Как найти время для удельной теплоты

План урока:

Изменение внутренней энергии в расчетах

Что означает удельная теплоемкость?

Какое количество тепла выделяется или поглощается?

Термос. Сосуд Дьюара. Калориметр

Где взять тепло?

Изменение внутренней энергии в расчетах

Работа и теплообмен (теплопередача) – два пути, изменяющих внутреннюю энергию. В преодолении этих путей внутренняя энергия изменяется или на величину совершенной работы А или на величину Q – количество переданной (может быть и отданной) теплоты.

(В седьмом классе было введена буква Δ для обозначения изменения какой-нибудь физической величины. Это использование прописной греческой буквы общепринято).

Пусть через  ΔU обозначается изменение внутренней энергии. Тогда ΔU = U₂ – U₁. Здесь U₂ – конечная, а U₁ – начальная внутренняя энергия.

В зависимости от пути изменения ΔU можно определить следующими способами:

ΔU = А (если совершается работа) или ΔU = Q (если произошел теплообмен). Изменение ΔU может одновременно пройти двумя способами. И тогда для общего случая:

Источник

Согласно уравнению ΔU = Q + A,

 Источник

Величина ΔU находится математическими расчетами. Результат вычислений бывает как отрицательной, так и положительной:

• U₂ ˃ U₁, то есть энергия растет, тогда ΔU ˃ 0;
• U₂ ˂ U_1, то есть энергия убывает, тогда ΔU˂ 0.

Слагаемые работа и количество теплоты в равенстве ΔU = Q + A так же могут обладать разными знаками:

• работает внешняя сила, значит, А˃ 0;
• работает само тело — А˂ 0;
• тело получает тепло – Q ˃ 0;
• тело отдает тепло – Q ˂ 0.

На примере это выглядит так. 

Внимательно изучив уравнение ΔU = Q + A, можно заметить следующее: если систему рассматриваемых тел изолировать, то есть не выполнять работу, и не дать возможности обмена теплом с внешней средой, то внутренняя энергия тела не сможет изменяться. Это утверждение определяет закон сохранения внутренней энергии и означает, что тепловое движение постоянно.

Еще один важный вывод следует для двух тел, находящихся в изолированном состоянии. При плотном контакте этих тел, начинается процесс теплообмена, что будет продолжаться до той поры, пока температура не выровняется у обоих тел.

 Источник

Тела изолированы, а значит, изменяется только их внутренняя энергия, причем на величину тепла (ΔU = Q). Тело холодное получило тепло, а теплое — это тепло отдало.

Почему в нем присутствует знак модуля? Дело в том, что получение тепла имеет положительное значение, а отдача тепла – отрицательное. Но модули этих чисел равны (модуль – это абсолютное числовое значение величины).  

Что означает удельная теплоемкость?

Удельное княжество, удельные земли, удел, как судьба или участь, конечно же, не имеют никакого отношения к физике. Но все же они обозначают что-то отдельное, часть, долю. Вот и в случае с теплотой используется понятие удельной теплоемкости вещества, как величины, связанной с частью, а вернее, с единицей объема этого вещества.

Такой простой опыт можно провести в домашних условиях. В равные емкости налить молока и воды одной массы. Нагревать на одинаковых горелках. Термометром для жидкостей следить за температурой обоих веществ. Не пройдет и минуты, станет заметно, что молоко нагревается быстрее.

                                                                                         

Это значит, что для нагрева воды до той же температуры, что и молоко, нужно тепла больше.

Следует вывод:

Величина, которая характеризует степень поглощения (или выделения) тепла веществом в физике называется удельной теплоемкостью. Чтобы выяснить, что она означает, надо взять единицу массы вещества (1 кг) нагреть его на 1^о С. То количество джоулей тепла, которое поглотится телом при этом и является удельной теплоемкостью данного вещества. Или наоборот, то количество тепла, которое выделится при охлаждении 1 кг вещества на 1^о С  — это та же самая удельная теплоемкость. Обозначают эту величину буквой c.

 Источник

Теперь объяснима разница в нагревании молока и воды. Удельные теплоемкости этих веществ различны: вода – 4200 Дж/кг∙^оС, молоко – 4020 (нежирное) и 3875 Дж/кг∙^оС (жирное). Это значит, что нагреть молоко легче, чем воду. Из веществ, приведенных в таблице, вода – самое теплоемкое вещество.

Стоит обратить внимание, что в разных агрегатных состояниях, удельная теплоемкость одного и того же вещества различна. Это зависит от того, что структура вещества в разных состояниях различна.

 Источник

Какое количество тепла выделяется или поглощается?

Чтобы ответить на этот вопрос, надо выяснить от чего зависит количество теплоты. Зависимость от рода вещества показана на примере нагревания молока и воды. Но этого недостаточно.

 Источник

Нетрудно догадаться, что тепла понадобится больше, если нужно нагреть воду до горячего состояния, а не сделать ее только теплой. В процессе охлаждения тепла выделится больше от горячей воды, чем от теплой. А характеризует степень нагретости тела температура. Значит, чем больше разница в начальной и конечной температуре, тем большее количество тепла выделяется или поглощается телом.

Разность температур – это Δt = t_кон — t_нач .

Теперь еще одна зависимость. Даже младший школьник мог наблюдать у себя на кухне, что целая кастрюля воды нагреваться будет намного дольше, чем половина кастрюли, если ее греть.

 Источник

Это значит, количество тепла, потребляемого телом или выделяемого им, зависит от массы тела.

Получается прямая зависимость тепла от трех величин:

• характеристики вещества (удельной теплоемкости);
• величины, на которую изменится температура;
• количественной характеристики тела (массы).

Итак,

Следует обратить внимание на Δt. Если t_кон ˃ t_нач, разность температур положительна, значит тело нагревается, идет процесс потребления тепла. Если t_кон ˂ t_нач, разность температур отрицательна, тело охлаждается, происходит выделение тепла.

Термос. Сосуд Дьюара. Калориметр

Достаточно часто требуется остановить или задержать процесс остывания. В бытовых целях для этого используются термосы. Устройство их несложно. Главную роль здесь играет прослойка с низкой теплопроводностью между стенками двойного стеклянного (бывает и из другого вещества) сосуда.

 Источник

Для сохранения повышенных или пониженных температур веществ в промышленности, медицине, ветеринарии, косметологии, лабораториях используют теплонепроницаемый сосуд, который носит название своего изобретателя – сосуд Дьюара. 

 Источник

Состоит сосуд из двух основных резервуаров, изготовленных из термостойкого алюминия. Меньший резервуар находится внутри большего и скреплен с ним небольшими прочными перемычками. Внешний резервуар покрыт защитным веществом, а внутренний очень хорошо отполирован. Сосуд закрыт непроводящей тепло пенопластиковой крышкой. Устройство сосуда Дьюара аналогично строению обычного бытового термоса, но термос – это упрощенный вариант дьюаровского изобретения.

Изначально сосуды Дьюара применялись для легко испаряющихся жидкостей. Теперь же эти сосуды используют для поддержания и сохранения свойств веществ при необходимых температурах. Чаще других в таких сосудах хранят жидкий азот, применение которого очень разнообразно:

• удаление недоброкачественных и доброкачественных опухолей в медицине;
• удаление бородавок и папиллом в косметологии;
• транспортировка биоматериалов для искусственного оплодотворения животных в ветеринарии;
• научные исследования в лабораториях;
• достижение прочности металлов в машиностроении;
• шоу, развлечения.

приготовление мороженого, заморозка сметаны или фруктов в кулинарии

Шоу Источник                                                         Заморозка фруктов Источник

При исследованиях в школе и проведении опытов вместо сосудов Дьюара и термосов используют более простой прибор, который называют калориметром     

 Источник

Такое приспособление не может исключить полную связь содержимого внутреннего сосуда с внешней средой. Чтобы потеря тепла во внешнюю среду была минимальной, нужно опыты проводить достаточно быстро.

Используя калориметр, в условиях учебного класса можно проверить справедливость уравнения теплового баланса. Для этого понадобится одинаковое количество (например, 50 г) холодной и горячей воды, калориметр и термометр.

Пусть в первом калориметре температура горячей воды 80^оС, а во втором — комнатная температура, равная 20^оС.

Нужно аккуратно холодную воду перелить в калориметр с горячей водой. Полученную смесь осторожно перемешать термометром (трубочку или ложку для смешивания брать не стоит, чтобы лишний раз не нарушать выбранную изолированную систему тел).

Начальные температуры воды и температуру смеси записать и использовать в дальнейших расчетах. Учитывая табличное значение удельной теплоемкости воды (4200 Дэ/кг ^о С), взятую массу (50 г = 0, 05 кг), вычисления будут следующими:

Конечно, такой результат может получиться лишь теоретически. В опыте с калориметром есть недостаток в том, что существует недостаточная изоляция системы рассматриваемых тел. Тепло горячей воды попадает во внешнюю среду, так как калориметр с горячей водой не закрыт. Нельзя забывать, что измерения проводятся с определенной долей погрешности.

Но суть проделанных набольших исследований понятна и подтверждает уравнение теплового баланса.

Где взять тепло?

Ответ прост. При сгорании топлива, виды которого разнообразны.

 Источник

Отопительная ценность, например, каменного угля определяется количеством тепла, выделяющегося в процессе сгорания одного его килограмма.

Откуда в угле берется тепло? По одной из теорий топливные материалы, такие как уголь и торф, образовались из растений.

Некогда почти вся земля была покрыта растительностью, главным образом гигантскими лесными чащами. На месте сваленных бурей деревьев вырастали новые. С течением времени образовался толстый слой гниющего дерева. Некоторые пространства земного шара были опустошены буйными ураганами или сползающими ледниками. Пространства эти со временем покрыл ил, нанесенный волнами рек и морей. Или же землю засыпал песок пустынь. В таких условиях бревна, находящиеся под большим давлением и без доступа воздуха, образовали слой вещества, которое теперь называют каменным углем.

Долгое время тепло от сгорания топлива измерялось в калориях (1 кал) – это количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1^оС. Большая калория – килокалория (1 ккал) – количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 килограмма воды на 1^оС.

Сейчас вместо калорий и килокалорий используются Джоули и единицы, производные от 1 Джоуля.

Эта величина тепла называется удельной теплотой сгорания топлива и обозначается буквой q.

 Источник

Например, табличное значение для природного газа, который сейчас очень широко применяется, q = 4,4 ∙ 10⁷ Дж/кг означает: при сгорании 1 кг природного газа выделяется 4,4 ∙ 10⁷ Джоулей тепла.

Если сгорает не один килограмм топлива, то полученное количество выделившегося тепла определяется формулой Q = qm.

Само тепло получается, как результат изменения опять же внутренней энергии сгорающего топлива. Горение происходит всегда с участием кислорода. При этом атомы кислорода, соединившись с атомами углерода (содержится и в древесном угле, и в каменном, и в нефти, и бензине), образуют продукт горения – это углекислый газ. Его молекулы обладают кинетической энергией большей, чем молекулы кислорода и углерода, отдельно взятые. Следовательно, внутренняя энергия становится больше и проявляется в виде выделения тепла.

