§ 10. Рівняння теплового балансу. Питома теплота згоряння палива

Коли тіла знаходяться в тепловому контакті, то теплота передається від більш нагрітих тіл до менш нагрітих. Врешті-решт встановлюється теплова рівновага, коли всі тіла мають однакову температуру. Щоб запобігти втратам теплоти, помістимо кілька тіл, що мають різну температуру, в теплоізольова-ний резервуар (наприклад, у термос). Деякі тіла охолонуть, віддавши теплоту (ця кількість теплоти при розрахунках буде від'ємною), а інші тіла нагріються, отримавши теплоту (отриману кількість теплоти вважаємо додатною). Якщо знехтувати невеликими втратами, то виявиться, що повна сума всіх кількостей теплоти дорівнює нулю. Це означає, що сума кількостей теплоти, яку віддали більш гарячі тіла і отримали холодні дорівнює нулю. Математично це виглядає так:

У цій сумі є додатні величини (отримана теплота) і від'ємні (віддана теплота). Рівняння (10.1) називають рівнянням теплового балансу. Рівняння теплового балансу - це закон збереження енергії при теплообміні.

Калориметр

Вимірювання питомої теплоємності -дуже важлива задача у фізиці, техніці, біології, хімії. Вимірювання треба проводити з великою точністю. Для цього досліджувані тіла поміщають у теплоізольовані посудини - термостати. У ті часи, коли ще не було термоса, така посудина складалася з двох склянок різного діаметра, вкладених одна в одну (мал.

10.1). Між склянками залишався вузький шар повітря, що зменшувало конвекцію. Між дном склянок також був шар повітря. Такий прилад називався калориметром (прилад для вимірювання калорій).

Обмін теплотою між тілами в калориметрі відбувається із мінімальними втратами теплоти і тому для визначення необхідних

величин з успіхом можна використовувати рівняння теплового балансу. Сучасний калориметр - це дуже складний прилад, за допомогою якого можна виміряти енерговиділення комара і навіть енергію окремої живої клітини.

Теплота згоряння палива

При згорянні різних видів палива виділяється різна кількість теплоти «Q». Наприклад, при згорянні одного кілограму дров виділяється значно менше теплоти, ніж при згорянні такої ж маси вугілля. Кількість теплоти «Q», що виділяється при згорянні палива, прямо пропорційна масі згорілого палива «т». Якщо коефіцієнт пропорційності позначити літерою q, то формула для розрахунку загальної кількості тепла, що виділилося, набуде вигляду:

Коефіцієнт qназивають питомою теплотою згоряння палива. Зміст цієї величини такий: qпоказує, яка кількість теплоти виділяється при згорянні Ί кг палива. Наприклад, як видно з таблиці 10.1, питома теплота згоряння вугілля становить 27 МДж/кг. Це означає, що при згорянні 1 кг вугілля виділиться 27 МДж енергії у вигляді теплоти (МДж - мегаджоуль. 1 МДж = 1 000 000 Дж, «мега» - означає «мільйон»).

Питома теплота згоряння палива

ПРИКЛАД 10.2

Знайдемо кількість спирту, яку потрібно спалити в спиртівці, щоб закип'ятити склянку води. Припустимо, що при передачі теплоти втрачається 30% енергії, яка передається повітрю, навколишнім предметам, зокрема посудині, в якій кип'ятять воду. Отже, вода отримує 70% виділеної при згоранні спирту теплоти. Приймемо, що маса води в склянці дорівнює приблизно 200 г (0,2 кг).

Розв'язання. Скористаємося формулами (10.1) і (10.2), а також даними таблиць 9.1 і 10.1. Отримаємо:

Підставляючи у формулу (10.4) числові значення відповідних фізичних величин, отримаємо: ml ~ 3,6-10^-3 кг, або 3,6 г.

Відповідь: необхідно спалити 3,6 г спирту.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ 10.1

Визначення потужності сірника. Розрахуйте теплову потужність сірника, визначивши його масу і час згоряння. Питома теплота згоряння деревини сірника q = 12 600 Дж/г (деревина насичена спеціальним розчином). Зробивши розрахунки, ви будете дуже здивовані результатом. Потужність сірника приблизно дорівнює потужності електричної лампочки. Чи знаєте ви, що звичайний сірник має досить складну будову? Опишіть, як ви визначали масу сірника і якими довідковими даними користувалися.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

В теплоізольованій системі сума кількостей теплоти, якими обмінялися тіла, дорівнює нулю: Q₁+Q₂ + Q₂ +... = 0. Тепло, яке отримало тіло вважається додатнім, а віддало - від'ємним.

Кількість теплоти, що виділяється при згоранні палива, обчислюють за формулою: Q = q m. Питома теплота згоряння дорівнює енергії, що виділяється при згорянні 1 кг палива.

Калориметр - це прилад, в якому можна здійснити теплообмін між тілами, вважаючи систему великою мірою теплоізольованою.

ВПРАВА №10

1.    За якої умови виконується рівняння теплового балансу?

2.    Чому сума кількостей теплоти в рівнянні теплового балансу дорівнює нулю?

3.    Проявом якого закону природи є рівняння теплового балансу?

4.    Для чого використовується калориметр?

5.    Чому колба термоса може служити добрим калориметром?

6.    Яким був би результат у прикладі 10.1 в реальній ситуації, коли втрати теплоти неминучі?

7.    Яку кількість холодної води при температурі 10°С треба долити до 2 л води, що має температуру 80°С, щоб у результаті отримати воду з температурою 60°С?

8.    Для приготування ванни треба змішати воду при температурі 20°С з гарячою водою, що має температуру 80°С. Яку кількість а) холодної та б) гарячої води треба взяти, щоб отримати 200 л води з температурою

36°С?

9.    У склянку масою 120 г, яка має температуру 20°С, налили 200 г води при температурі 100 °С. Яка встановиться температура, якщо втрат теплоти немає?

10.    У калориметр налито 400 г води при температурі 15°С. Туди опустили тіло масою 150 г, нагріте до 80°С. Після встановлення теплової рівноваги температура води підвищилася на 20°С. Визначте питому теплоємність тіла. Теплоємністю калориметра можна знехтувати.

11.    У мідний калориметр масою 150 г, в якому є 200 г води при температурі 10°С, опустили стальну гирю масою 250 г, що має температуру 100°С. Знайдіть температуру, що встановилася.

12.    На спиртівці нагріли 500 г води від 16°С до 71 °С, спаливши 10 г спирту. Знайдіть коефіцієнт корисної дії спиртівки.

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка