Množstvo uvoľneného tepla je vzorec. Výpočet množstva tepla potrebného na zahriatie telesa alebo ním uvoľneného počas ochladzovania
>>Fyzika: Množstvo tepla
Vnútornú energiu plynu vo valci môžete meniť nielen vykonávaním práce, ale aj zahrievaním plynu.
Ak opravíte piest ( Obr.13.5), potom sa objem plynu pri zahrievaní nemení a nevykonáva sa žiadna práca. Ale teplota plynu, a teda jeho vnútornej energie pribúdajú.
Proces prenosu energie z jedného tela do druhého bez vykonania práce sa nazýva výmena tepla alebo prenos tepla.
Kvantitatívna miera zmeny vnútornej energie pri prenose tepla sa nazýva množstvo tepla. Množstvo tepla sa tiež nazýva energia, ktorú telo vydáva pri výmene tepla.
Molekulárny obraz prenosu tepla
Počas výmeny tepla sa energia nepremieňa z jednej formy na druhú; časť vnútornej energie horúceho telesa sa prenáša na studené teleso.
Množstvo tepla a tepelná kapacita. Už viete, že zahriať hmotné teleso m na teplote t 1 až do teploty t 2 je potrebné do nej odovzdať množstvo tepla:
Keď sa teleso ochladí, jeho konečná teplota je t 2 sa ukáže byť nižšia ako počiatočná teplota t 1 a množstvo tepla, ktoré telo vydáva, je záporné.
Koeficient c vo vzorci (13.5) sa nazýva Špecifická tepelná kapacita látok. Špecifická tepelná kapacita je hodnota, ktorá sa číselne rovná množstvu tepla, ktoré látka s hmotnosťou 1 kg prijme alebo uvoľní, keď sa jej teplota zmení o 1 K.
Špecifická tepelná kapacita závisí nielen od vlastností látky, ale aj od procesu, ktorým dochádza k prenosu tepla. Ak ohrievate plyn pri konštantnom tlaku, roztiahne sa a bude pracovať. Na zahriatie plynu o 1°C pri konštantnom tlaku potrebuje odovzdať viac tepla, ako ho zohriať pri konštantnom objeme, kedy sa plyn bude iba ohrievať.
Kvapaliny a pevné látky pri zahrievaní mierne expandujú. Ich špecifické tepelné kapacity pri konštantnom objeme a konštantnom tlaku sa líšia len málo.
Špecifické teplo vyparovania. Aby sa kvapalina počas procesu varu premenila na paru, musí sa do nej preniesť určité množstvo tepla. Teplota kvapaliny sa pri varení nemení. Premena kvapaliny na paru pri konštantnej teplote nevedie k zvýšeniu kinetickej energie molekúl, ale je sprevádzaná zvýšením potenciálnej energie ich interakcie. Koniec koncov, priemerná vzdialenosť medzi molekulami plynu je oveľa väčšia ako medzi molekulami kvapaliny.
Množstvo, ktoré sa číselne rovná množstvu tepla potrebného na premenu kvapaliny s hmotnosťou 1 kg na paru pri konštantnej teplote, sa nazýva špecifické teplo vyparovania. Táto hodnota je označená písmenom r a sú vyjadrené v jouloch na kilogram (J/kg).
Merné teplo vyparovania vody je veľmi vysoké: r H2O=2,256 106 J/kg pri teplote 100 °C. Pre iné kvapaliny, napríklad alkohol, éter, ortuť, petrolej, je merné skupenské teplo vyparovania 3-10 krát menšie ako u vody.
Premeniť kvapalinu na hmotu m para vyžaduje množstvo tepla, ktoré sa rovná:
Keď para kondenzuje, uvoľňuje sa rovnaké množstvo tepla:
Hodnota, ktorá sa číselne rovná množstvu tepla potrebného na premenu kryštalickej látky s hmotnosťou 1 kg pri teplote topenia na kvapalinu, sa nazýva špecifické teplo topenia.
Keď látka s hmotnosťou 1 kg vykryštalizuje, uvoľní sa presne také množstvo tepla, aké sa absorbuje pri tavení.
Merné teplo topenia ľadu je pomerne vysoké: 3,34 10 5 J/kg. „Ak by ľad nemal vysoké teplo topenia,“ napísal R. Black už v 18. storočí, „potom by sa na jar celá masa ľadu mala roztopiť v priebehu niekoľkých minút alebo sekúnd, pretože teplo sa neustále prenáša na ľad. zo vzduchu. Dôsledky toho by boli strašné; veď aj v súčasnej situácii vznikajú veľké povodne a silné prúdy vody, keď sa topia veľké masy ľadu alebo snehu.“
Aby sa roztavilo kryštalické teleso váž m, požadované množstvo tepla sa rovná:
Množstvo tepla uvoľneného počas kryštalizácie telesa sa rovná:
Vnútorná energia telesa sa mení počas zahrievania a ochladzovania, počas odparovania a kondenzácie, počas topenia a kryštalizácie. Vo všetkých prípadoch sa určité množstvo tepla prenáša do tela alebo z neho odvádza.
???
1. Čo sa nazýva množstvo teplo?
2. Od čoho závisí merná tepelná kapacita látky?
3. Ako sa nazýva špecifické teplo vyparovania?
4. Ako sa nazýva špecifické teplo topenia?
5. V ktorých prípadoch je množstvo tepla kladné a v ktorých záporné?
G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fyzika 10. ročník
Obsah lekcie poznámky k lekcii podporná rámcová lekcia prezentácia akceleračné metódy interaktívne technológie Prax úlohy a cvičenia autotest workshopy, školenia, prípady, questy domáce úlohy diskusia otázky rečnícke otázky študentov Ilustrácie audio, videoklipy a multimédiá fotografie, obrázky, grafika, tabuľky, diagramy, humor, anekdoty, vtipy, komiksy, podobenstvá, výroky, krížovky, citáty Doplnky abstraktyčlánky triky pre zvedavcov jasličky učebnice základný a doplnkový slovník pojmov iné Zdokonaľovanie učebníc a vyučovacích hodínoprava chýb v učebnici aktualizácia fragmentu v učebnici, prvky inovácie v lekcii, nahradenie zastaraných vedomostí novými Len pre učiteľov perfektné lekcie kalendárny plán na rok metodické odporúčania diskusného programu Integrované lekcieAk máte opravy alebo návrhy k tejto lekcii,
V tejto lekcii sa naučíme, ako vypočítať množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa alebo telesa uvoľneného pri ochladzovaní. Aby sme to urobili, zhrnieme vedomosti, ktoré sme získali v predchádzajúcich lekciách.
Okrem toho sa naučíme pomocou vzorca pre množstvo tepla vyjadriť z tohto vzorca zostávajúce množstvá a vypočítať ich so znalosťou iných veličín. Zváži sa aj príklad problému s riešením výpočtu množstva tepla.
Táto lekcia je venovaná výpočtu množstva tepla, keď sa telo zahrieva alebo uvoľňuje pri ochladzovaní.
Schopnosť vypočítať požadované množstvo tepla je veľmi dôležitá. To môže byť potrebné napríklad pri výpočte množstva tepla, ktoré je potrebné odovzdať vode na vykurovanie miestnosti.
Ryža. 1. Množstvo tepla, ktoré sa musí odovzdať vode na ohrev miestnosti
Alebo na výpočet množstva tepla, ktoré sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva v rôznych motoroch:
Ryža. 2. Množstvo tepla, ktoré sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva v motore
Tieto znalosti sú potrebné napríklad aj na určenie množstva tepla, ktoré uvoľňuje Slnko a dopadá na Zem:
Ryža. 3. Množstvo tepla uvoľneného Slnkom a dopadajúceho na Zem
Na výpočet množstva tepla potrebujete vedieť tri veci (obr. 4):
- telesná hmotnosť (ktorá sa zvyčajne môže merať pomocou stupnice);
- teplotný rozdiel, o ktorý sa musí teleso zohriať alebo ochladiť (zvyčajne merané teplomerom);
- merná tepelná kapacita telesa (ktorá sa dá určiť z tabuľky).
Ryža. 4. Čo potrebujete vedieť určiť
Vzorec, podľa ktorého sa vypočíta množstvo tepla, vyzerá takto:
V tomto vzorci sa objavujú nasledujúce množstvá:
množstvo tepla merané v jouloch (J);
Špecifická tepelná kapacita látky sa meria v ;
- teplotný rozdiel, meraný v stupňoch Celzia ().
Uvažujme o probléme výpočtu množstva tepla.
Úloha
Medené sklo s hmotnosťou gramov obsahuje vodu s objemom liter pri teplote. Koľko tepla treba odovzdať poháru vody, aby sa jeho teplota rovnala ?
Ryža. 5. Ilustrácia problémových stavov
Najprv si zapíšeme krátku podmienku ( Dané) a previesť všetky veličiny do medzinárodného systému (SI).
|
Vzhľadom na to: |
SI |
|
|
Nájsť: |
Riešenie:
Najprv určte, aké ďalšie množstvá potrebujeme na vyriešenie tohto problému. Pomocou tabuľky mernej tepelnej kapacity (tabuľka 1) zistíme (merná tepelná kapacita medi, keďže podľa stavu je sklo meď), (merná tepelná kapacita vody, keďže podľa stavu je v skle voda). Okrem toho vieme, že na výpočet množstva tepla potrebujeme množstvo vody. Podľa stavu sa nám dáva len objem. Preto z tabuľky vezmeme hustotu vody: (Tabuľka 2).
Tabuľka 1. Merná tepelná kapacita niektorých látok,
Tabuľka 2. Hustoty niektorých kvapalín
Teraz máme všetko, čo potrebujeme na vyriešenie tohto problému.
Upozorňujeme, že konečné množstvo tepla bude pozostávať zo súčtu množstva tepla potrebného na ohrev medeného skla a množstva tepla potrebného na ohrev vody v ňom:
Najprv vypočítajme množstvo tepla potrebného na zahriatie medeného skla:
Pred výpočtom množstva tepla potrebného na ohrev vody vypočítajme hmotnosť vody pomocou vzorca, ktorý je nám známy od triedy 7:
Teraz môžeme vypočítať:
Potom môžeme vypočítať:
Pripomeňme si, čo znamenajú kilojouly. Predpona „kilo“ znamená 
.
odpoveď:.
Na uľahčenie riešenia problémov zisťovania množstva tepla (takzvané priame problémy) a množstiev spojených s týmto konceptom môžete použiť nasledujúcu tabuľku.
|
Požadované množstvo |
Označenie |
Jednotky |
Základný vzorec |
Vzorec pre množstvo |
|
Množstvo tepla |
V tejto lekcii sa naučíme, ako vypočítať množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa alebo telesa uvoľneného pri ochladzovaní. Aby sme to urobili, zhrnieme vedomosti, ktoré sme získali v predchádzajúcich lekciách.
Okrem toho sa naučíme pomocou vzorca pre množstvo tepla vyjadriť z tohto vzorca zostávajúce množstvá a vypočítať ich so znalosťou iných veličín. Zváži sa aj príklad problému s riešením výpočtu množstva tepla.
Táto lekcia je venovaná výpočtu množstva tepla, keď sa telo zahrieva alebo uvoľňuje pri ochladzovaní.
Schopnosť vypočítať požadované množstvo tepla je veľmi dôležitá. To môže byť potrebné napríklad pri výpočte množstva tepla, ktoré je potrebné odovzdať vode na vykurovanie miestnosti.
Ryža. 1. Množstvo tepla, ktoré sa musí odovzdať vode na ohrev miestnosti
Alebo na výpočet množstva tepla, ktoré sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva v rôznych motoroch:
Ryža. 2. Množstvo tepla, ktoré sa uvoľňuje pri spaľovaní paliva v motore
Tieto znalosti sú potrebné napríklad aj na určenie množstva tepla, ktoré uvoľňuje Slnko a dopadá na Zem:
Ryža. 3. Množstvo tepla uvoľneného Slnkom a dopadajúceho na Zem
Na výpočet množstva tepla potrebujete vedieť tri veci (obr. 4):
- telesná hmotnosť (ktorá sa zvyčajne môže merať pomocou stupnice);
- teplotný rozdiel, o ktorý sa musí teleso zohriať alebo ochladiť (zvyčajne merané teplomerom);
- merná tepelná kapacita telesa (ktorá sa dá určiť z tabuľky).
Ryža. 4. Čo potrebujete vedieť určiť
Vzorec, podľa ktorého sa vypočíta množstvo tepla, vyzerá takto:
V tomto vzorci sa objavujú nasledujúce množstvá:
množstvo tepla merané v jouloch (J);
Špecifická tepelná kapacita látky sa meria v ;
- teplotný rozdiel, meraný v stupňoch Celzia ().
Uvažujme o probléme výpočtu množstva tepla.
Úloha
Medené sklo s hmotnosťou gramov obsahuje vodu s objemom liter pri teplote. Koľko tepla treba odovzdať poháru vody, aby sa jeho teplota rovnala ?
Ryža. 5. Ilustrácia problémových stavov
Najprv si zapíšeme krátku podmienku ( Dané) a previesť všetky veličiny do medzinárodného systému (SI).
|
Vzhľadom na to: |
SI |
|
|
Nájsť: |
Riešenie:
Najprv určte, aké ďalšie množstvá potrebujeme na vyriešenie tohto problému. Pomocou tabuľky mernej tepelnej kapacity (tabuľka 1) zistíme (merná tepelná kapacita medi, keďže podľa stavu je sklo meď), (merná tepelná kapacita vody, keďže podľa stavu je v skle voda). Okrem toho vieme, že na výpočet množstva tepla potrebujeme množstvo vody. Podľa stavu sa nám dáva len objem. Preto z tabuľky vezmeme hustotu vody: (Tabuľka 2).
Tabuľka 1. Merná tepelná kapacita niektorých látok,
Tabuľka 2. Hustoty niektorých kvapalín
Teraz máme všetko, čo potrebujeme na vyriešenie tohto problému.
Upozorňujeme, že konečné množstvo tepla bude pozostávať zo súčtu množstva tepla potrebného na ohrev medeného skla a množstva tepla potrebného na ohrev vody v ňom:
Najprv vypočítajme množstvo tepla potrebného na zahriatie medeného skla:
Pred výpočtom množstva tepla potrebného na ohrev vody vypočítajme hmotnosť vody pomocou vzorca, ktorý je nám známy od triedy 7:
Teraz môžeme vypočítať:
Potom môžeme vypočítať:
Pripomeňme si, čo znamenajú kilojouly. Predpona „kilo“ znamená .
odpoveď:.
Na uľahčenie riešenia problémov zisťovania množstva tepla (takzvané priame problémy) a množstiev spojených s týmto konceptom môžete použiť nasledujúcu tabuľku.
|
Požadované množstvo |
Označenie |
Jednotky |
Základný vzorec |
Vzorec pre množstvo |
|
Množstvo tepla |
Tepelná kapacita- je to množstvo tepla, ktoré telo absorbuje pri zahriatí o 1 stupeň.
Tepelná kapacita telesa je označená veľkým latinským písmenom S.
Od čoho závisí tepelná kapacita telesa? V prvom rade z jeho hmoty. Je jasné, že ohriatie napríklad 1 kilogramu vody bude vyžadovať viac tepla ako ohriatie 200 gramov.
A čo druh látky? Urobme experiment. Vezmime si dve rovnaké nádoby a do jednej z nich nalejeme vodu s hmotnosťou 400 g a do druhej - zeleninový olej s hmotnosťou 400 g ich začneme ohrievať pomocou rovnakých horákov. Pozorovaním údajov teplomera uvidíme, že sa olej rýchlo zohreje. Aby sa voda a olej zohriali na rovnakú teplotu, musí sa voda ohrievať dlhšie. Ale čím dlhšie vodu ohrievame, tým viac tepla dostáva od horáka.
Na zahriatie rovnakej hmoty rôznych látok na rovnakú teplotu je teda potrebné rôzne množstvo tepla. Množstvo tepla potrebného na zahriatie telesa a teda aj jeho tepelná kapacita závisí od typu látky, z ktorej sa teleso skladá.
Napríklad na zvýšenie teploty vody s hmotnosťou 1 kg o 1 °C je potrebné množstvo tepla rovnajúce sa 4200 J a na zahriatie rovnakej hmotnosti slnečnicového oleja o 1 °C množstvo tepla rovnajúce sa Vyžaduje sa 1700 J.
Fyzikálna veličina, ktorá ukazuje, koľko tepla je potrebné na zahriatie 1 kg látky o 1 ºС Špecifická tepelná kapacita tejto látky.
Každá látka má svoju špecifickú tepelnú kapacitu, ktorá sa označuje latinským písmenom c a meria sa v jouloch na kilogram stupňa (J/(kg °C)).
Merná tepelná kapacita tej istej látky v rôznych skupenstvách agregácie (tuhá, kvapalná a plynná) je rôzna. Napríklad špecifická tepelná kapacita vody je 4200 J/(kg °C) a špecifická tepelná kapacita ľadu je 2100 J/(kg °C); hliník v pevnom stave má mernú tepelnú kapacitu 920 J/(kg - °C), v kvapalnom stave - 1080 J/(kg - °C).
Upozorňujeme, že voda má veľmi vysokú špecifickú tepelnú kapacitu. Preto voda v moriach a oceánoch, keď sa v lete zahrieva, absorbuje veľké množstvo tepla zo vzduchu. Vďaka tomu na miestach, ktoré sa nachádzajú v blízkosti veľkých vodných plôch, nie je leto také horúce ako na miestach ďaleko od vody.
Výpočet množstva tepla potrebného na zahriatie telesa alebo ním uvoľneného počas ochladzovania.
Z uvedeného je zrejmé, že množstvo tepla potrebné na zahriatie telesa závisí od druhu látky, z ktorej sa teleso skladá (t. j. jeho mernej tepelnej kapacity) a od hmotnosti telesa. Je tiež jasné, že množstvo tepla závisí od toho, o koľko stupňov sa chystáme zvýšiť telesnú teplotu.
Takže na určenie množstva tepla potrebného na zahriatie telesa alebo uvoľneného telesom počas chladenia je potrebné vynásobiť špecifickú tepelnú kapacitu telesa jeho hmotnosťou a rozdielom medzi jeho konečnou a počiatočnou teplotou:
Q= cm (t 2 - t 1),
Kde Q- množstvo tepla, c- Špecifická tepelná kapacita, m- telesná hmotnosť, t 1- počiatočná teplota, t 2- konečná teplota.
Keď sa telo zahreje t 2> t 1 a preto Q >0 . Keď sa telo ochladí t 2i< t 1 a preto Q< 0 .
Ak je známa tepelná kapacita celého tela S, Q určený podľa vzorca: Q = C (t2 - t 1).
22) Tavenie: definícia, výpočet množstva tepla na tavenie alebo tuhnutie, špecifické teplo topenia, graf t 0 (Q).
Termodynamika
Odvetvie molekulárnej fyziky, ktoré študuje prenos energie, vzorce transformácie jedného typu energie na iný. Na rozdiel od molekulárnej kinetickej teórie termodynamika neberie do úvahy vnútornú štruktúru látok a mikroparametre.
Termodynamický systém
Je to súhrn telies, ktoré si vymieňajú energiu (vo forme práce alebo tepla) medzi sebou alebo s okolím. Napríklad voda v kanvici sa ochladzuje a dochádza k výmene tepla medzi vodou a kanvicou a teplom kanvice s okolím. Valec s plynom pod piestom: piest vykonáva prácu, v dôsledku ktorej plyn dostáva energiu a menia sa jeho makroparametre.
Množstvo tepla
Toto energie, ktoré systém prijíma alebo uvoľňuje počas procesu výmeny tepla. Označuje sa symbolom Q a meria sa ako každá energia v jouloch.
Ako výsledok rôzne procesy prenos tepla, energia, ktorá sa prenáša, je určená vlastným spôsobom.
Kúrenie a chladenie
Tento proces je charakterizovaný zmenou teploty systému. Množstvo tepla je určené vzorcom
Merná tepelná kapacita látky s merané množstvom tepla potrebného na zahriatie jednotky hmotnosti tejto látky o 1K. Ohrev 1 kg skla alebo 1 kg vody vyžaduje rôzne množstvo energie. Špecifická tepelná kapacita je známa veličina, už vypočítaná pre všetky látky pozri hodnotu vo fyzikálnych tabuľkách.
Tepelná kapacita látky C- toto je množstvo tepla, ktoré je potrebné na zahriatie telesa bez zohľadnenia jeho hmotnosti o 1K.
Topenie a kryštalizácia
Topenie je prechod látky z pevného do kvapalného stavu. Reverzný prechod sa nazýva kryštalizácia.
Energia, ktorá sa vynakladá na ničenie kryštálová mriežka látky, určené podľa vzorca
Špecifické teplo topenia je známa hodnota pre každú látku, pozri hodnotu vo fyzikálnych tabuľkách.
Vyparovanie (vyparovanie alebo varenie) a kondenzácia
Vyparovanie je prechod látky z kvapalného (tuhého) do plynného skupenstva. Opačný proces sa nazýva kondenzácia.
Špecifické výparné teplo je známa hodnota pre každú látku, pozri hodnotu vo fyzikálnych tabuľkách.
Spaľovanie
Množstvo tepla uvoľneného pri horení látky
Špecifické spalné teplo je známa hodnota pre každú látku pozri hodnotu vo fyzikálnych tabuľkách.
Pre uzavretú a adiabaticky izolovanú sústavu telies je rovnica tepelnej bilancie splnená. Algebraický súčet množstva tepla odovzdaného a prijatého všetkými telesami zúčastňujúcimi sa výmeny tepla sa rovná nule:
Q1+Q2+...+Qn=0
23) Štruktúra kvapalín. Povrchová vrstva. Sila povrchového napätia: príklady prejavu, výpočet, koeficient povrchového napätia.
Z času na čas sa môže ktorákoľvek molekula presunúť na blízke voľné miesto. Takéto skoky v kvapalinách sa vyskytujú pomerne často; preto molekuly nie sú viazané na špecifické centrá ako v kryštáloch a môžu sa pohybovať v celom objeme kvapaliny. To vysvetľuje tekutosť kvapalín. Vďaka silnej interakcii medzi tesne umiestnenými molekulami môžu vytvárať lokálne (nestabilné) usporiadané skupiny obsahujúce niekoľko molekúl. Tento jav sa nazýva uzavrieť objednávku(obr. 3.5.1).
Koeficient β sa nazýva teplotný koeficient objemová expanzia . Tento koeficient pre kvapaliny je desaťkrát vyšší ako pre tuhé látky. Pre vodu napríklad pri teplote 20 °C β v ≈ 2 10 – 4 K – 1, pre oceľ β st ≈ 3,6 10 – 5 K – 1, pre kremenné sklo β kv ≈ 9 10 – 6 K - 1 .
Tepelná rozťažnosť vody má pre život na Zemi zaujímavú a dôležitú anomáliu. Pri teplotách pod 4 °C sa voda pri klesajúcej teplote rozpína (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Keď voda zamrzne, roztiahne sa, takže ľad zostáva plávať na povrchu zamŕzajúcej vodnej plochy. Teplota mraziacej vody pod ľadom je 0 °C. V hustejších vrstvách vody na dne nádrže je teplota okolo 4 °C. Vďaka tomu môže vo vode mrazivých nádrží existovať život.
Najzaujímavejšou vlastnosťou tekutín je prítomnosť voľný povrch . Kvapalina, na rozdiel od plynov, nevyplní celý objem nádoby, do ktorej sa naleje. Medzi kvapalinou a plynom (alebo parou) sa vytvára rozhranie, ktoré je v porovnaní so zvyškom kvapaliny v špeciálnych podmienkach. Treba mať na pamäti, že kvôli extrémne nízkej stlačiteľnosti je hustejšia natlačená povrchová vrstva nevedie k žiadnej výraznej zmene objemu kvapaliny. Ak sa molekula presunie z povrchu do kvapaliny, sily medzimolekulovej interakcie vykonajú pozitívnu prácu. Naopak, aby bolo možné vytiahnuť určitý počet molekúl z hĺbky kvapaliny na povrch (t.j. zväčšiť povrch kvapaliny), vonkajšie sily musia vykonať pozitívnu prácu Δ A vonkajšie, úmerné zmene Δ S plocha povrchu:
Z mechaniky je známe, že rovnovážne stavy systému zodpovedajú minimálnej hodnote jeho potenciálnej energie. Z toho vyplýva, že voľný povrch kvapaliny má tendenciu zmenšovať svoju plochu. Z tohto dôvodu voľná kvapka kvapaliny nadobúda sférický tvar. Kvapalina sa správa tak, ako keby sily pôsobiace tangenciálne k jej povrchu sťahovali (ťahali) tento povrch. Tieto sily sú tzv sily povrchového napätia .
Prítomnosť síl povrchového napätia spôsobuje, že povrch kvapaliny vyzerá ako elastická napnutá fólia, len s tým rozdielom, že elastické sily vo fólii závisia od jej povrchu (t. j. od toho, ako sa fólia deformuje) a od povrchového napätia. sily nezávisia na povrchu kvapaliny.
Niektoré kvapaliny, ako napríklad mydlová voda, majú schopnosť vytvárať tenké filmy. Známe mydlové bubliny majú pravidelný guľovitý tvar – aj to ukazuje pôsobenie síl povrchového napätia. Ak spustíte drôtený rám, ktorého jedna strana je pohyblivá, do mydlového roztoku, celý rám bude pokrytý filmom kvapaliny (obr. 3.5.3).
Sily povrchového napätia majú tendenciu zmenšovať povrch fólie. Na vyváženie pohyblivej strany rámu na ňu musí pôsobiť vonkajšia sila Ak sa pod vplyvom sily priečka posunie o Δ X, potom sa vykoná práca Δ A vn = F vn Δ X = Δ E p = σΔ S, kde Δ S = 2LΔ X– prírastok na povrchu oboch strán mydlového filmu. Keďže moduly síl a sú rovnaké, môžeme písať:
|
Koeficient povrchového napätia σ teda možno definovať ako modul sily povrchového napätia pôsobiace na jednotku dĺžky čiary ohraničujúcej povrch.
Pôsobením síl povrchového napätia v kvapkách kvapaliny a vnútri mydlových bublín vzniká pretlak Δ p. Ak mentálne odrežete sférický pokles polomeru R na dve polovice, potom každá z nich musí byť v rovnováhe pod pôsobením síl povrchového napätia aplikovaných na hranicu rezu dĺžky 2π R a nadmerné tlakové sily pôsobiace na oblasť π R 2 rezy (obr. 3.5.4). Podmienka rovnováhy sa zapíše ako
Ak sú tieto sily väčšie ako sily vzájomného pôsobenia medzi molekulami samotnej kvapaliny, potom kvapaliny mokrá povrch pevnej látky. V tomto prípade sa kvapalina približuje k povrchu pevného telesa ostrý uholθ, charakteristika daného páru kvapalina-tuhá látka. Uhol θ sa nazýva kontaktný uhol . Ak sily interakcie medzi molekulami kvapaliny prevyšujú sily ich interakcie s molekulami pevnej látky, potom sa kontaktný uhol θ ukáže ako tupý (obr. 3.5.5). V tomto prípade hovoria, že kvapalina nezmáča sa povrch pevnej látky. O úplné zvlhčenie 0 = 0, at úplné nezmáčanie 6 = 180°.
Kapilárne javy nazývaný vzostup alebo pokles kvapaliny v trubiciach s malým priemerom - kapiláry. Zmáčavé kvapaliny stúpajú cez kapiláry, nezmáčavé kvapaliny klesajú.
Na obr. 3.5.6 je znázornená kapilára s určitým polomerom r, spustený na spodnom konci do zmáčacej kvapaliny hustoty ρ. Horný koniec kapiláry je otvorený. Stúpanie kvapaliny v kapiláre pokračuje, kým gravitačná sila pôsobiaca na stĺpec kvapaliny v kapiláre nebude mať rovnakú veľkosť ako výslednica F n sily povrchového napätia pôsobiace pozdĺž hranice kontaktu kvapaliny s povrchom kapiláry: F t = F n, kde F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.
To znamená:
Pri úplnej nezmáčavosti θ = 180° je cos θ = –1, a preto h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Voda takmer úplne zmáča čistý sklenený povrch. Naopak, ortuť povrch skla úplne nezmáča. Preto hladina ortuti v sklenenej kapiláre klesne pod hladinu v nádobe.
24) Vyparovanie: definícia, druhy (vyparovanie, var), výpočet množstva tepla na vyparovanie a kondenzáciu, merné teplo vyparovania.
Odparovanie a kondenzácia. Vysvetlenie fenoménu vyparovania na základe predstáv o molekulárnej štruktúre hmoty. Špecifické teplo vyparovania. Jeho jednotky.
Fenomén premeny kvapaliny na paru sa nazýva odparovanie.
Odparovanie - proces vyparovania prebiehajúci z otvoreného povrchu.
Molekuly kvapaliny sa pohybujú rôznymi rýchlosťami. Ak akákoľvek molekula skončí na povrchu kvapaliny, môže prekonať príťažlivosť susedných molekúl a vyletieť z kvapaliny. Vystrekované molekuly tvoria paru. Zvyšné molekuly kvapaliny pri zrážke menia rýchlosť. Zároveň niektoré molekuly nadobudnú rýchlosť dostatočnú na to, aby vyleteli z kvapaliny. Tento proces pokračuje, takže kvapaliny sa pomaly vyparujú.
*Rýchlosť vyparovania závisí od typu kvapaliny. Tie kvapaliny, ktorých molekuly sú priťahované menšou silou, sa odparujú rýchlejšie.
*Odparovanie môže nastať pri akejkoľvek teplote. Ale keď vysoké teploty rýchlejšie dochádza k odparovaniu .
*Rýchlosť vyparovania závisí od jeho povrchu.
*Pri vetre (prúdení vzduchu) dochádza k rýchlejšiemu odparovaniu.
Pri vyparovaní sa vnútorná energia znižuje, pretože Počas odparovania kvapalina opúšťa rýchle molekuly, preto priemerná rýchlosť zostávajúcich molekúl klesá. To znamená, že ak nedochádza k prílevu energie zvonku, teplota kvapaliny klesá.
Fenomén premeny pary na kvapalinu sa nazýva tzv kondenzácii.
Je sprevádzané uvoľňovaním energie.
Kondenzácia pary vysvetľuje vznik oblakov. Vodná para stúpajúca nad zemou vytvára v horných studených vrstvách vzduchu oblaky, ktoré pozostávajú z drobných kvapiek vody.
Špecifické teplo vyparovania – fyzické hodnota ukazujúca, koľko tepla je potrebné na premenu kvapaliny s hmotnosťou 1 kg na paru bez zmeny teploty.
Ud. výparné teplo označené písmenom L a merané v J/kg
Ud. výparné teplo vody: L=2,3×106 J/kg, alkohol L=0,9×106
Množstvo tepla potrebného na premenu kvapaliny na paru: Q = Lm
Ťažiskom nášho článku je množstvo tepla. Budeme uvažovať o koncepte vnútornej energie, ktorá sa transformuje, keď sa táto veličina zmení. Ukážeme si aj niekoľko príkladov využitia výpočtov v ľudskej činnosti.
Teplo
Každý človek má svoje vlastné asociácie s akýmkoľvek slovom v jeho rodnom jazyku. Sú určené osobnou skúsenosťou a iracionálnymi pocitmi. Čo sa vám zvyčajne vybaví, keď počujete slovo „teplo“? Mäkká deka, fungujúci radiátor ústredného kúrenia v zime, prvé slnečné svetlo na jar, mačka. Alebo pohľad matky, utešujúce slovo priateľa, včasná pozornosť.
Fyzici pod tým myslia veľmi špecifický pojem. A veľmi dôležité, najmä v niektorých častiach tejto zložitej, no fascinujúcej vedy.
Termodynamika
Nemá cenu uvažovať o množstve tepla izolovane od najjednoduchších procesov, na ktorých je založený zákon zachovania energie – nič nebude jasné. Preto ich najprv našim čitateľom pripomeňme.
Termodynamika považuje akúkoľvek vec alebo predmet za kombináciu veľmi veľkého počtu elementárnych častí - atómov, iónov, molekúl. Jeho rovnice popisujú akúkoľvek zmenu v kolektívnom stave systému ako celku a ako časti celku pri zmene makroparametrov. Ten sa vzťahuje na teplotu (označenú ako T), tlak (P), koncentráciu zložiek (zvyčajne C).
Vnútorná energia
Vnútorná energia je pomerne zložitý pojem, ktorého význam sa oplatí pochopiť skôr, ako budeme hovoriť o množstve tepla. Označuje energiu, ktorá sa mení, keď sa hodnota makroparametrov objektu zvyšuje alebo znižuje a nezávisí od referenčného systému. Je súčasťou celkovej energie. Zhoduje sa s ním v podmienkach, keď je ťažisko skúmanej veci v kľude (to znamená, že neexistuje žiadna kinetická zložka).
Keď človek cíti, že sa predmet (povedzme bicykel) zahrial alebo ochladil, znamená to, že všetky molekuly a atómy, ktoré tvoria tento systém, prešli zmenou vnútornej energie. Stála teplota však neznamená zachovanie tohto ukazovateľa.
Práca a teplo
Vnútorná energia akéhokoľvek termodynamického systému môže byť transformovaná dvoma spôsobmi:
- vykonávaním práce na ňom;
- pri výmene tepla s okolím.
Vzorec pre tento proces vyzerá takto:
dU=Q-A, kde U je vnútorná energia, Q je teplo, A je práca.
Nech sa čitateľ nenechá oklamať jednoduchosťou výrazu. Preskupenie ukazuje, že Q=dU+A, avšak zavedením entropie (S) sa vzorec dostane do tvaru dQ=dSxT.
Keďže v tomto prípade má rovnica formu diferenciálnej, prvý výraz vyžaduje to isté. Ďalej sa v závislosti od síl pôsobiacich v skúmanom objekte a parametra, ktorý sa počíta, odvodí požadovaný pomer.
Zoberme si kovovú guľu ako príklad termodynamického systému. Ak naň stlačíte, vyhodíte ho, pustíte do hlbokej studne, znamená to, že na ňom budete pracovať. Navonok všetky tieto neškodné akcie nespôsobia loptičku žiadnu škodu, ale jej vnútorná energia sa zmení, aj keď veľmi mierne.
Druhým spôsobom je výmena tepla. Teraz sa dostávame k hlavnému cieľu tohto článku: k popisu toho, aké je množstvo tepla. Ide o zmenu vnútornej energie termodynamického systému, ku ktorej dochádza pri výmene tepla (pozri vzorec vyššie). Meria sa v jouloch alebo kalóriách. Je zrejmé, že ak držíte loptu nad zapaľovačom, na slnku alebo jednoducho v teplej ruke, zahreje sa. A potom môžete pomocou zmeny teploty nájsť množstvo tepla, ktoré mu bolo oznámené.
Prečo je plyn najlepším príkladom zmeny vnútornej energie a prečo školáci nemajú radi fyziku
Vyššie sme opísali zmeny termodynamických parametrov kovovej gule. Bez špeciálnych zariadení nie sú príliš viditeľné a čitateľ sa môže dozvedieť len o procesoch, ktoré sa vyskytujú s objektom. Iná vec je, ak je systém plynový. Stlačte naň - bude viditeľný, zahrejte - tlak stúpne, spustite ho pod zem - a dá sa ľahko zaznamenať. Preto sa v učebniciach najčastejšie používa plyn ako vizuálny termodynamický systém.
Ale, bohužiaľ, v modernom vzdelávaní sa nevenuje veľa pozornosti skutočným skúsenostiam. Vedec, ktorý píše Toolkit, dokonale rozumie, o čom hovorí hovoríme o. Zdá sa mu, že na príklade molekúl plynu budú všetky termodynamické parametre riadne demonštrované. Ale študenta, ktorý práve objavuje tento svet, nudí počúvať o ideálnej banke s teoretickým piestom. Ak by škola mala skutočné výskumné laboratóriá a vyčlenené hodiny na prácu v nich, veci by boli iné. Zatiaľ sú, žiaľ, experimenty len na papieri. A s najväčšou pravdepodobnosťou je to práve dôvod, prečo ľudia považujú toto odvetvie fyziky za niečo čisto teoretické, ďaleko od života a zbytočné.
Preto sme sa rozhodli ako príklad použiť už vyššie spomínaný bicykel. Človek tlačí na pedále a pracuje na nich. Okrem prenosu krútiaceho momentu na celý mechanizmus (vďaka ktorému sa bicykel pohybuje v priestore) sa mení vnútorná energia materiálov, z ktorých sú páčky vyrobené. Cyklista stlačí rukoväte, aby sa otočil, a znova vykoná prácu.
Vnútorná energia vonkajšieho povlaku (plastu alebo kovu) sa zvyšuje. Človek vychádza na čistinku pod ostrým slnkom - bicykel sa zahrieva, jeho množstvo tepla sa mení. Zastaví sa, aby si oddýchol v tieni starého dubu a systém sa ochladí, pričom stratí kalórie alebo jouly. Zvyšuje rýchlosť - zvyšuje výmenu energie. Výpočet množstva tepla vo všetkých týchto prípadoch však ukáže veľmi malú, nepostrehnuteľnú hodnotu. Preto sa zdá, že v reálnom živote neexistujú žiadne prejavy termodynamickej fyziky.
Aplikácia výpočtov na zmeny množstva tepla
Čitateľ si asi povie, že je to všetko veľmi výchovné, ale prečo sa v škole tak trápime týmito formulkami? A teraz uvedieme príklady, v ktorých oblastiach ľudskej činnosti sú priamo potrební a ako sa to týka kohokoľvek v jeho každodennom živote.
Najprv sa rozhliadnite okolo seba a spočítajte: koľko kovových predmetov vás obklopuje? Pravdepodobne viac ako desať. Ale predtým, ako sa stane kancelárskou sponkou, kočiarom, prsteňom alebo flash diskom, každý kov prechádza tavením. Každý závod, ktorý spracováva, povedzme, železnú rudu, musí pochopiť, koľko paliva je potrebné na optimalizáciu nákladov. A pri tomto výpočte je potrebné poznať tepelnú kapacitu suroviny obsahujúcej kov a množstvo tepla, ktoré jej treba dodať, aby sa všetko udialo. technologických procesov. Keďže energia uvoľnená jednotkou paliva sa počíta v jouloch alebo kalóriách, vzorce sú potrebné priamo.
Alebo iný príklad: väčšina supermarketov má oddelenie s mrazeným tovarom – rybami, mäsom, ovocím. Ak sa suroviny zo živočíšneho mäsa alebo morských plodov premieňajú na polotovary, musíte vedieť, koľko elektriny spotrebujú chladiace a mraziace jednotky na tonu alebo jednotku dokončený produkt. Aby ste to urobili, musíte si vypočítať, koľko tepla stratí kilogram jahôd alebo kalamárov pri ochladení o jeden stupeň Celzia. A v konečnom dôsledku to ukáže, koľko elektriny spotrebuje mraznička určitého výkonu.
Lietadlá, lode, vlaky
Vyššie sme ukázali príklady relatívne nehybných, statických predmetov, ktorým sa určité množstvo tepla odovzdáva alebo ktorým sa naopak určité množstvo tepla odoberá. Pre objekty, ktoré sa počas prevádzky pohybujú v podmienkach neustále sa meniacej teploty, sú výpočty množstva tepla dôležité aj z iného dôvodu.
Existuje niečo ako „únava kovu“. Zahŕňa aj maximálne prípustné zaťaženia pri určitej rýchlosti zmeny teploty. Predstavte si lietadlo vzlietajúce z vlhkých trópov do zamrznutej hornej atmosféry. Inžinieri musia tvrdo pracovať, aby zabezpečili, že sa nerozpadne v dôsledku prasklín v kove, ktoré sa objavia pri zmene teploty. Hľadajú zloženie zliatiny, ktoré vydrží skutočné zaťaženie a má veľkú mieru bezpečnosti. A aby ste nehľadali slepo v nádeji, že náhodou narazíte na požadované zloženie, musíte urobiť veľa výpočtov vrátane tých, ktoré zahŕňajú zmeny v množstve tepla.