Процесс увеличения энергии во время горения называют выделением энергии, то есть выделением тепла.

Чтобы можно было использовать тепло от сгоревшего топлива, человеком с давних пор применяются и простые, и сложные приспособления. Это костер, свеча, печь, газовая горелка, спиртовка, тепловые машины, двигатели.

На службе человека находятся и такие мощные преобразователи тепла, как тепловые электростанции.

В этой главе…

• Достигаем теплового равновесия
• Сохраняем тепловую энергию при различных условиях
• Повышаем эффективность тепловых двигателей
• Падаем почти до абсолютного нуля

Каждому, кому когда-либо приходилось работать летом на открытом воздухе, хорошо известны понятия “тепло” и “работа”, связь между которыми изучает термодинамика. В данной главе, наконец-то, встречаются эти два незабвенных понятия, о которых подробно рассказывается в главе 8 (о работе) и в главе 13 (о тепле, теплоте и тепловой энергии). В термодинамике имеется три закона, а точнее начала, которые также важны для термодинамики, как и законы Ньютона для механики. Кроме того, уж в одном отношении они даже превосходят законы Ньютона, а именно в том, что в термодинамике имеется еще и нулевой закон, который чаще называют нулевым началом термодинамики. В этой главе рассказывается о термодинамическом равновесии (нулевое начало), сохранении энергии (первое начало), о тепловых потоках (второе начало) и недостижимости абсолютного нуля (третье начало). Итак, самое время обратиться к термодинамике.

Стремимся к тепловому равновесию: нулевое начало термодинамики

Основные законы термодинамики начинаются с нулевого начала. Возможно, эта нумерация покажется странной, ведь мало какой набор вещей из повседневной жизни начинается подобным образом (“Будь осторожен на нулевой ступеньке…”), но, знаете ли, физикам нравятся их традиции. Так вот, нулевое начало термодинамики гласит, что два тела находятся в тепловом равновесии, если они могут передавать друг другу теплоту, но не делают этого. (В русскоязычной научной литературе нулевое начало термодинамики называют также общим началом термодинамики. — Примеч. ред.)

Например, если у вас и у воды в плавательном бассейне, в котором вы находитесь, одна и та же температура, то никакое тепло от вас к воде или от воды к вам не передается (хотя такая передача возможна). Ваше тело и бассейн находятся в тепловом равновесии. Однако, если вы прыгнете в бассейн зимой, проломив при этом его ледяную корку, то первое время вряд ли будете в тепловом равновесии с его водой. Впрочем, вы и не захотите этого. (Не пытайтесь проделать этот физический опыт дома!)

Чтобы обнаружить тепловое равновесие (особенно в замерзших бассейнах, куда вы собираетесь прыгнуть), надо использовать термометр. Измерьте с его помощью температуру воды в бассейне, а затем — свою температуру. Если обе температуры совпадают (другими словами, наблюдается тепловое равновесие: ваше — с термометром, а термометра — с водой в бассейне), то в таком случае вы находитесь в тепловом равновесии с водой бассейна.

Использование термометра показывает: два тела, находящиеся в тепловом равновесии с третьим, также находятся в тепловом равновесии друг с другом; вот вам еще одна формулировка нулевого начала.

Кроме всего прочего, нулевое начало содержит идею, что температура — это индикатор теплового равновесия. То, что два тела, упомянутые в нулевом законе, находятся в тепловом равновесии с третьим, дает все нужное дая задания температурной шкалы, например шкалы Кельвина. Ну а с физической точки зрения нулевой закон устанавливает точку отсчета, утверждая, что между двумя телами, имеющими одинаковую температуру, тепловой поток в целом отсутствует.

Сохраняем энергию: первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики — это, попросту говоря, закон сохранения энергии. Он утверждает, что энергия никуда не исчезает. Когда системой поглощается или высвобождается тепловая энергия ​( Q )​, а сама система выполняет над окружающими телами работу ​( W )​ (или, наоборот, окружающие тела выполняют работу над ней), то внутренняя энергия системы, имевшая начальное значение ​( U_н )​, становится равной ( U_к ) следующим образом:

В главе 8 немало говорится о сохранении механической энергии. Там показано, что общая механическая энергия (сумма потенциальной и кинетической энергии) сохраняется. Чтобы утверждать такое, надо было работать с системами, где энергия не тратится на нагревание, — например, когда отсутствует трение. Теперь все изменилось. Тепловая энергия, наконец-то, учитывается нами (как вы, вероятно, поняли из рассуждений), и теперь общую энергию системы можно рассматривать с учетом передачи тепловой энергии, проделанной работы и внутренней энергии системы.

На основании комбинации этих трех величин (тепловой энергии, работы и внутренней энергии) определяется общая энергия системы, которая в целом сохраняется. Если передать системе количество тепловой энергии, равное ( Q ), то при отсутствии работы ее количество внутренней энергии, обозначаемое как ( U ), изменится на ( Q ). Система может терять энергию, выполняя работу над окружающими телами, например, когда машина поднимает груз, висящий на конце каната. Так вот, когда система выполняет работу над окружающими телами и никакой тепловой энергии не тратит, ее внутренняя энергия ( U ) изменится на ( W ). Иначе говоря, если учитывать тепловую энергию, то с учетом всех этих трех величин (тепловой энергии, работы и внутренней энергии) общая энергия системы сохраняется.

Польза первого начала термодинамики состоит в том, что оно связывает все три основные величины: тепловую энергию, работу и внутреннюю энергию. Зная две из них, всегда можно определить третью.

