§ 12. Розрахунок кількості теплоти, що потрібна для нагрівання тіла, та що виділяється ним під час його охолодження

Думки вголос

Я навчуся застосовувати для розв’язання задач формулу розрахунку кількості теплоти, що потрібна для нагрівання тіла та виділяється ним під час його охолодження.

Не досить знати, треба й застосовувати. Не досить хотіти, треба й робити.

Й. Гете

У попередньому параграфі ми ознайомилися з формулою для розрахунку кількості теплоти, що надається тілу під час його нагрівання:

Q - с-т- Atабо Q - с- m-(t₂-J₁), де Q — кількість теплоти, що надається тілу під час його нагрівання; с — питома теплоємність речовини; т — маса тіла; At = = (t₂ - tі) — зміна температури тіла; Jf₁ і — відповідно початкова і кінцева температури тіла.

нагріти шматок міді масою 1 кг на 1 °С потрібно надати йому 400 Дж енергії, а якщо нагріватимемо на I ⁰C 4 кг міді, енергії знадобиться в 4 рази більше: 400 Дж · 4 = 1600 Дж. А якщо нам треба ці 4 кг міді нагріти на 200 °С, то енергії знадобиться ще більше в 200 разів: 1600 Дж · 200 = 320 000 Дж = 320 кДж.

Щоб підрахувати кількість теплоти, що потрібна для нагрівання тіла та виділяється під час його охолодження, треба перемножити питому теплоємність тіла с, його масу т та різницю між більшою температурою t₂ і меншою температурою t,:

Q — с - т - (f₂ — fj).

Із цієї формули можна вивести формули для визначення будь-якої величини, що може знадобитися під час розв’язування задач.

Щоб визначити масу тіла, яке нагрівається або охолоджується, потрібно кількість теплоти поділити на питому теплоємність речовини й на різницю більшої і меншої температур тіла:

Щоб визначити питому теплоємність речовини, з якої виготовлене тіло, потрібно кількість теплоти поділити на масу тіла й па різницю його більшої і меншої температур:

Щоб визначити, на скільки градусів змінилася температура тіла, потрібно кількість теплоти поділити на питому теплоємність речовини й на масу тіла:

Приклади розв’язування задач. Задача I. В алюмінієву каструлю масою 6 кг налили воду масою 8 кг. Яку кількість теплоти треба передати каструлі з водою для зміни їх температури від 20 до 100 °С?

Під час розв’язування задачі потрібно врахувати, що нагріватися будуть два тіла: вода і каструля. У результаті теплообміну їх температури треба брати однаковими, тоді зміна температури води і каструлі буде At = (100 - 20) ⁰C = 80 °С. Але кількості теплоти будуть різними, оскільки різні маси каструлі і води,

Для нагрівання каструлі і води потрібна кількість теплоти:

Q = Qi + Q₂= 441 600 Дж + 2 688 000 Дж =

= 3 129 600 Дж = 3129,6 кДж.

Відповідь: Q = 3129,6 кДж.

Задача 2. Змішали воду масою 0,8 кг, яка має температуру 25 °С, і кип’яток масою 0,2 кг. Температура суміші через деякий час вирівнялась і стала 40 °С. Обчислити, яку кількість теплоти віддав кип’яток під час охолодження і отримала холодна вода під час нагрівання. Порівняти ці кількості теплоти.

Результат розв’язання показує, що кількість теплоти, віддана кип’ятком, і кількість теплоти, яку отримала холодна вода, рівні між собою. Цей результат задачі не випадковий.

Досліди показують, що під час теплообміну між тілами внутрішня енергія всіх тіл, які нагріваються, збільшується настільки, наскільки зменшуються внутрішня енергія тіл, які охолоджуються.

Підсумки

Щоб підрахувати кількість теплоти, що потрібна для нагрівання тіла та що виділяється під час його охолодження, треба перемножити питому теплоємність тіла с, його масу т та різницю між більшою температурою ґ₂ і меншою температурою f_n:

Q = с- m-(t₂- ij).

Перевір свої знання

1*. Яка кількість теплоти необхідна для нагрівання 1 кг сталі на 2 °С? на 5 °С? на 10 °С?

