Ce se va încălzi mai repede pe aragaz - un ibric sau o găleată cu apă? Răspunsul este evident - un ceainic. Atunci a doua întrebare este de ce?
Răspunsul nu este mai puțin evident - deoarece masa de apă din ibric este mai mică. Grozav. Și acum poți să faci o adevărată experiență fizică acasă. Pentru a face acest lucru veți avea nevoie de două cratițe mici identice, o cantitate egală de apă și ulei vegetal, de exemplu, o jumătate de litru și o sobă. Puneti cratitele cu ulei si apa la acelasi foc. Acum urmăriți doar ce se va încălzi mai repede. Daca ai un termometru pentru lichide, il poti folosi daca nu, poti pur si simplu sa testezi temperatura cu degetul din cand in cand, doar ai grija sa nu te arzi. În orice caz, vei vedea în curând că uleiul se încălzește semnificativ mai repede decât apa. Și încă o întrebare, care poate fi implementată și sub formă de experiență. Care va fierbe mai repede - apa calda sau frig? Totul este din nou evident - cel cald va fi primul la linia de sosire. De ce toate aceste întrebări și experimente ciudate? A determina cantitate fizica, numită „cantitate de căldură”.
Cantitatea de căldură
Cantitatea de căldură este energia pe care un corp o pierde sau o câștigă în timpul transferului de căldură. Acest lucru este clar din nume. La răcire, corpul va pierde o anumită cantitate de căldură, iar la încălzire, va absorbi. Și răspunsurile la întrebările noastre ne-au arătat De ce depinde cantitatea de căldură?În primul rând, cu cât greutatea corporală este mai mare, cu atât cantitate mare căldura trebuie cheltuită pentru a-și schimba temperatura cu un grad. În al doilea rând, cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp depinde de substanța din care constă, adică de tipul de substanță. Și în al treilea rând, diferența de temperatură a corpului înainte și după transferul de căldură este, de asemenea, importantă pentru calculele noastre. Pe baza celor de mai sus, putem determinați cantitatea de căldură folosind formula:
unde Q este cantitatea de căldură,
m - greutatea corporală,
(t_2-t_1) - diferența dintre temperatura inițială și cea finală a corpului,
c este capacitatea termică specifică a substanței, găsită din tabelele corespunzătoare.
Folosind această formulă, puteți calcula cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi orice corp sau pe care acest corp o va elibera la răcire.
Cantitatea de căldură se măsoară în jouli (1 J), ca orice tip de energie. Cu toate acestea, această valoare a fost introdusă nu cu mult timp în urmă, iar oamenii au început să măsoare cantitatea de căldură mult mai devreme. Și au folosit o unitate care este utilizată pe scară largă în vremea noastră - caloria (1 cal). 1 calorie este cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi 1 gram de apă cu 1 grad Celsius. Ghidați de aceste date, cei cărora le place să numere caloriile din alimentele pe care le consumă pot, din distracție, să calculeze câți litri de apă pot fi fierți cu energia pe care o consumă cu alimentele în timpul zilei.
Puteți modifica energia internă a gazului din cilindru nu numai lucrând, ci și încălzind gazul (Fig. 43). Dacă pistonul este fix, volumul de gaz nu se va schimba, ci temperatura și, prin urmare, energie interna va creste.
Procesul de transfer de energie de la un corp la altul fără a lucra se numește schimb de căldură sau transfer de căldură.
Energia transferată organismului ca rezultat al schimbului de căldură se numește cantitatea de căldură. Cantitatea de căldură se mai numește și energia pe care o degajă un corp în timpul schimbului de căldură.
Imaginea moleculară a transferului de căldură.În timpul schimbului de căldură la limita dintre corpuri, are loc interacțiunea moleculelor care se mișcă lentă ale unui corp rece cu moleculele care se mișcă mai rapid ale unui corp fierbinte. Ca urmare, energiile cinetice ale moleculelor sunt egalizate și vitezele moleculelor unui corp rece cresc, iar cele ale unui corp fierbinte scad.
În timpul schimbului de căldură, energia nu este convertită dintr-o formă în alta: o parte din energia internă a corpului fierbinte este transferată în corpul rece.
Cantitatea de căldură și capacitatea de căldură. Din cursul de fizică clasa a VII-a se știe că pentru a încălzi un corp de masă m de la temperatura t 1 la temperatura t 2 este necesar să se informeze despre cantitatea de căldură.
Q = cm(t 2 – t 1) = cmΔt. (4,5)
Când un corp se răcește, temperatura sa eternă t 2 este mai mică decât temperatura inițială t 1 și cantitatea de căldură degajată de corp este negativă.
Coeficientul c din formula (4.5) se numește capacitatea termică specifică. Căldura specifică este cantitatea de căldură pe care 1 kg dintr-o substanță o primește sau o eliberează atunci când temperatura acesteia se modifică cu 1 K.
Capacitatea termică specifică este exprimată în jouli împărțit la kilogram înmulțit cu kelvin. Corpuri diferite necesită cantități diferite de energie pentru a crește temperatura cu 1 K. Astfel, capacitatea termică specifică a apei este de 4190 J/(kg K), iar cea a cuprului este de 380 J/(kg K).
Capacitatea termică specifică depinde nu numai de proprietățile substanței, ci și de procesul prin care are loc transferul de căldură. Daca incalziti gazul la presiune constantă, apoi se va extinde și va funcționa. Pentru a încălzi un gaz cu 1°C la presiune constantă, va trebui să i se transfere mai multă căldură decât pentru a-l încălzi la volum constant.
Lichid și solide se extind ușor atunci când sunt încălzite, iar capacitățile lor specifice de căldură la volum constant și presiune constantă diferă puțin.
Căldura specifică de vaporizare. Pentru a transforma un lichid în abur, trebuie transferată o anumită cantitate de căldură. Temperatura lichidului nu se modifică în timpul acestei transformări. Transformarea unui lichid în vapori la o temperatură constantă nu duce la o creștere a energiei cinetice a moleculelor, ci este însoțită de o creștere a energiei potențiale a acestora. La urma urmei, distanța medie dintre moleculele de gaz este de multe ori mai mare decât între moleculele lichide. În plus, o creștere a volumului în timpul tranziției unei substanțe de la starea lichidă la starea gazoasă necesită muncă împotriva forțelor externe de presiune.
Cantitatea de căldură necesară pentru a transforma 1 kg de lichid în vapori la o temperatură constantă se numește căldură specifică de vaporizare. Această cantitate este notată cu litera r și exprimată în jouli pe kilogram.
Căldura specifică de vaporizare a apei este foarte mare: 2.256 · 10 6 J/kg la o temperatură de 100°C. Pentru alte lichide (alcool, eter, mercur, kerosen etc.) căldura specifică de vaporizare este de 3-10 ori mai mică.
Pentru a transforma un lichid cu masa m în vapori, este necesară o cantitate de căldură egală cu:
Când aburul se condensează, se eliberează aceeași cantitate de căldură
Q k = –rm. (4,7)
Căldura specifică de fuziune. Când un corp cristalin se topește, toată căldura furnizată acestuia duce la creșterea energiei potențiale a moleculelor. Energie kinetică moleculele nu se modifică, deoarece topirea are loc la o temperatură constantă.
Cantitatea de căldură λ (lambda) necesară pentru a transforma 1 kg dintr-o substanță cristalină la punctul de topire într-un lichid la aceeași temperatură se numește căldură specifică de fuziune.
Când 1 kg dintr-o substanță cristalizează, se eliberează exact aceeași cantitate de căldură. Căldura specifică de topire a gheţii este destul de mare: 3,4 · 10 5 J/kg.