Применяем закон сохранения энергии

Величина передаваемой тепловой энергии ( Q ) является положительной или отрицательной, когда система, соответственно, поглощает или высвобождает тепловую энергию. Величина работы ( W ) является положительной или отрицательной, когда работа, соответственно, выполняется системой над окружающими телами или окружающими телами над системой.

Новички часто путаются, пытаясь определить, являются ли значения каждой из величин положительными или отрицательными. Чтобы не запутаться, при работе с первым началом термодинамики рекомендуется исходить из общей идеи сохранения энергии. Допустим, что мотор выполняет над окружающими телами работу в 2000 Дж, высвобождая при этом 3000 Дж тепловой энергии. Насколько меняется его внутренняя энергия? В данном случае известно, что мотор выполняет над окружающими телами работу в 2000 Дж, поэтому ясно, что его внутренняя энергия уменьшается на 2000 Дж. Кроме того, выполняя работу, он еще высвобождает 3000 Дж тепловой энергии, так что внутренняя энергия мотора уменьшается еще на 3000 Дж.

Значения работы и передаваемой тепловой энергии следует считать отрицательными. Тогда в предыдущем примере получим такое изменение внутренней энергии:

Внутренняя энергия системы уменьшается на 5000 Дж, что определенно имеет смысл, ведь система выполняет над окружающими телами работу в 2000 Дж и высвобождает 3000 Дж тепловой энергии. С другой стороны, а что если система, выполняя над окружающими телами работу в 2000 Дж, поглощает 3000 Дж их тепловой энергии? В таком случае получилось бы 2000 Дж входящей и 3000 Дж исходящей энергии. Теперь понятно, какими должны быть знаки:

В данном случае общее изменение внутренней энергии системы равно +1000 Дж. Отрицательное значение работа принимает, когда она выполняется над системой окружающими телами. Например, система поглощает 3000 Дж, в то время как окружающие тела выполняют над ней работу в 4000 Дж. Это значит, что внутренняя энергия системы увеличивается на 3000 Дж + 4000 Дж = 7000 Дж. А если нужно все просчитать, то воспользуйтесь следующей формулой:

а затем обратите внимание, что поскольку окружающие тела выполняют работу над системой, значение ​( W )​ считается отрицательным. Таким образом, получаем:

Изучаем изобарические, изохорические, изотермические и адиабатические процессы

В этой главе рассматриваются процессы, при анализе которых приходится работать с такими параметрами, как объем, давление, температура и энергия. Причем полученные результаты очень сильно зависят от того, как эти величины меняются. Например, если газ выполняет работу, сохраняя свой объем постоянным, то этот процесс будет отличаться от того, при котором остается постоянным не объем, а давление газа.

В термодинамике обычно рассматривают четыре стандартных режима, которые отличаются постоянством одного из вышеперечисленных параметров (давление, объем, температура и энергия).

Обратите внимание, что изменения в процессах, описанных в последующих разделах, называются квазистатическими, т.е. эти изменения проходят достаточно медленно, позволяя давлению и температуре оставаться одинаковыми в любом месте системы.

Постоянное давление: изобарический процесс

Процесс, в котором давление остается постоянным, называется изобарическим (“барический” означает “относящийся к давлению”). На рис. 15.1 показан цилиндр с поршнем, поднимаемым некоторым количеством газа, когда этот газ нагревается. Объем газа меняется, но утяжеленный поршень сохраняет давление постоянным.

Какую работу выполняет система при расширении газа? Работа равна произведению ​( F )​ на ​( s )​, означающих, соответственно, силу и перемещение. Кроме того, сила равна произведению ​( P )​ на ​( A )​, означающих, соответственно, давление и площадь. Это значит, что:

Но произведение площади ( A ) и перемещения ( s ) равно изменению объема ​( Delta!V )​. Таким образом:

Изобарический процесс можно показать в виде графика (как на рис. 15.2), на котором видно, что объем меняется, в то время как давление остается постоянным. Так как ​( W=PDelta!V )​, то работа — это площадь, ограниченная графиком.

Допустим, имеется 60 м³ идеального газа под давлением в 200 Па (см. главу 2), который нагревается до тех пор, пока он не расширится до объема в 120 м³ (​( PV= nRT )​, где ​( n )​, ​( R )​ и ​( Т )​ означают, соответственно, количество молей, универсальную газовую постоянную (8,31) и температуру; см. главу 14). Какую работу выполняет газ? Все, что вам нужно, — это подставить в формулу численные значения:

Расширяясь при постоянном давлении, газ выполняет работу в 12000 Дж.

Постоянный объем: изохорический процесс

А что если давление в системе не постоянно? В конце концов, не так уж и часто попадаются устройства с утяжеленным поршнем, как на рис. 15.1. Чаще всего приходится иметь дело с простым замкнутым сосудом, как на рис. 15.3, где показан баллончик с дезодорантом, кем-то неосторожно брошенный в огонь. В этом случае объем остается постоянным, а такой процесс называется изохорическим. По мере того как газ внутри баллончика нагревается, его давление возрастает, но объем остается постоянным (если, конечно, баллончик не взорвется).

Какая работа выполняется с баллончиком распылителя? Посмотрите на график (рис. 15.4). В данном случае объем постоянный, поэтому ​( Fs )​ (произведение силы и перемещения) равно нулю. Никакая работа не выполняется — площадь под графиком равна нулю.