2*. Яка кількість теплоти необхідна для нагрівання на YCмідного тіла масою 5 кг? 10 кг? 20 кг?

З**. Розрахувати кількість теплоти, потрібну для нагрівання:

а)    чавунної деталі масою 2 кг для нагрівання на 200 °С;

б)    алюмінієвої деталі масою 50 кг від 20 до 100 °С.

4**. Яка кількість теплоти виділиться під час охолодження води об’ємом 20 л від 100 до 50 °С?

5***. Щоб охолодити 2 л води температурою 80 °С до 60 °С, до неї долили холодну воду температурою 10 °С. Яку кількість холодної води долили?

6*. При вмиканні опалення повітря в кімнаті об’ємом 60 м³ нагрілося від 10 °С до 20 °С. Яка маса води пройшла через труби опалювальної системи, якщо вода в них охолоне від 60 ⁰C до 58 °С?

Інструкція з охорони праці під час підготовки і проведення лабораторних та практичних робіт з фізики

1.    Вимоги безпеки перед початком роботи

1.1.    Усі положення щодо захисту від механічних, теплових та інших травму вальних факторів, що викладені в інструкції під час підготовки і проведення демонстраційних дослідів, поширюються на підготовку й проведення лабораторних та практичних робіт.

1.2.    Перед тим, як вмикати в електромережу електро- та радіоприлади, необхідно переконатися, що положення перемикача напруги мережі відповідає номінальному значенню, а також у справності запобіжників.

2.    Вимоги безпеки під час виконання роботи

2.1.    Під час виконання робіт на встановлення теплового балансу воду треба нагрівати не вище 70 °С.

2.2.    Під час виконання лабораторних та практичних робіт учням не дозволено користуватися приладами з написом на панелях (корпусі): «Тільки для проведення дослідів учителем».

2.3.    Навчальні прилади й вироби, призначені для лабораторних та практичних робіт учнів, за способом захисту людини від ураження електричним струмом повинні задовольняти вимоги II класу (мати подвійну або посилену ізоляцію) або III класу (бути приєднані безпосередньо до джерел живлення з напругою не вище 42 В).

2.4.    Будьте уважні й дисципліновані, точно виконуйте вказівки вчителя.

2.5.    Під час проведення дослідів не допускайте граничних навантажень вимірювальних приладів. Працюючи з приладами зі скла, будьте особливо обережні. Не виймайте термометрів із пробірок із затверділою речовиною.

2.6.    Стежте за справністю усіх кріплень у приладах і пристроях. Не доторкайтеся до обертових частин обладнання і не нахиляйтеся над ними.

2.7.    Для складання експериментальних установок користуйтеся проводами (із наконечниками і запобіжними частинами) з міцною ізоляцією, без видимих пошкоджень.

2.8.    Складаючи електричне коло, уникайте перетину проводів, заборонено користуватися провідниками зі спрацьованою ізоляцією і вимикачами відкритого типу (за напруги понад 42 В).

2.9.    Джерело струму вмикайте в електричне коло в останню чергу. Складене коло вмикайте тільки після перевірки і з дозволу вчителя. Наявність напруги в колі перевіряйте тільки приладами або покажчиками напруги.

2.10.    Не торкайтесь елементів кола, що не мають ізоляції і перебувають під напругою. Не виконуйте повторно з’єднань у колах до вимикання джерела електроживлення.

2.11.    Стежте за тим, щоб під час роботи випадково не доторкнутися до обертових частин електричних машин. Не виконуйте повторно з’єднань в електричних колах машин до повної зупинки якоря або ротора машини.

2.12.    Не торкайтеся корпусів спеціального електрообладнання, до затискачів увімкнених конденсаторів.

2.13.    Користуйтесь інструментом з ізольованими ручками.

2.14.    Для приєднання споживачів до електромережі користуйтеся штепсельними з’єднаннями.

3.    Вимоги безпеки після закінчення роботи

3.1.    Вимкніть усі прилади з електромережі.

3.2.    Розрядіть конденсатори.

3.3.    Приберіть свої робочі місця.

3.4.    Прилади здайте вчителю.

4.    Вимоги безпеки в аварійних ситуаціях

4.1.    Якщо помічено несправності в електромережі кабінету фізики, зокрема й вихід з ладу електроламп, необхідно повідомте про це електрика або відповідального за електрогосподарство у школі.

4.2.    У випадку виявлення несправності в електричних приладах, що перебувають під напругою, негайно вимкніть джерело електроживлення.

4.3.    У випадку одержання травми повідомте вчителя, за потреби викличте швидку медичну допомогу за тел. 103.

4.4.    У випадку виникнення пожежі ліквідуйте осередок пожежі, за потреби викличте пожежну службу за тел. 101, а дітей виведіть у безпечне місце.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОЇ ТЕПЛОЄМНОСТІ РЕЧОВИНИ

Мета. Визначити калориметричним методом питому теплоємність речовини.

Обладнання: склянка з водою, калориметр, термометр, терези з важками, досліджуване тіло (важок), посудина з гарячою водою.

Вказівки до роботи

Для дослідження теплообмінних процесів застосовують прилади, які називають калориметрами (латиною calor — тепло і грецькою metreo — вимірюю).

Найпростіший калориметр (мал. 54) складається з тонкостінного циліндра 3у зовнішньої посудини Iy теплоізоляційної підставки 4 і термометра 2.

Такий пристрій дає змогу максимально зменшити втрати теплоти назовні, які важко врахувати у вимірюваннях. Він є основним засобом у калориметричному методі вимірювання. Цей метод базується на припущенні рівності кількості теплоти Qy_t яку досліджуване тіло віддає, і КІЛЬКОСТІ теплоти Q,. у яку отримують калориметр і вода:

Q_v - Q_k

Основною характеристикою калориметра з водою є його теплоємність Су яку визначають заздалегідь. Наближено це можна зробити за допомогою обчислень, якщо відомі маса води т_иУ маса тонкостінного циліндра /п_ц і матеріал, з якого він виготовлений:

C = Cjn_a + с_цт_ц,

де с_а — питома теплоємність води, с_ц — питома теплоємність матеріалу циліндра. Якщо вважати, що питома теплоємність циліндра і його маса будуть набагато меншими за масу і питому теплоємність води, то другим доданком можна знехтувати, оскільки він несуттєво впливатиме на результат. За таких умов кількість теплоти, що віддає тіло внаслідок теплопередачі, дорівнює кількості теплоти, яку отримує вода в калориметрі. Для того щоб її обчислити, треба виміряти зміну температури води:

Q_t. - CAt - c_am_aAt.

Виконання роботи

1.    Налийте в калориметр холодної води приблизно на три чверті (щоб під час занурення досліджуваного тіла вона не виливалася) і визначте її масу Zn₁.

2.    Визначте початкову температуру води в калориметрі J₁.

3.    Виміряйте за допомогою важільних терезів масу тіла /п₂, питому теплоємність якого ви будете визначати.

4.    Занурте досліджуване тіло в гарячу воду на кілька хвилин, виміряйте її температуру t₂ (це буде початкова температура тіла), а потім перенесіть тіло в калориметр.

δ. Після встановлення теплової рівноваги знову виміряйте температуру води в калориметрі ί₃ (це буде кінцева температура тіла).

6. Дані досліду занесіть до таблиці:

7.    Обчисліть кількість теплоти Q₁, яку отримала вода в калориметрі:

Q₁= c₁m₁(i₃ — ί₁).

8.    Обчисліть питому теплоємність досліджуваного тіла C₂, узявши до уваги, що кількість теплоти, яку віддало тіло Q₂, дорівнює кількості теплоти Q₁, яку отримав калориметр:

9. За отриманим значенням питомої теплоємності за допомогою таблиці визначте, з якої речовини виготовлене досліджуване тіло, і зробіть висновок.

Дайте відповіді па запитання

1.    Яка роль калориметра в цій лабораторній роботі?

2.    Поясніть, чому в калориметрі підставка виготовлена із теплоізоляційного матеріалу.

3.    Оцініть витрати теплової енергії на нагрівання навколишнього середовища в цій роботі.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Сердюченко