§ 19. Тепловий баланс

Рівнюється. Наприклад, якщо у посудину з холодною водою опустити нагріту гирю, то через деякий час ми помітимо, що гиря охолола, вода і посудина нагрілися — їхні температури стали однаковими. Такий стан тіл називають тепловою рівновагою.

Результати дослідження процесу теплообміну під час встановлення теплової рівноваги свідчать про те, що в одних тіл зменшується внутрішня енергія: вони передають певну кількість теплоти іншим тілам; інші тіла отримують цю саму кількість теплоти і їхня внутрішня енергія збільшується.

Рівність кількості теплоти, яку віддає одне тіло (або тіла), кількості теплоти, яку отримує інше тіло (або тіла) у процесі теплообміну, називають тепловим балансом.

Процеси теплообміну дослідити досить складно. Наприклад, у випадку занурення у воду нагрітої гирі не лише гиря і вода обмінюються теплом. У теплообміні бере участь навколишнє повітря, посудина, підставка, на якій стоїть посудина з водою, та інші тіла. Щоб зменшити теплообмін із навколишнім середовищем, під час досліджень використовують спеціальні пристрої — калориметри. Найпростіший калориметр — це дві циліндричні посудини різного діаметра, які можна вставити одна в одну (мал. 1.57, а).

Для виготовлення внутрішнього стакана, як правило, використовують речовини з малою питомою теплоємністю. Коли менший стакан вставляють у більший, між ними залишається повітряний прошарок, що є досить добрим теплоізолятором. У

деяких калориметрах між зовнішньою та внутрішньою посудинами розміщують спеціальні термоізоляційні вставки, зокрема з пінопласту. Така конструкція дає змогу наблизити систему тіл у калориметрі до замкненої і вважати, що теплообмін відбувається лише між тілами, які знаходяться у внутрішній посудині калориметра (мал. 1.57, б).

Теплообмін між тілами, внаслідок якого настає теплова рівновага, можна записати у вигляді рівності кількостей теплоти, які одні тіла віддають, кількостям теплоти, які інші тіла отримують. Цю рівність називають рівнянням теплового балансу. Вона є відображенням закону збереження і перетворення енергії в теплових процесах.

Рівняння дає можливість визначити невідомі величини, що характеризують тіла, між якими відбувається теплообмін.

З’ясуємо, яка температура t встановиться в калориметрі (температура води і гирі) після вирівнювання температур.

Скориставшись рівнянням теплового балансу і виконавши математичні перетворення, отримаємо

В і д п о в і д ь: t ~ 31 °С.

У теплообміні найчастіше беруть участь не два, а більше тіл. У нашому випадку слід було б урахувати, що тепло, яке віддала гиря, витрачалося на нагрівання не лише води, а й принаймні внутрішнього стакана калориметра. У такому разі рівняння теплового балансу запишемо так:

де Q₃ — кількість теплоти, отримана стаканом калориметра. Тому температура, яка встановиться в калориметрі, буде дещо меншою за 30 °С. Звичайно, для ще більшої точності обчислень необхідно враховувати й те, що гиря нагріває також навколишнє повітря і другий стакан калориметра й інші тіла навколо. Проте процеси теплообміну тривають порівняно малий проміжок часу. Тому кількістю теплоти, яка витрачається на нагрівання тіл, що безпосередньо не контактують з водою і гирею, можна знехтувати.

Рівняння теплового балансу доцільно записувати у такій формі: з одного боку від знака рівності записують суму кількостей теплоти, які віддали тіла, що охолоджувалися у процесі теплообміну, а з іншого — суму кількостей теплоти, що їх отримало кожне з тіл, які нагрівалися.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Яка особливість процесу встановлення теплової рівноваги?

2.    Що розуміють під терміном “тепловий баланс”?

3.    У воду, температура якої 80 °С, кинули 300 г льоду за температури 0 °С. Після встановлення теплової рівноваги температура води дорівнює 30 °С. Знайдіть масу води. Втратами теплоти знехтувати.

4.    У посудину з 3 л холодної води, температура якої 10 °С, налили 2 л кип’ятку (температура 100 °С). Якою стала температура води в посудині?

5*. У калориметрі, внутрішній стакан якого виготовлений з алюмінію і має масу 80 г, є 150 г води температурою 20 °С. Скільки води температурою 80 °С потрібно долити в калориметр, щоб у ньому встановилася температура 30 °С?

6*. У одну склянку з гарячим чаєм опустили срібну ложку, а в іншу, таку саму склянку, — алюмінієву ложку такого самого об’єму. В якій склянці температура знизилася істотніше?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

Вивчення теплового балансу за умов змішування води різної температури

Завдання. Дослідити встановлення теплового балансу при змішуванні води різної температури.

Обладнання: калориметр; лабораторний термометр; вимірювальний циліндр (мензурка); терези з набором різноваг або динамометр; склянка; посудини з холодною і теплою водою.