Постоянная температура: изотермический процесс

В изотермическом процессе температура остается постоянной, в то время как другие величины меняются. Посмотрите, какой замечательный аппарат показан на рис. 15.5. Этот аппарат специально предназначен для того, чтобы сохранять температуру газа постоянной, причем даже при подъеме поршня. При добавлении к системе (или отводе от системы) тепловой энергии поршень медленно поднимается (или медленно опускается) таким образом, чтобы произведение давления и объема сохранялось постоянным. Так как ( PV= nRT ) (см. главу 14), то температура также остается постоянной.

Какая работа выполняется при изменении объема? Поскольку ( PV= nRT ), то получается такое отношение между ​( P )​ и ​( V )​:

Эту формулу иллюстрирует график, показанный на рис. 15.6.

Выполненную работу “показывает” область, лежащая под графиком. Но какова же площадь этой области? Выполненная работа определяется следующей формулой, где ​( ln )​ — натуральный логарифм, ​( R )​ — газовая постоянная (8,31), ​( V_1 )​ и ​( V_0 )​ означают, соответственно, конечный и начальный объем:

Так как при изотермическом процессе температура остается постоянной, а внутренняя энергия идеального газа равна ​( (3/2)nRT )​ (см. главу 14), то эта энергия не меняется. Таким образом:

другими словами:

Итак, что произойдет, если цилиндр, показанный на рис. 15.5, погрузить в горячую ванну? В аппарат должна перейти тепловая энергия ​( Q )​, а поскольку температура газа остается постоянной, вся эта тепловая энергия должна превратиться в работу, выполненную системой. Скажем, к примеру, у вас имеется моль гелия при температуре 20°С, и, забавы ради, вы решили увеличить его объем с ​( V_0 )​ = 0,010 м³ до ( V_1 )​ = 0,020 м³. Какую работу выполнит газ при расширении? Все, что вам нужно, — это подставить в формулу численные значения:

Работа, выполняемая газом, равна 1690 Дж. Изменение его внутренней энергии равно 0 Дж, как всегда при изотермическом процессе. А так как ​( Q=W )​, то добавляемая к газу тепловая энергия также равна 1690 Дж.

Постоянная энергия: адиабатический процесс

При адиабатическом процессе общая тепловая энергия системы остается постоянной. Посмотрите на рис. 15.7, где показан цилиндр, окруженный изоляционным материалом. Тепловая энергия из системы никуда не уходит, поэтому если происходит изменение, то оно является адиабатическим.

Вычисляя работу, выполняемую при адиабатическом процессе, вы можете сказать, что ​( Q )​ = 0, таким образом:

Так как внутренняя энергия ​( U )​ идеального газа равна ​( (3/2)nRT )​ (см. главу 14), то выполняется работа:

где ​( T_0 )​ и ( T_1 ) означают, соответственно, начальную и конечную температуру. Таким образом, если газ выполняет работу, то это происходит благодаря изменению температуры — при падении температуры газ выполняет работу над окружающими телами. На рис. 15.8 показан график зависимости давления от объема при адиабатическом процессе. Адиабатическая кривая, показанная на этом рисунке, так называемая адиабата, отличается от изотермических кривых, так называемых изотерм. Работа, выполненная, когда общая тепловая энергия системы постоянна, — это область под адиабатой (см. рис. 15.8).

Вычисляем удельную теплоемкость

Начальные значения давления и объема можно так связать с их конечными значениями по следующей формуле:

Что такое ​( gamma )​? Это отношение ​( C_p/C_v )​ двух удельных теплоемкостей идеального газа: в числителе — теплоемкость при постоянном давлении ​( C_p )​, а в знаменателе — теплоемкость при постоянном объеме ( C_v ). Удельной теплоемкостью называется отношение тепловой энергии, полученной телом единичной массы, к соответствующему приращению его температуры; подробнее об этом можно узнать в главе 13. Чтобы вычислить удельную теплоемкость, надо найти количество тепловой энергии ​( Q )​, необходимой для изменения температуры тела единичной массы на величину ​( Delta T )​, т.е. ​( c=Q/mDelta T )​, где ​( c )​, ​( m )​ и ( Delta T ) означают, соответственно, удельную теплоемкость, массу и изменение температуры. Впрочем, сейчас удобнее использовать молярную удельную теплоемкость, которая определяется как и удельная, но только рассчитывается не на единицу массу, а на один моль. Она обозначается символом ​( C )​ и измеряется в Дж/(моль·К). Итак, молярная удельная теплоемкость используется вместе с количеством молей ​( n )​, а не массой ​( m )​:

Как найти ​( C )​? Надо вычислить две разные величины: ​( C_mathrm{p} )​ (при постоянном давлении) и ( C_mathrm{v} ) (при постоянном объеме). Согласно первому началу термодинамики (см. предыдущий раздел этой главы), ​( Q=Delta U+W )​. Поэтому достаточно только выразить ​( Delta U )​ через ​( T )​. Выполняемая работа ​( W )​ равна ​( PDelta!V )​, тогда при постоянном объеме ​( W )​ = 0. А изменение внутренней энергии идеального газа равно ​( (3/2)nRDelta T )​ (см. главу 14), поэтому ​( Q )​ при постоянном объеме выражается следующей формулой:

При постоянном давлении работа ​( W )​ равна ( PDelta!V ). А поскольку ​( PV= nRT )​, то ​( W=P(V_1-V_0)=nR(T_1-T_0) )​. Поэтому ​( Q )​ при постоянном давлении выражается следующей формулой:

Каким образом можно получить из всего этого значения молярных удельных теплоемкостей? Как уже нам известно, ​( Q=CnDelta T )​, поэтому ( C=Q/nDelta T ). Деля предыдущие две формулы на ( nDelta T ), получаем:

Теперь вы имеете молярные удельные теплоемкости идеального газа. Нужное вам отношение ​( gamma )​ равно отношению этих двух формул:

Связать давление и объем в любых двух точках адиабаты (см. предыдущий раздел об адиабатическом процессе) можно таким образом:

Например, если сначала 1 л газа находился под давлением 1 атм, а после адиабатического изменения (когда обмена тепловой энергией нет), объем газа стал 2 л, то каким должно быть новое давление ​( P_1 )​? Путем простой алгебраической операции деления на ​( V_1^{5/3} )​ оставляем в левой части равенства только ( P_1 )​ и получаем:

Подставив в эту формулу численные значения, получим:

Итак, новое давление должно быть равно 0,314 атмосферы.

Передаем тепловую энергию: второе начало термодинамики

Формально говоря, второе начало термодинамики гласит, что тепловая энергия естественно переходит из тела с более высокой температурой в тело с более низкой температурой, но не в обратном направлении.

Это начало, конечно же, появилось в результате простых наблюдений: приходилось ли вам когда-либо видеть, чтобы тело само становилось холоднее окружающих его тел, если только другое тело не проделало над ним определенной работы? Путем определенной работы можно заставить теплоту переходить из тела, когда естественно ожидать перехода тепловой энергии в тело (вспомните холодильники или кондиционеры), но такое явление само по себе не происходит.

Заставим тепловую энергию работать: тепловые двигатели

Имеется много способов заставить тепловую энергию работать. Возможно, у вас имеется, например, паровая машина с котлом и поршнями или атомный реактор, производящий перегретый пар, который может вращать турбину. Двигатели, выполняющие работу благодаря источнику тепловой энергии, называются тепловыми. Как они это делают, можно увидеть на рис. 15.9. Тепловая энергия идет от нагревателя к двигателю, который выполняет работу, а неизрасходованная тепловая энергия отправляется в холодильник. Им может быть, например, окружающий воздух или наполненный водой радиатор. Если температура холодильника меньше температуры нагревателя, то тепловой двигатель может работать — хотя бы теоретически.

Оцениваем эффективность работы: КПД теплового двигателя

Тепловая энергия, подаваемая нагревателем, обозначается как ​( Q_{нг} )​, а отправляемая в холодильник (см. предыдущий раздел) — как ​( Q_{mathrm{x}} )​. Путем некоторых вычислений можно найти коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя. Он равен отношению работы ​( W )​, выполняемой двигателем, к входящей тепловой энергии — иными словами, это та доля входящей тепловой энергии, которую двигатель превращает в работу:

Когда вся входящая тепловая энергия превращается в работу, КПД равен 1. Если никакая входящая тепловая энергия не превращается в работу, КПД равен 0. Часто КПД выражается в виде процентов, поэтому только что названные значения можно представить как 100% и 0%. Поскольку общая энергия сохраняется, то тепловая энергия, входящая в двигатель, должна быть равна сумме выполняемой работы и тепловой энергии, отправляемой в холодильник, то есть:

Это значит, что для записи КПД достаточно использовать ( Q_{нг} ) и ( Q_{mathrm{x}} ):

Допустим, что имеется тепловой двигатель с КПД, равным 78%. Этот двигатель производит работу величиной 2,55·10⁷ Дж. Сколько тепловой энергии он использует, а сколько выбрасывает? Известно, что ​( W )​ = 2,55·10⁷ Дж и

Это значит, что:

Количество входящей тепловой энергии равно 3,27·10⁷ Дж. А сколько тепловой энергии ( Q_{mathrm{x}} ) остается неизрасходованной и отправляется в холодильник? Как известно:

поэтому:

Подставив в эту формулу численные значения, получим:

Количество тепловой энергии, отправляемое в холодильник, равно 0,72·10⁷ Дж.

Как сказал Карно: нельзя все тепло превратить в работу

Зная работу и КПД теплового двигателя, можно вычислить количество входящей и исходящей тепловой энергии (тут нам, конечно, поможет закон сохранения энергии, связывающий друг с другом работу, входящую и исходящую тепловую энергию; см. главу 8). А как насчет создания тепловых двигателей со 100%-ным КПД? С точки зрения производительности было бы прекрасно превращать в работу всю тепловую энергию, какая поступает в тепловой двигатель, но это невозможно. Кроме того, в реально работающих тепловых двигателях неизбежны определенные потери, например, из-за трения поршней в паровом двигателе. В XIX веке эту проблему изучал один инженер, которого звали Сади Карно, и он пришел к выводу: в сущности, лучшее, что можно сделать, — это попытаться изобрести двигатель, не имеющий таких потерь.

А если в двигателе нет потерь, то система будет возвращаться в то же состояние, что и перед началом процесса. Такой процесс называется обратимым. Например, если тепловой двигатель тратит энергию на преодоление трения, то обратимым процесс назвать нельзя, так как он не заканчивается в том же состоянии, в каком был сначала. При каких условиях работы тепловой двигатель будет иметь самый высокий КПД? Когда работа двигателя обратима (т.е. в системе нет потерь). Сегодня физики называют это принципом Карно. Итак, принцип Карно гласит, что ни у одного необратимого двигателя не будет такого же высокого КПД, как у обратимого, а все обратимые двигатели, работающие в промежутке между одинаковыми максимальными и одинаковыми минимальными температурами, имеют один и тот же КПД.

Построение двигателя Карно

Карно предложил свою идею двигателя — двигателя Карно. Этот двигатель должен работать обратимо, что не может быть ни в одном реально работающем двигателе, поэтому он представляет собой нечто идеальное. В двигателе Карно тепловая энергия идет от нагревателя, имеющего постоянную температуру ​( T_{нг} )​. А отработанная тепловая энергия уходит в холодильник, имеющий постоянную температуру ( T_{х} ). Поскольку температуры нагревателя и холодильника никогда не меняются, то можно сказать, что отношение подаваемой и отводимой тепловой энергии равно отношению их температур (в кельвинах):

А так как КПД теплового двигателя вычисляется по следующей формуле:

то получается такая формула для вычисления КПД двигателя Карно:

где температура выражается в кельвинах.

В этой формуле показан максимально возможный КПД теплового двигателя. И лучшего результата достичь нельзя. А как гласит третье начало термодинамики (в последнем разделе этой главы), абсолютного нуля достичь нельзя, т.е. ( T_{х} ) никогда не будет равна нулю, следовательно, невозможно получить тепловой двигатель со 100%-ным КПД.

Используем формулу Карно

Формулу максимально возможного КПД (см. предыдущий раздел) использовать довольно легко. Предположим, сделано потрясающее новое изобретение: машина Карно, в которой самолет совершает работу, причем земная поверхность играет роль нагревателя (с температурой примерно 27°С), а воздух на высоте 10000 м — роль холодильника (с температурой примерно -27°С). Какой максимальный КПД такой машины? Преобразуем значения температуры в кельвины и подставив их в формулу машины Карно:

Итак, КПД такой машины Карно равен всего 17,3%. Результат, скажем, не очень. А теперь представим, что в качестве нагревателя используется поверхность Солнца (примерно 5800 К), а в качестве холодильника — межзвездное пространство (примерно 3,4 К), совсем как в научно-фантастических рассказах. Тогда совсем другое дело:

Итак, в таких научно-фантастических условиях для машины Карно можно получить КПД, равный 99,9% и близкий к теоретически максимальному значению.

Охлаждаемся: третье (и абсолютно последнее) начало термодинамики

Третье начало термодинамики достаточно просто формулируется: нельзя достичь абсолютного нуля с помощью любого процесса, состоящего из конечного числа этапов, к нему можно лишь бесконечно приближаться. Иначе говоря, никогда нельзя достичь абсолютного нуля. Каждое действие по понижению температуры физического тела до абсолютного нуля может немного приблизить к цели, но достигнуть ее нельзя, если не выполнить бесконечного числа действий, что невозможно.

Странные явления вблизи абсолютного нуля

Хотя до абсолютного нуля нельзя добраться с помощью какого-либо известного конечного процесса, но к нему можно приблизиться. Причем, имея очень дорогое оборудование, вблизи абсолютного нуля можно столкнуться с множеством странных физических явлений и фактов. Один мой приятель изучает поведение жидкого гелия при очень низких температурах. Например, гелий становится таким эксцентричным, что может самостоятельно выбраться из любого сосуда, в котором он находится. За открытие и исследования этого явления сверхтекучести гелия и некоторые другие наблюдения кое-кто получил Нобелевскую премию. Везет же людям!

(Сверхтекучесть жидкого гелия-4 была открыта в 1938 году П. Л. Капицей, за что он был удостоен Нобелевской премии по физике за 1978 год. Теория сверхтекучего гелия-Н была разработана Л. Д. Ландау, за что он был удостоен Нобелевской премии по физике за 1962 год. — Примеч. ред.)

Вы познакомились с понятиями количества теплоты и удельной теплоемкости. В уроке «Расчет количества теплоты, необходимого для нагревании тела или выделяемого им при охлаждении» вы познакомились с основной формулой, которую мы будем использовать и в этом уроке:

$Q = cm(t_2 — t_1)$

В данном уроке мы рассмотрим задачи на нахождение различных величин, связанных с нагреванием и охлаждением тел. При их решении вам может понадобиться таблица значений удельной теплоемкости различных веществ из прошлого урока.

Задача №1 на расчет количества теплоты

Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагрева $15 space кг$ меди на $80 degree C$.

Дано:
$m = 15 space кг$
$c = 400 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$Delta t = 80 degree C$

$Q — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Задача №2 на расчет количества теплоты

Рассчитайте количество теплоты, необходимое, чтобы нагреть бассейн объемом $300 space м^3$ на $10 degree C$.

В задаче идет речь о бассейне, а значит, о пресной воде. Она имеет плотность, равную $1000 frac{кг}{м^3}$. Запишем условия задачи и решим ее.

Дано:
$V = 300 space м^3$
$Delta t = 10 degree C$
$c = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C}$
$rho = 1000 frac{кг}{м^3}$
$c = 4200 frac{Дж}{кг cdot degree C}$

$Q — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Задача №3 на расчет массы

Найдите массу глицерина, если при нагревании от $10 degree C$ до $15 degree C$ он поглотил $12 space кДж$ теплоты. Удельная теплоемкость глицерина равна $2430 frac{Дж}{кг cdot degree C}$.

$m — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Задача №4 на расчет плотности

Определите плотность машинного масла объемом $1 space л$, если известно, что для увеличения температуры на $30 degree C$ ему требуется передать $45 space кДж$ теплоты. Удельная теплоемкость масла равна $1.67 frac{кДж}{кг cdot degree C}$.

$rho — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Задача №5 на расчет удельной теплоемкости

В калориметр было налито $450 space г$ воды, температура которой $20 degree C$. Когда в эту воду погрузили $200 space г$ железных опилок, нагретых до $100 degree C$, температура воды стала равна $24 degree C$. Определите удельную теплоемкость опилок.

Записывая условия задачи, используем индекс “в” для обозначения величин, связанных с водой, и индекс “ж” для обозначения величин, связанных с железными опилками.

$с_ж — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Задача №6 на использование графика

Используя график зависимости температуры керосина от сообщенного ему количества теплоты (рисунок 1), определите массу керосина.

Для начала нам нужно записать условия задачи. Из графика мы видим, что начальная температура керосина $t_1$ была равна $0 degree C$. Теперь выберем удобную нам точку на графике. Например, когда керосину сообщили количество теплоты $Q$, равное $2 space кДж$, его температура $t_2$ стала равной $10 degree C$. Теперь мы можем записать условия задачи и решить ее. Удельная теплоемкость керосина известна нам из таблицы.

$m — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Задача №7 на расчет температуры нагрева

Стальной резец массой $2 space кг$ был нагрет до температуры $800 degree C$ и затем опущен в сосуд, содержащий $15 space л$ воды при температуре $10 degree C$. До какой температуры нагреется вода в сосуде?

Записывая условия задачи, используем индекс “в” для обозначения величин, связанных с водой, и индекс “р” для обозначения величин, связанных со стальным резцом.

$t_{в2} — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Какой температуры получится вода, если смешать $0.02 space кг$ воды при $15 degree C$, $0.03 space кг$ воды при $25 degree C$ и $0.01 space кг$ воды при $60 degree C$?

Дано:
$m_1 = 0.02 space кг$
$t_1 = 15 degree C$
$m_2 = 0.03 space кг$
$t_2 = 25 degree C$
$m_3 = 0.01 space кг$
$t_3 = 60 degree C$

$t — ?$

Посмотреть решение и ответ

Скрыть

Задача №9 на расчет количества теплоты, рассеиваемого в окружающую среду

Электрочайник с водой нагревается от температуры $70 degree C$ до температуры $80 degree C$ за $3 space мин$, а остывает от температуры $80 degree C$ до температуры $70 degree C$ за $9 space мин$. Какая часть количества теплоты, выделяемой  спиралью чайника при нагревании воды, рассеивается в окружающую среду? Тепловые потери считать постоянными.

Внесем необходимые пояснения. Спираль чайника передает воде определенное количество теплоты $Q_2$. Часть ее ($Q_1$) рассеивается в окружающую среду. Т.е., количество теплоты $Q_2$, выделяемое спиралью, больше количества теплоты $Q$, необходимого для нагрева воды.

Дано:
$t_1 = 70 degree C$
$t_2 = 80 degree C$
$T_1 = 3 space мин$
$T_2 = 9 space мин$

$frac{Q_1}{Q_2} — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть 

«Количество теплоты. Удельная теплоёмкость»

---

---

Количество теплоты

Изменение внутренней энергии путём совершения работы характеризуется величиной работы, т.е. работа является мерой изменения внутренней энергии в данном процессе. Изменение внутренней энергии тела при теплопередаче характеризуется величиной, называемой количествоv теплоты.

Количество теплоты – это изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы.  Количество теплоты обозначают буквой Q.

Работа, внутренняя энергия и количество теплоты измеряются в одних и тех же единицах — джоулях (Дж), как и всякий вид энергии.

В тепловых измерениях в качестве единицы количества теплоты раньше использовалась особая единица энергии — калория (кал), равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия (точнее, от 19,5 до 20,5 °С). Данную единицу, в частности, используют в настоящее время при расчетах потребления тепла (тепловой энергии) в многоквартирных домах. Опытным путем установлен механический эквивалент теплоты — соотношение между калорией и джоулем: 1 кал = 4,2 Дж.

При передаче телу некоторого количества теплоты без совершения работы его внутренняя энергия увеличивается, если тело отдаёт какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия уменьшается.

Если в два одинаковых сосуда налить в один 100 г воды, а в другой 400 г при одной и той же температуре и поставить их на одинаковые горелки, то раньше закипит вода в первом сосуде. Таким образом, чем больше масса тела, тем большее количество тепла требуется ему для нагревания. То же самое и с охлаждением.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела зависит еще и от рода вещества, из которого это тело сделано. Эта зависимость количества теплоты, необходимого для нагревания тела, от рода вещества характеризуется физической величиной, называемой удельной теплоёмкостью вещества.

---

---

Удельная теплоёмкость

Удельная теплоёмкость – это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества для нагревания его на 1 °С (или на 1 К). Такое же количество теплоты 1 кг вещества отдаёт при охлаждении на 1 °С.

Удельная теплоёмкость обозначается буквой с. Единицей удельной теплоёмкости является 1 Дж/кг °С или 1 Дж/кг °К.

Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, очень маленькую удельную теплоёмкость имеет золото.

Поскольку кол-во теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 °С. В частности, внутренняя энергия 1 кг свинца при его нагревании на 1 °С увеличивается на 140 Дж, а при охлаждении уменьшается на 140 Дж.

Количество теплоты Q, необходимое для нагревания тела массой m от температуры t₁°С до температуры t₂°С, равно произведению удельной теплоёмкости вещества, массы тела и разности конечной и начальной температур, т.е.

Q = c ∙ m (t₂ — t₁) 

По этой же формуле вычисляется и количество теплоты, которое тело отдаёт при охлаждении. Только в этом случае от начальной температуры следует отнять конечную, т.е. от большего значения температуры отнять меньшее.

---

Это конспект по теме «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость». Выберите дальнейшие действия:

• Перейти к следующему конспекту:  «Уравнение теплового баланса»
• Вернуться к списку конспектов по Физике
• Посмотреть решение типовых задач на количество теплоты