Pentru a topi un corp cristalin de masa m, este necesară o cantitate de căldură egală cu:
Qpl = λm. (4,8)
Cantitatea de căldură eliberată în timpul cristalizării unui corp este egală cu:
Q cr = – λm. (4,9)
1. Cum se numește cantitatea de căldură? 2. De ce depinde capacitatea termică specifică a substanțelor? 3. Ce se numește căldura specifică de vaporizare? 4. Cum se numește căldura specifică de fuziune? 5. În ce cazuri este negativă cantitatea de căldură transferată?
Exercițiu 81.
Calculați cantitatea de căldură care va fi eliberată în timpul reducerii Fe 2 O 3 aluminiu metalic dacă s-au obţinut 335,1 g fier. Răspuns: 2543,1 kJ.
Soluţie:
Ecuația reacției:
= (Al 2 O 3) - (Fe 2 O 3) = -1669,8 -(-822,1) = -847,7 kJ
Calculul cantității de căldură care este eliberată atunci când se primesc 335,1 g de fier se face din proporția:
(2 . 55,85) : -847,7 = 335,1 : X; x = (0847,7 . 335,1)/ (2 . 55,85) = 2543,1 kJ,
unde 55,85 masă atomică glandă.
Răspuns: 2543,1 kJ.
Efectul termic al reacției
Sarcina 82.
Alcoolul etilic gazos C2H5OH poate fi obținut prin interacțiunea etilenei C 2 H 4 (g) și vaporii de apă. Scrieți ecuația termochimică pentru această reacție, după ce i-am calculat mai întâi efectul termic. Răspuns: -45,76 kJ.
Soluţie:
Ecuația reacției este:
C2H4 (g) + H20 (g) = C2H5OH (g); = ?
Valorile căldurilor standard de formare a substanțelor sunt date în tabele speciale. Având în vedere că căldura de formare substanțe simple luate condiționat egal cu zero. Să calculăm efectul termic al reacției folosind o consecință a legii lui Hess, obținem:
= (C 2 H 5 OH) – [ (C 2 H 4) + (H 2 O)] =
= -235,1 -[(52,28) + (-241,83)] = - 45,76 kJ
Ecuații de reacție în care despre simboluri compuși chimici sunt indicate stările lor de agregare sau modificare cristalină, precum şi valoarea numerică a efectelor termice, numite termochimice. În ecuațiile termochimice, dacă nu este specificat în mod specific, valorile efectelor termice la presiune constantă Q p sunt indicate egale cu modificarea entalpiei sistemului. Valoarea este de obicei dată în partea dreaptă a ecuației, separată prin virgulă sau punct și virgulă. Sunt acceptate următoarele denumiri abreviate pentru starea de agregare a unei substanțe: G- gazos, și- lichid, La
Dacă căldura este eliberată ca urmare a unei reacții, atunci< О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:
C2H4 (g) + H20 (g) = C2H5OH (g); = - 45,76 kJ.
Răspuns:- 45,76 kJ.
Sarcina 83.
Calculați efectul termic al reacției de reducere a oxidului de fier (II) cu hidrogenul pe baza următoarelor ecuații termochimice:
a) EO (k) + CO (g) = Fe (k) + CO2 (g); = -13,18 kJ;
b) CO (g) + 1/202 (g) = CO2 (g); = -283,0 kJ;
c) H2 (g) + 1/202 (g) = H20 (g); = -241,83 kJ.
Răspuns: +27,99 kJ.
Soluţie:
Ecuația de reacție pentru reducerea oxidului de fier (II) cu hidrogen are forma:
EeO (k) + H2 (g) = Fe (k) + H20 (g); = ?
= (H2O) – [ (FeO)
Căldura de formare a apei este dată de ecuație
H2 (g) + 1/202 (g) = H20 (g); = -241,83 kJ,
iar căldura de formare a oxidului de fier (II) poate fi calculată scăzând ecuația (a) din ecuația (b).