Підготовка до проведення експерименту

1.    При короткочасному проведенні досліду можна знехтувати теплообміном нагрітої води з повітрям. Проте теплообмін між теплою і холодною водою неможливий без участі внутрішньої посудини калориметра. Тому вважатимемо, що у процесі встановлення теплового балансу беруть участь три тіла: внутрішня посудина калориметра, холодна вода (кімнатної температури) і тепла вода.

2.    Підготуйте таблицю для занесення результатів вимірювань і обчислень фізичних величин. Її форма може бути такою:

3. Продумайте послідовність ваших дій під час проведення експерименту.

Проведення експерименту

1.    Скориставшись терезами та набором різноваг або динамометром і ниткою, визначте масу внутрішньої посудини калориметра т_к. З’ясуйте, з якого металу її виготовлено, та запишіть у таблицю значення питомої теплоємності с_к.

2.    Використавши мірний циліндр або мензурку, відміряйте і налийте у калориметр 100—150 г холодної води (бажано кімнатної температури). Визначте початкову температуру води та внутрішньої посудини калориметра (за 1—2 хв температури посудини калориметра і холодної води зрівняються). Питомі теплоємності холодної і теплої води вважайте однаковими і такими, що дорівнюють 4200 Дж/ (кг · °С).

3.    Відмірявши мірним стаканом (мензуркою) 100—150 г теплої води, виміряйте її температуру і вилийте в калориметр.

4.    Обережно перемішайте його вміст термометром. Як тільки температура суміші перестане змінюватися, визначте температуру, що встановилася в калориметрі.

5.    Визначте кількості теплоти, які під час теплообміну з теплою водою одержали холодна вода і внутрішня посудина калориметра.

6.    Знайдіть кількість теплоти, яку калориметру і холодній воді віддала тепла вода.

7.    Перевірте, чи дорівнює кількість теплоти, яку віддала тепла вода, кількостям теплоти, що одержали калориметр і холодна вода.

8.    Зробіть висновки. Вкажіть можливі причини невиконання рівняння теплового балансу у вашому експерименті та можливі шляхи їхнього усунення.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2

Визначення питомої теплоємності речовини

Завдання. Визначити питому теплоємність твердого тіла.

Обладнання: посудина з водою; калориметр; терези з набором різноваг або динамометр; тверде тіло, питома теплоємність якого невідома; посудина з гарячою водою; термометр; мірний циліндр або мензурка; нитка або дротина з гачком.

Підготовка до проведення експерименту

1. Підготуйте таблицю для занесення результатів вимірювань та обчислень, одержаних під час проведення експерименту.

2.    Прив’яжіть нитку до твердого тіла (якщо немає дротяного гачка).

3.    Визначте ціну поділки термометра, мірного циліндра (мензурки).

Проведення експерименту

1.    Виміряйте масу твердого тіла т_т.

2.    Виміряйте масу внутрішньої посудини калориметра т_к та визначте за таблицею питому теплоємність речовини, з якої вона виготовлена ⁵.

3.    Відміряйте і налийте у калориметр 100—150 г води кімнатної температури т_в.

4.    Виміряйте температуру t₁ води в калориметрі, обережно перемішавши її термометром (таку саму температуру має внутрішня посудина калориметра).

5.    Нагрійте тверде тіло, опустивши в гарячу воду, і визначте його температуру t₂ (за температурою води).

6.    Перенесіть нагріте тіло у калориметр, і після встановлення в ньому теплової рівноваги виміряйте температуру води в калориметрі.

7.    Визначте кількість теплоти Q₁, одержану холодною водою в калориметрі, та кількість теплоти Q₂, одержану внутрішньою посудиною калориметра (у разі врахування теплообміну з цією посудиною), та кількість теплоти Q_ir, яку віддало тверде тіло під час його охолодження в калориметрі.

8.    Запишіть рівняння теплового балансу для процесу теплообміну в калориметрі та визначте питому теплоємність речовини, з якої виготовлено тіло. За значенням питомої теплоємності визначте, з якої речовини могло бути виготовлене це тіло.

9.    Вкажіть можливі причини виникнення похибок у результатах вимірювань.

Головне в темі

“Зміна агрегатних станів речовини”

Перехід речовини з твердого стану в рідкий називають плавленням.

Температуру, за якої дана речовина плавиться, називають її температурою плавлення.

Перехід речовини з рідкого стану в твердий називають кристалізацією. Кристалічні тверді тіла плавляться і тверднуть за однієї і тієї самої температури, певної для даної речовини.

Аморфні тіла не мають певної температури плавлення і тверднення.

Кількість теплоти, яка потрібна для перетворення одиниці маси (1 кг) кристалічної речовини з твердого стану в рідкий, називається питомою теплотою плавлення.

