L₀ внаслідок зміни температури на 1К.

1.2. Тепловим рухом називають невпорядкований рух мікрочастинок тіла (молекул, атомів, електронів), які утворюють тіло.
1.3. Внутрішню енергією тіла називають кінетичну енергію хаотичного руху молекул, атомів та потенціальну енергію взаємодії.

1.4. Види теплообміну: теплопровідність , конвекція та теплове випромінювання.
Теплопровідністю називають передавання теплоти від більш нагрітих частин тіла до менш нагрітих , яке веде до вирівнювання температур без перенесення речовини.
Конвекцією називають теплообмін внаслідок перенесення речовини у газах і рідинах.
Тепловим випромінюванням називають такий вид теплообміну , який здійснюється всіма тілами за рахунок випромінювання частини своєї внутрішньої енергії і перетворення внутрішньої енергії випромінювання у внутрішню.
Зміну внутрішньої енергії називають кількістю теплоти .
1.5. Кількість теплоти Q залежить від роду речовини , маси тіла та різниці температур.
Теплоємність речовини показує , яку кількість теплоти треба затратити, щоб змінити температуру тіла на 1К.

Коефіцієнт C наливається теплосмиістю .
В фізиці найчастіше використовується питома теплоємність речовини, її позначають C.
Питома теплоємність C показує яку кількість теплоти треба затратити, щоб підвищити температуру на 1 Кельвін 1 кілограма речовини.

1.6. Питома теплота пароутворення визначає кількість теплоти , необхідну для випаровування 1 кілограм рідини при температурі випаровуваня.

1.7.    Кипіння - це внутрішнє випаровування рідини , внаслідок якого всередині її об'єму утворюються бульбашки пари , що спливають і виштовхують її назовні.
1.8.    Температура кипіння - це температура при якій рідина кипить. (Температура для води 100 ^оС)
Температура кипіння залежить від зовнішнього тиску : чим більший зовнішній тиск , тим вищою буде температура кипіння.
1.9.    Коефіцієнт корисної дії теплової машини дорівнює відношенню корисної роботи до тієї кількості теплоти, яку затратили на її виконання.

1.5. Теплові машини

Тепловий двигун - це пристрій , в якому енергія отримана від згорання палива, перетворюється на механічну енергію.

принцип дії теплового двигуна. блок-схема

Чотиритактний двигун внутрішнього згорання

1.6. Зміна агрегатних станів води

Зміна агрегатного стану речовини супроводжується відповідною зміною внутрішньої' енергії тіла.
графік для покращення розуміння принципів переходу між агрегатними станами

графік для покращення розуміння принципів переходу між агрегатними станами

1.7 Логіко-структурна блок-схема розділу "Теплові явища".

Закон збереження енергії:

Коефіцієнт корисної дії:

1.9.Способи (методи) розв'язання якісних задач.

Задача 1. Дві кулі однакової маси - свинцева і стальна падають з однакової висоти на пісок. Яка л них більше нагріється ?

с₁ - 140 Дж/кг*К;

с₂ = 500 Дж/кг*К;

Аналітичний спосіб розв'язання:

Графічний спосіб:

Відповідь : нагрівається дужче те тіло, яке має меншу теплоємність

1.9. Розв’язання основних типів задач з розділу "Теплові явища"

Всі задачі даної теми умовно можна поділити на три групи, врховуючи ступень складності:

тип. Задачі, в яких відбувається обмін енергії без агрегатих перетворень.
тип. Задачі, в яких відбуваються фазові переходи і відомі кінцеві стани системи (кінцева температура ).
тип. Задачі, і яких відбуваються фазові переходи, але невідома кінцева температура.
тип. Графічні задачі.

Перші дві групи задач розв'язуються шляхом складання рівняння теплового балансу, з якого визначається невідома величина. Такі задачі можна розв’язати в загальному вигляді, а потім, підставляючи числові значення заданих величин, зробити обчислення.
Зидачі третього типу неможливо розв’язати в загальному вигляді. Залежно від числових значень вихідних даних одні процеси можуть протікати, а інші - ні. А від того, які процеси пртікають, і в якому напрямку, залежить вид рівняння теплового балансу.Розв'язування таких задач необхідно починати з виявлення процесів, що відбуваються першими, в результаті яких виділяється теплота, Потім обчислюють відповідну кількість теплоти, визначаючи напрям наступних можливих приесів.
При розв’язанні задач 4 типу використовується графічний метод.

Теорема 1: якщо в теплообміні беруть участь вода, калориметр та нагріте тверде тіло , маси, теплоємності і температури яких відповідно рівні

то температура суміші обчислюється за формулою серенього арифметичного:

Доведення

Нехай в калориметр з водою опустили тверде тіло нагріте до 100 ^оС .Яка температура встановиться в калориметрі? Очевидно , що нагріте тіло буде охолоджуватись, а вода і калориметр нагріватися . Цей процес буде відбуватися до тих пір, доки не встановиться загальна температура O.
Кількість теплоти , яка виділиться нагрітим тілом , повинна бути рівня кілкості теплоти , яка поглинається водою та калориметром.
Запишемо рівняння теплового балансу

рівняння теплового балансу до задачі

Якщо тепер прийняти , що с₁=с₂=с₃, то температуру суміші рідин визначають за формулою Ріхмана:

Формула Ріхмана

Якщо за умовою задачі O відома , а знайти необхідно теплоємність твердого тіла, то з (2) отримуємо :

формула

Процеси , що відбуваються , можно проілюструвати на графіку залежності температури від переданої тілу кількості теплоти .

Графік

Задача 1. Знайти загальну температуру , яка встановиться , якщо в латунний калориметр масою 150 г з 200 г води при температурі 12*С опустити залізну гирю масою 250 г, яка нагріта до 100 ^оС.

Розв’язання

Дано та розв'язання

Задача 2. Шматок льоду масою 5 кг при температурі -30^оС опустили у воду , яка мас температуру 70^оС. Маса води 20 кг . Яку температуру буде мати вода , коли весь лід ростане ? Питома теплоємність води 4,2 *10³ Дж/кгК. льоду - 2.1 • 10³ Дж/кгК, а питома теплота плавлення льоду 3.4- 10⁵ Дж/кгК Теплообміном з оточуючим середовищем знехтувати.

Умова та розв'язок задачі на з фізикитеплообмін

в результаті чого отримуємо воду при 0^оС , нагрівання якої до кінцевої температури t потребує кількість теплоти :

Кількість теплоти , віддана водою, що охолоджується:

розв'язок задачі

Задача 3 типу

Задача 3. В калориметрі знаходиться вода масою m₁ = 400 г при температурі t₁ = 5'С . До неї влили ще m₂= 200 г води з температурою t₂ = 10"С і положили m₃ = 400 г льоду з температурою t₃ = -60 *С. Яка температура O встановиться в калориметрі? Як зміниться кількість льоду ?

розв'язання задачі

Задача IV типу

Задача 4. Побудувати графік залежності температури в колориметрі від часу , якщо кількість теплоти ,що надається системі, постійна і рівна q = 100 Дж/ с .
В калориметрі знаходиться 1 кг льоду при t₁ = -20*С.

Розв’язування

розв'язання задачі

продовження

Комбіновані задачі

Задача 5. В герметично закритій посудині у воді плаває шматок льоду масою М = 0.1 кг , в який вмерзла дробинка масою m = 5 г . Яку кількість теплоти потрібно витратити , щоб дробинка почала тонути ? Густина свинцю 11.3 г/см³, густина льоду 0.9 г/см³ , теплота плавлення льоду 3.3-10⁵ Дж/кг . Температура води в посудині рівна 0°.

Розв’язування

Для того, щоб дробинка почала тонути не має необхідності, щоб весь лід растав. Достатньо того, щоб середня густина льоду з дробинкою стала рівна густині води. Якщо масу льоду, що залишився при цьому, позначити М₁, то умова того, що дробинка
почне тонути, запишеться так:
розв'язок

Задача.

У посудині нагрівають V=1 літрів води і m=50 грам льоду. Початкова температура їх була T₁=0°C. Скільки потрібно часу, щоб вода закипіла, якщо потужність нагрівника N=500 Вт, його КПД h=60%

Ця стаття написана на основі універсального посібника з фізики для 8 класу. Дякуємо за перегляд цього матеріалу, сподіваємось, він вам допоміг. На нашому сайті ще багато якісних навчальних та розважальних матеріалів, тож приходьте ще =)

Категорія: Фізика

Автор: admin от 28-02-2013, 22:59, Переглядів: 33944