=(c) - (b) - (a) = -241,83 – [-283,o – (-13,18)] = +27,99 kJ.
Răspuns:+27,99 kJ.
Sarcina 84.
Când hidrogenul sulfurat gazos și dioxidul de carbon interacționează, se formează vapori de apă și disulfură de carbon CS 2 (g). Scrieți ecuația termochimică pentru această reacție și calculați mai întâi efectul ei termic. Răspuns: +65,43 kJ.
Soluţie:
G- gazos, și- lichid, La-- cristalin. Aceste caractere sunt omise dacă starea de agregare substanțele sunt evidente, de exemplu, O 2 , H 2 etc.
Ecuația reacției este:
2H2S (g) + C02 (g) = 2H20 (g) + CS2 (g); = ?
Valorile căldurilor standard de formare a substanțelor sunt date în tabele speciale. Având în vedere că căldura de formare a substanțelor simple se presupune în mod convențional a fi zero. Efectul termic al unei reacții poate fi calculat folosind un corolar al legii lui Hess:
= (H2O) + (СS2) – [(H2S) + (СO2)];
= 2(-241,83) + 115,28 – = +65,43 kJ.
2H2S (g) + C02 (g) = 2H20 (g) + CS2 (g); = +65,43 kJ.
Răspuns:+65,43 kJ.
Ecuația reacției termochimice
Sarcina 85.
Scrieți ecuația termochimică pentru reacția dintre CO (g) și hidrogen, în urma căreia se formează CH 4 (g) și H 2 O (g). Câtă căldură va fi eliberată în timpul acestei reacții dacă s-ar produce 67,2 litri de metan în condiții normale? Raspuns: 618,48 kJ.
Soluţie:
Ecuațiile de reacție în care starea lor de agregare sau modificarea cristalului, precum și valoarea numerică a efectelor termice sunt indicate lângă simbolurile compușilor chimici, se numesc termochimice. În ecuațiile termochimice, dacă nu este specificat în mod specific, sunt indicate valorile efectelor termice la presiune constantă Q p egală cu modificarea entalpiei sistemului. Valoarea este de obicei dată în partea dreaptă a ecuației, separată prin virgulă sau punct și virgulă. Sunt acceptate următoarele denumiri abreviate pentru starea de agregare a unei substanțe: G- gazos, și- ceva, La- cristalin. Aceste simboluri sunt omise dacă starea agregativă a substanțelor este evidentă, de exemplu, O 2, H 2 etc.
Ecuația reacției este:
CO (g) + 3H2 (g) = CH4 (g) + H20 (g); = ?
Valorile căldurilor standard de formare a substanțelor sunt date în tabele speciale. Având în vedere că căldura de formare a substanțelor simple se presupune în mod convențional a fi zero. Efectul termic al unei reacții poate fi calculat folosind un corolar al legii lui Hess:
= (H20) + (CH4) – (CO)];
= (-241,83) + (-74,84) – (-110,52) = -206,16 kJ.
Ecuația termochimică va fi:
22,4 : -206,16 = 67,2 : X; x = 67,2 (-206,16)/22a4 = -618,48 kJ; Q = 618,48 kJ.
Răspuns: 618,48 kJ.
Căldura de formare
Sarcina 86.
Efectul termic al cărui reacție egal cu căldura educaţie. Calculați căldura de formare a NO pe baza următoarelor ecuații termochimice:
a) 4NH3 (g) + 5O2 (g) = 4NO (g) + 6H20 (l); = -1168,80 kJ;
b) 4NH3 (g) + 302 (g) = 2N2 (g) + 6H20 (l); = -1530,28 kJ
Răspuns: 90,37 kJ.
Soluţie:
Căldura standard de formare este egală cu căldura de reacție la formarea a 1 mol din această substanță din substanțe simple în condiții standard (T = 298 K; p = 1,0325,105 Pa). Formarea NO din substanțe simple poate fi reprezentată astfel:
1/2N2 + 1/2O2 = NU
Este dată reacția (a), care produce 4 moli de NO și dată reacția (b), care produce 2 moli de N2. Oxigenul este implicat în ambele reacții. Prin urmare, pentru a determina căldură standard formarea NO, vom compune următorul ciclu Hess, adică trebuie să scădem ecuația (a) din ecuația (b):
Astfel, 1/2N2 + 1/2O2 = NO; = +90,37 kJ.
Răspuns: 618,48 kJ.
Sarcina 87.
Clorura de amoniu cristalină se formează prin reacția gazelor de amoniac și clorură de hidrogen. Scrieți ecuația termochimică pentru această reacție, după ce i-am calculat mai întâi efectul termic. Câtă căldură va fi eliberată dacă s-au consumat 10 litri de amoniac în reacție, calculată în condiții normale? Răspuns: 78,97 kJ.
Soluţie:
Ecuațiile de reacție în care starea lor de agregare sau modificarea cristalului, precum și valoarea numerică a efectelor termice sunt indicate lângă simbolurile compușilor chimici, se numesc termochimice. În ecuațiile termochimice, dacă nu este specificat în mod specific, sunt indicate valorile efectelor termice la presiune constantă Q p egală cu modificarea entalpiei sistemului. Valoarea este de obicei dată în partea dreaptă a ecuației, separată prin virgulă sau punct și virgulă. Au fost acceptate următoarele: La-- cristalin. Aceste simboluri sunt omise dacă starea agregativă a substanțelor este evidentă, de exemplu, O 2, H 2 etc.
Ecuația reacției este:
NH3 (g) + HCI (g) = NH4CI (k). ; = ?
Valorile căldurilor standard de formare a substanțelor sunt date în tabele speciale. Având în vedere că căldura de formare a substanțelor simple se presupune în mod convențional a fi zero. Efectul termic al unei reacții poate fi calculat folosind un corolar al legii lui Hess:
= (NH4CI) – [(NH3) + (HCI)];
= -315,39 – [-46,19 + (-92,31) = -176,85 kJ.
Ecuația termochimică va fi:
Căldura eliberată în timpul reacției a 10 litri de amoniac în această reacție se determină din proporția:
22,4 : -176,85 = 10 : X; x = 10 (-176,85)/22,4 = -78,97 kJ; Q = 78,97 kJ.
Răspuns: 78,97 kJ.
Obiectivul articolului nostru este cantitatea de căldură. Vom lua în considerare conceptul de energie internă, care se transformă atunci când această cantitate se modifică. Vom arăta și câteva exemple de aplicare a calculelor în activitate umana.
Căldură
Cu orice cuvânt limba maternă Fiecare persoană are propriile asociații. Sunt hotărâți experienta personalași sentimente iraționale. La ce te gândești de obicei când auzi cuvântul „căldură”? Pătură moale, radiator centrală funcțional iarna, în primul rând lumina soarelui primavara, pisica Sau privirea unei mame, cuvântul reconfortant al unui prieten, atenția la timp.
Fizicienii înțeleg prin aceasta un termen foarte specific. Și foarte important, mai ales în unele secțiuni ale acestei științe complexe, dar fascinante.
Termodinamica
Nu merită să luați în considerare cantitatea de căldură izolat de cele mai simple procese pe care se bazează legea conservării energiei - nimic nu va fi clar. Prin urmare, mai întâi să le reamintim cititorilor noștri.
Termodinamica consideră orice lucru sau obiect ca un foarte cantitate mare părți elementare - atomi, ioni, molecule. Ecuațiile sale descriu orice modificare a stării colective a sistemului ca întreg și ca parte a întregului atunci când macroparametrii se modifică. Acesta din urmă se referă la temperatură (notată cu T), presiune (P), concentrația componentelor (de obicei C).
Energie interna
Energia internă este un termen destul de complex, al cărui sens merită înțeles înainte de a vorbi despre cantitatea de căldură. Indică energia care se modifică atunci când valoarea macroparametrilor unui obiect crește sau scade și nu depinde de sistemul de referință. Face parte din energia totală. Coincide cu el în condițiile în care centrul de masă al obiectului studiat este în repaus (adică nu există o componentă cinetică).
Când o persoană simte că un obiect (să zicem o bicicletă) a devenit fierbinte sau rece, arată că toate moleculele și atomii care alcătuiesc acest sistem, a experimentat o schimbare a energiei interne. Cu toate acestea, temperatura constantă nu înseamnă păstrarea acestui indicator.
Muncă și căldură
Energia internă a oricărui sistem termodinamic poate fi transformată în două moduri:
- lucrând la el;
- în timpul schimbului de căldură cu mediul.
Formula pentru acest proces arată astfel:
dU=Q-A, unde U este energia internă, Q este căldura, A este muncă.
Cititorul să nu se lase înșelat de simplitatea expresiei. Rearanjarea arată că Q=dU+A, totuși, introducerea entropiei (S) aduce formula la forma dQ=dSxT.
Deoarece în acest caz ecuația ia forma uneia diferențiale, prima expresie necesită aceeași. În continuare, în funcție de forțele care acționează în obiectul studiat și de parametrul care este calculat, se deduce raportul necesar.
Să luăm o minge de metal ca exemplu de sistem termodinamic. Dacă apăsați pe el, îl aruncați în sus, îl aruncați într-o fântână adâncă, atunci asta înseamnă să lucrați la el. În exterior, toate aceste acțiuni inofensive nu vor provoca niciun rău mingii, dar energia sa internă se va schimba, deși foarte ușor.
A doua metodă este schimbul de căldură. Acum ajungem la scopul principal din acest articol: o descriere a cantității de căldură. Aceasta este o schimbare a energiei interne a unui sistem termodinamic care are loc în timpul schimbului de căldură (vezi formula de mai sus). Se măsoară în jouli sau calorii. Evident, dacă ții mingea peste o brichetă, la soare, sau pur și simplu într-o mână caldă, se va încălzi. Și apoi puteți folosi schimbarea temperaturii pentru a afla cantitatea de căldură care i-a fost comunicată.
De ce gazul este cel mai bun exemplu de schimbare a energiei interne și de ce școlarilor nu le place fizica din această cauză
Mai sus am descris modificările parametrilor termodinamici ai unei mingi metalice. Ele nu sunt foarte vizibile fără dispozitive speciale, iar cititorul poate crede doar despre procesele care au loc cu obiectul. E alta problema daca sistemul este pe gaz. Apăsați pe el - va fi vizibil, încălziți-l - presiunea va crește, o va coborî sub pământ - și poate fi ușor înregistrată. Prin urmare, în manuale, gazul este cel mai adesea folosit ca sistem termodinamic vizual.
Dar, vai, în învăţământul modern Nu se acordă prea multă atenție experimentelor reale. Savant care scrie Trusa de instrumente, înțelege perfect despre ce vorbește despre care vorbim. Lui i se pare că, folosind exemplul moleculelor de gaz, toți parametrii termodinamici vor fi demonstrați corespunzător. Dar un student care tocmai descoperă această lume se plictisește auzind despre un balon ideal cu un piston teoretic. Dacă școala ar avea adevărate laboratoare de cercetare și ar fi alocat ore de lucru în ele, lucrurile ar fi altfel. Până acum, din păcate, experimentele sunt doar pe hârtie. Și, cel mai probabil, tocmai acesta este motivul pentru care oamenii consideră această ramură a fizicii ca fiind ceva pur teoretic, departe de viață și inutil.
Prin urmare, am decis să folosim ca exemplu bicicleta deja menționată mai sus. O persoană apasă pe pedale și lucrează la ele. Pe lângă faptul că oferă cuplu întregului mecanism (mulțumită căruia bicicleta se mișcă în spațiu), se modifică energia internă a materialelor din care sunt realizate pârghiile. Ciclistul apasă mânerele pentru a se întoarce și din nou face treaba.
Energia internă a învelișului exterior (plastic sau metal) crește. O persoană iese într-o poiană sub soarele strălucitor - bicicleta se încălzește, cantitatea de căldură se schimbă. Se oprește să se odihnească la umbra unui stejar bătrân și sistemul se răcește, pierzând calorii sau jouli. Crește viteza - crește schimbul de energie. Cu toate acestea, calcularea cantității de căldură în toate aceste cazuri va arăta o valoare foarte mică, imperceptibilă. Prin urmare, se pare că manifestările fizicii termodinamice în viata reala Nu.
Aplicarea calculelor pentru modificările cantității de căldură
Cititorul va spune probabil că toate acestea sunt foarte educative, dar de ce suntem atât de chinuiți la școală cu aceste formule? Și acum vom da exemple în ce domenii ale activității umane sunt necesare în mod direct și cum se referă acest lucru pe oricine în viața de zi cu zi.
Mai întâi, uită-te în jurul tău și numără: câte obiecte metalice te înconjoară? Probabil mai mult de zece. Dar înainte de a deveni o agrafă, un cărucior, un inel sau o unitate flash, orice metal suferă topire. Fiecare fabrică care prelucrează, să zicem, minereu de fier, trebuie să înțeleagă cât de mult combustibil este necesar pentru a optimiza costurile. Și atunci când se calculează acest lucru, este necesar să se cunoască capacitatea termică a materiei prime care conțin metal și cantitatea de căldură care trebuie să i se transmită pentru ca totul să se întâmple. procese tehnologice. Deoarece energia eliberată de o unitate de combustibil este calculată în jouli sau calorii, formulele sunt necesare direct.
Sau un alt exemplu: majoritatea supermarketurilor au un departament cu produse congelate - peste, carne, fructe. În cazul în care materiile prime din carne de animale sau fructe de mare sunt transformate în semifabricate, trebuie să știți câtă energie electrică vor consuma unitățile de refrigerare și congelare pe tonă sau unitate. produs finit. Pentru a face acest lucru, trebuie să calculați câtă căldură pierde un kilogram de căpșuni sau calmar atunci când este răcit cu un grad Celsius. Și în cele din urmă, aceasta va arăta câtă energie electrică va consuma un congelator de o anumită putere.
Avioane, nave, trenuri
Mai sus am arătat exemple de obiecte relativ nemișcate, statice, cărora li se transmite o anumită cantitate de căldură sau de la care, dimpotrivă, se ia o anumită cantitate de căldură. Pentru obiectele care se mișcă în condiții de schimbare constantă a temperaturii în timpul funcționării, calculele cantității de căldură sunt importante dintr-un alt motiv.
Există așa ceva ca „oboseala metalică”. Include, de asemenea, sarcinile maxime admise la o anumită rată de schimbare a temperaturii. Imaginați-vă un avion care decolează de la tropicele umede în atmosfera superioară înghețată. Inginerii trebuie să lucreze din greu pentru a se asigura că nu se destramă din cauza fisurilor din metal care apar atunci când temperatura se schimbă. Ei caută o compoziție de aliaj care să reziste la sarcini reale și să aibă o marjă mare de siguranță. Și pentru a nu căuta orbește, în speranța de a da din greșeală compoziția dorită, trebuie să faci o mulțime de calcule, inclusiv cele care includ modificări ale cantității de căldură.
În această lecție vom învăța cum să calculăm cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea unui corp sau eliberată de acesta la răcire. Pentru a face acest lucru, vom rezuma cunoștințele care au fost dobândite în lecțiile anterioare.
În plus, vom învăța, folosind formula cantității de căldură, să exprimăm cantitățile rămase din această formulă și să le calculăm, cunoscând alte cantități. Se va lua în considerare și un exemplu de problemă cu o soluție pentru calcularea cantității de căldură.
Această lecție este dedicat calculului cantității de căldură atunci când un corp este încălzit sau eliberat de acesta atunci când este răcit.
Capacitatea de a calcula cantitatea necesară de căldură este foarte importantă. Acest lucru poate fi necesar, de exemplu, atunci când se calculează cantitatea de căldură care trebuie transmisă apei pentru a încălzi o cameră.
Orez. 1. Cantitatea de căldură care trebuie transmisă apei pentru a încălzi camera
Sau pentru a calcula cantitatea de căldură care este eliberată atunci când combustibilul este ars în diferite motoare:
Orez. 2. Cantitatea de căldură care este eliberată atunci când combustibilul este ars în motor
De asemenea, aceste cunoștințe sunt necesare, de exemplu, pentru a determina cantitatea de căldură care este eliberată de Soare și cade pe Pământ:
Orez. 3. Cantitatea de căldură eliberată de Soare și căzută pe Pământ
Pentru a calcula cantitatea de căldură, trebuie să știți trei lucruri (Fig. 4):
- greutatea corporală (care poate fi măsurată de obicei cu ajutorul unei cântar);
- diferența de temperatură cu care un corp trebuie să fie încălzit sau răcit (măsurată de obicei cu ajutorul unui termometru);
- capacitatea termică specifică a corpului (care poate fi determinată din tabel).
Orez. 4. Ce trebuie să știți pentru a determina
Formula prin care se calculează cantitatea de căldură arată astfel:
Următoarele cantități apar în această formulă:
Cantitatea de căldură măsurată în jouli (J);
Capacitatea termică specifică a unei substanțe se măsoară în ;
- diferența de temperatură, măsurată în grade Celsius ().
Să luăm în considerare problema calculării cantității de căldură.
Sarcină
Un pahar de cupru cu o masă de grame conține apă cu un volum de litru la o temperatură. Câtă căldură trebuie transferată unui pahar cu apă pentru ca temperatura acestuia să devină egală cu?
Orez. 5. Ilustrație a condițiilor problemei
Mai întâi notăm o condiție scurtă ( Dat) și convertiți toate cantitățile în sistemul internațional (SI).
|
Dat: |
SI |
|
|
Găsi: |
Soluţie:
Mai întâi, stabiliți ce alte cantități avem nevoie pentru a rezolva această problemă. Folosind tabelul capacității termice specifice (Tabelul 1) găsim (capacitatea termică specifică a cuprului, deoarece după condiție sticla este cupru), (capacitatea termică specifică a apei, deoarece după condiție există apă în sticlă). În plus, știm că pentru a calcula cantitatea de căldură avem nevoie de o masă de apă. Conform condiției, ni se dă doar volumul. Prin urmare, din tabel luăm densitatea apei: (Tabelul 2).
Masa 1. Capacitatea termică specifică a unor substanțe,
Masa 2. Densitățile unor lichide
Acum avem tot ce ne trebuie pentru a rezolva această problemă.
Rețineți că cantitatea finală de căldură va consta din suma cantității de căldură necesară pentru a încălzi sticla de cupru și cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi apa din el:
Să calculăm mai întâi cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un pahar de cupru:
Înainte de a calcula cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea apei, să calculăm masa de apă folosind o formulă care ne este familiară din clasa a 7-a:
Acum putem calcula:
Apoi putem calcula:
Să ne amintim ce înseamnă kilojulii. Prefixul „kilo” înseamnă 
.
Răspuns:.
Pentru comoditatea rezolvării problemelor de găsire a cantității de căldură (așa-numitele probleme directe) și a cantităților asociate acestui concept, puteți utiliza următorul tabel.
|
Cantitatea necesară |
Desemnare |
Unități |
Formula de bază |
Formula pentru cantitate |
|
Cantitatea de căldură |
Se încarcă...