Питома теплота кристалізації дорівнює питомій теплоті плавлення.

Питома теплота плавлення (кристалізації) показує, на скільки внутрішня енергія 1 кг речовини в твердому стані, узятої за температури плавлення, менша, ніж внутрішня енергія цієї самої речовини в рідкому стані за тієї самої температури.

Для визначення кількості теплоти, яку потрібно затратити, щоб розплавити тіло за температури плавлення, слід питому теплоту плавлення тіла помножити на його масу:

Процес перетворення рідини на пару (газ) називають пароутворенням. Пароутворення з вільної поверхні рідини, що відбувається за будь-якої температури, називають випаровуванням.

Процес кипіння — це процес інтенсивного випаровування рідини, який супроводжується утворенням пари не лише на її поверхні, а й у бульбашках всередині рідини.

Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння або точкою кипіння.

Кількість теплоти, яка потрібна для перетворення 1 кг рідини на пару без зміни температури, називають питомою теплотою пароутворення.

Питома теплота пароутворення показує, наскільки внутрішня енергія 1 кг пари більша за внутрішню енергію 1 кг рідини за тієї самої температури.

Питома теплота конденсації чисельно дорівнює питомій теплоті пароутворення за тієї самої температури.

Щоб визначити кількість теплоти, необхідної для перетворення на пару речовини, що перебуває в рідкому стані, потрібно питому теплоту пароутворення речовини помножити на її масу:

ПЕРЕВІР СЕБЕ

1. У яких агрегатних станах може перебувати одна й та сама речовина?

A)    тільки в твердому;

Б) тільки в рідкому;

B)    тільки в рідкому і газоподібному;

Г) у твердому, рідкому, газоподібному.

2. Під час плавлення теплота витрачається на ...

А) підвищення температури; Б) руйнування кристалічної ґратки;

В) виконання роботи з розширення;

Г) збільшення кінетичної енергії тіла.

3.    В алюмінієвій посудині можна розплавити ...

A)    цинк;

Б) олово;

B)    мідь;

Г) срібло.

4.    Питома теплота плавлення алюмінію становить 3,9 10⁵ Дж/кг. Це означає ...

A)    щоб нагріти 1 кг алюмінію від 0 °С до температури плавлення, необхідно передати йому 3,9 х X 10⁵ Дж теплоти;

Б) щоб розплавити 1 кг алюмінію за температури його плавлення, потрібно передати йому 3,9 · 10⁵ Дж теплоти;

B)    щоб розплавити 1 кг алюмінію, температура якого 0 °С, необхідно затратити 3,9 · 10⁵ Дж теплоти;

Г) щоб розплавити деяку масу алюмінію, потрібно передати йому 3,9 · 10⁵ Дж теплоти.

5.    Кількість теплоти, потрібну для плавлення речовини за температури плавлення, можна визначити за формулою ...

A)    Q = rm;

Б) Q = Xm;

B)    Q = cm;

Г) Q = cmAt.

6.    За якою формулою можна знайти кількість теплоти, яка потрібна для випаровування деякої маси рідини за температури кипіння?

A)    Q = rm;

Б) Q = Xm;

B)    Q = cm;

Г) Q = cmAt.

7.    Яку кількість теплоти потрібно затратити, щоб розплавити 10 кг льоду температурою 0 °С?

A)    1,7 · 10⁵ Дж;

Б) 3,4 · 10⁵ Дж;

B)    3,4 · 10⁶ Дж;

Г) 6,8 Дж.

8.    Яка кількість теплоти виділиться при конденсації 200 г спирту температурою 78 °С?

A)    180 кДж;

Б) 20 кДж;

B)    3 МДж;

Г) 4 МДж.

9.    Випаровуванням називають явище .

A)    перетворення рідини на газ; Б) вилітання молекул з вільної поверхні рідини;

B)    переходу молекул з пари в рідину;

Г) утворення пари в бульбашках повітря всередині рідини.

10.    Яке з тверджень неправильне?

A)    у процесі кипіння температура не змінюється;

Б) під час кипіння уся теплота, яка надходить до рідини, витрачається на збільшення внутрішньої енергії речовини при перетворенні її на пару;

B)    температура кипіння більша за температуру конденсації;

Г) під час кипіння відбувається не лише випаровування, а й пароутворення всередині бульбашок повітря в самій рідині.

11. На скільки внутрішня енергія 2 кг водяної пари, що має температуру 100 °С, більша, ніж внутрішня енергія води за тієї самої температури?

А) 460 кДж;

Б) 2300 кДж; в) 4600 кДж;

Г) 23 000 кДж.

12. Питома теплота конденсації вимірюється в...

A)    Дж/кг;

Б) Дж;

B)    Дж/(кг · °С);

Г) Дж/°С.

ЗГОРЯННЯ ПАЛИВА. ТЕПЛОВІ ДВИГУНИ

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко