§ 9. Тепловий баланс
Вивчаючи механічні явища, ви вже ознайомились із законом збереження і перетворення енергії. Цей фундаментальний закон справджується для всіх процесів у природі, в тому числі для процесу теплопередачі. Математичним вираженням закону збереження енергії в процесі теплопередачі є рівняння теплового балансу. Ознайомимося з цим рівнянням і навчимося застосовувати його для розв'язання задач.
Записуємо рівняння теплового балансу
Уявіть систему тіл, яка не одержує і не віддає енергію (таку систему називають ізольованою), а зменшення або збільшення внутрішньої енергії тіл системи відбувається лише внаслідок теплопередачі між тілами цієї системи. У такому випадку на підставі закону збереження енергії можна стверджувати: скільки теплоти віддадуть одні тіла системи, стільки ж теплоти одержать інші тіла цієї системи.
Позначимо Q+ кількість теплоти, одержану якимось тілом системи, а Q — кількість теплоти, віддану якимось тілом цієї системи. Тоді закон збереження енергії для процесу теплопередачі можна записати у вигляді рівняння, яке називають рівнянням теплового балансу:
Формулюється воно так: в ізольованій системі тіл, у якій внутрішня енергія тіл змінюється тільки внаслідок теплопередачі, загальна кількість теплоти, відданої одними тілами системи, дорівнює загальній кількості теплоти, одержаної іншими тілами цієї системи.
Зауважимо, що в наведеній формі рівняння теплового балансу всі доданки є модулями кількості теплоти, тобто є величинами додатними.
Рівняння теплового балансу застосовують для розв’язання низки задач, із якими ми часто маємо справу на практиці (рис. 9.1).
Учимося розв'язувати задачі
Розв’язуючи задачі на складання рівняння теплового балансу, слід пам’ятати: якщо процес теплообміну триватиме досить довго, то зрештою встановиться стан теплової рівноваги, тобто температура всіх тіл системи стане однаковою.
Задача. У воду масою 400 г, узяту за температури 20 °С, додали 100 г гарячої води, що має температуру 70 °С. Якою буде температура води? Вважайте, що під час досліду теплообмін із довкіллям не відбувається.
Аналіз фізичної проблеми. У теплообміні беруть участь два тіла. Віддає енергію гаряча вода: її температура зменшується від 70 °С до кінцевої температури t. Одержує енергію холодна вода: її температура збільшується від 20 °С до t. За умовою, теплообмін із довкіллям не відбувається, тому для розв’язання задачі можна скористатися рівнянням теплового балансу.
Нагадуємо: рівняння теплового балансу ми будемо використовувати у формі, де значення кількостей теплоти взято за модулем, тобто є додатними. Тому тут і надалі в разі розрахунку кількості теплоти, яку віддає тіло, завжди будемо віднімати від більшої температури меншу.
Для будь-яких процесів, що відбуваються в природі, виконується закон збереження і перетворення енергії. Для ізольованої системи, в якій внутрішня енергія тіл змінюється тільки внаслідок теплопередачі між тілами цієї системи, закон збереження енергії можна сформулювати так: загальна кількість теплоти, відданої одними тілами системи, дорівнює загальній кількості теплоти, одержаної іншими тілами цієї системи.
Математичним вираженням закону збереження енергії в процесі теплопередачі є рівняння теплового балансу:
Контрольні запитання
1. Яку систему тіл називають теплоізольованою? 2. Сформулюйте закон збереження енергії, на підставі якого складають рівняння теплового балансу.
Вправа № 9
У ході розв’язування задач теплообміном із довкіллям знехтуйте.
1. У ванну налили 80 л води за температури 10 °С. Скільки літрів води за температури 100 °С потрібно додати у ванну, щоб температура води в ній становила 25 °С?
2. У каструлю налили 2 кг води, нагрітої до температури 40 °С, а потім додали 4 кг води, що має температуру 85 °С. Визначте температуру суміші.
3. Нагрітий у печі сталевий брусок масою 200 г занурили у воду масою 250 г за температури 15 °С. температура води підвищилася до 25 °С. Обчислить температуру в печі.
4. У латунну посудину масою 200 г налили 400 г води за температури 20 °С і розмістили в ній 800 г срібла, що має температуру 69 °С. Вода нагрілася до температури 25 °С. Визначте питому теплоємність срібла.
5. Наведіть приклади речовин, які за температури 20 °С перебувають у твердому стані; рідкому стані; газоподібному стані.
Експериментальне завдання
Використовуючи рис. 9.1, б, складіть план проведення експерименту щодо визначення питомої теплоємності речовини.
Якщо ви маєте необхідне обладнання, проведіть відповідний експеримент.
Тема. Вивчення теплового балансу за умови змішування води різної температури.
Мета: ознайомитися з будовою та принципом дії калориметра; визначити кількість теплоти, віддану гарячою водою, і кількість теплоти, одержану холодною водою, в результаті змішування води різної температури, порівняти результати.
Обладнання: мірний циліндр, термометр, калориметр, склянка з холодною водою, склянка з гарячою водою, паперові серветки, мішалка.
Теоретичні відомості
Для багатьох дослідів із вивчення теплових явищ застосовують калориметр — пристрій, що складається з двох посудин, які розміщені одна в одній і розділені повітряним прошарком (див. рисунок). Унаслідок слабкої теплопровідності повітря й завдяки невеликій відстані між внутрішньою і зовнішньою посудинами, що зумовлює відсутність конвекційних потоків, у калориметрі теплообмін із довкіллям значно зменшується.
вказівки до роботи
підготовка до експерименту
1. Перед тим як розпочати вимірювання:
а) уважно прочитайте теоретичні відомості, подані вище;
б) згадайте, в чому полягає стан теплової рівноваги.
2. Визначте ціну поділки шкал вимірювальних приладів.
Експеримент
Суворо дотримуйтесь інструкції з безпеки (див. форзац). Результати вимірювань відразу заносьте до таблиці.
1. Ознайомтесь із будовою калориметра.
2. Налийте в мірний циліндр 60-80 мл холодної води. Визначте її об’єм (V1) і виміряйте її температуру (Ii).
3. Налийте в калориметр гарячої води (1/3 внутрішньої посудини калориметра) і виміряйте її температуру (t2).
4. Не виймаючи термометра, вилийте в калориметр холодну воду з мірного циліндра і, обережно перемішуючи суміш мішалкою, стежте за показами термометра. Щойно змінення температури стане непомітним, запишіть температуру суміші (t).
5. Обережно вийміть термометр із води, протріть серветкою та сховайте у футляр.
6. Перелийте всю воду з калориметра в мірний циліндр, виміряйте загальний об’єм V води.
опрацювання результатів експерименту
3. Закінчіть заповнення таблиці.
Аналіз результатів експерименту
Проаналізуйте експеримент і його результати. Сформулюйте висновок, у якому:
а) порівняйте кількість теплоти, віддану гарячою водою, і кількість теплоти, одержану холодною водою;
б) зазначте причину можливої розбіжності результатів.
Завдання «із зірочкою»
Оцініть відносну похибку експерименту, скориставшись формулою:
лабораторна робота № 2
Тема. Визначення питомої теплоємності речовини.
мета: визначити питому теплоємність речовини у твердому стані.
обладнання: мірний циліндр, терези з важками, термометр, калориметр, металевий циліндр із ниткою, склянка з водою, електричний чайник із водою (один на клас), паперові серветки, мішалка.
Теоретичні відомості
Для визначення питомої теплоємності речовини в твердому стані можна скористатися таким методом. тіло нагрівають в окропі (у воді за температури 100 °С), а потім опускають у калориметр із холодною водою. Відбувається теплообмін, у якому беруть участь чотири тіла: тверде тіло віддає енергію, одержують енергію вода, калориметр, термометр. Оскільки термометр і калориметр порівняно з водою одержують незначну кількість теплоти, можемо вважати, що кількість теплоти, відданої твердим тілом, дорівнює кількості теплоти, одержаної холод-
ВКАЗІВКИ ДО РОБОТИ Підготовка до експерименту
1. Перед тим як розпочати вимірювання:
а) уважно прочитайте теоретичні відомості, подані вище;
б) згадайте, що характеризує питома теплоємність речовини; одиниці питомої теплоємності речовин.
2. Визначте ціну поділки шкал вимірювальних приладів.
Експеримент
Суворо дотримуйтесь інструкції з безпеки (див. форзац). Результати вимірювань відразу заносьте до таблиці.
3. Вийміть термометр із води і покладіть на серветку. Підійдіть з калориметром до вчителя, який із чайника з киплячою водою дістане за нитку металевий циліндр і покладе його у ваш калориметр.
4. Знову помістіть термометр у калориметр і, злегка перемішуючи воду мішалкою, стежте за підвищенням температури. Щойно змінення температури стане непомітним (тобто встановиться теплова рівновага), запишіть показ термометра — кінцеву температуру води (t).
5. Вийміть термометр із води, осушіть його паперовою серветкою та покладіть у футляр.
6. Вийміть металевий циліндр із води, осушіть його паперовою серветкою та зважте.
3. Результати обчислень занесіть до таблиці.
4. Скориставшись таблицею питомих теплоємностей речовин у твердому стані (див. табл. 1 Додатку), дізнайтеся, з якої речовини виготовлений циліндр.
Аналіз результатів експерименту
Проаналізуйте експеримент і його результати. Сформулюйте висновок, у якому зазначте:
а) яку величину ви визначали;
б) який результат отримали;
в) які чинники вплинули на точність отриманого результату. Творче завдання
Запропонуйте спосіб визначення питомої теплоємності рідини. Запишіть план експерименту.
ЧАСТИНА II. ЗМІНА АГРЕГАТНОГО СТАНУ
РЕЧОВИНИ. ТЕПЛОВІ ДВИГУНИ
Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар
Автор: evg от 7-08-2016, 20:08, Переглядів: 8589