Содержание:
- Определение и формула количества теплоты
- Формула расчета теплоты при изменении температуры
- Формула количества теплоты при фазовых переходах
- Единицы измерения количества теплоты
- Примеры решения задач
Определение и формула количества теплоты
Внутреннюю энергию термодинамической системы можно изменить двумя способами:
- совершая над системой работу,
- при помощи теплового взаимодействия.
Передача тепла телу не связана с совершением над телом макроскопической работы. В данном случае изменение внутренней энергии вызвано тем,
что отдельные молекулы тела с большей температурой совершают работу над некоторыми молекулами тела, которое имеет меньшую температуру. В этом
случае тепловое взаимодействие реализуется за счет теплопроводности. Передача энергии также возможна при помощи излучения. Система
микроскопических процессов (относящихся не ко всему телу, а к отдельным молекулам) называется теплопередачей. Количество энергии,
которое передается от одного тела к другому в результате теплопередачи, определяется количеством теплоты, которое предано от одного тела другому.
Определение
Теплотой называют энергию, которая получается (или отдается) телом в процессе теплообмена с окружающими телами (средой).
Обозначается теплота, обычно буквой Q.
Это одна из основных величин в термодинамике. Теплота включена в математические выражения первого и второго начал термодинамики.
Говорят, что теплота – это энергия в форме молекулярного движения.
Теплота может сообщаться системе (телу), а может забираться от нее. Считают, что если тепло сообщается системе, то оно положительно.
Формула расчета теплоты при изменении температуры
Элементарное количество теплоты обозначим как $delta Q$. Обратим внимание,
что элемент тепла, которое получает (отдает) система при малом изменении ее состояния не является полным дифференциалом.
Причина этого состоит в том, что теплота является функцией процесса изменения состояния системы.
Элементарное количество тепла, которое сообщается системе, и температура при этом меняется от Tдо T+dT, равно:
$$delta Q=C d T(1)$$
где C – теплоемкость тела. Если рассматриваемое тело однородно, то формулу (1) для количества теплоты можно представить как:
$$delta Q=c m d T=nu c_{mu} d T(2)$$
где $c=frac{C}{m}$ – удельная теплоемкость тела, m – масса тела,
$c_{mu}=c cdot mu$ – молярная теплоемкость,
$mu$ – молярная масса вещества,
$nu=frac{m}{mu}$ – число молей вещества.
Если тело однородно, а теплоемкость считают независимой от температуры, то количество теплоты
($Delta Q$), которое получает тело при увеличении его температуры на величину
$Delta t = t_2 – t_1$ можно вычислить как:
$$Delta Q=c m Delta t(3)$$
где t2, t1 температуры тела до нагрева и после. Обратите внимание, что температуры при нахождении разности
($Delta t$) в расчетах можно подставлять как в градусах Цельсия, так и в кельвинах.
Формула количества теплоты при фазовых переходах
Переход от одной фазы вещества в другую сопровождается поглощением или выделением некоторого количества теплоты,
которая носит название теплоты фазового перехода.
Так, для перевода элемента вещества из состояния твердого тела в жидкость ему следует сообщить количество теплоты
($delta Q$) равное:
$$delta Q=lambda d m$$
где $lambda$ – удельная теплота плавления, dm – элемент массы тела.
При этом следует учесть, что тело должно иметь температуру, равную температуре плавления рассматриваемого вещества.
При кристаллизации происходит выделение тепла равного (4).
Количество теплоты (теплота испарения), которое необходимо для перевода жидкости в пар можно найти как:
$$delta Q=r d m$$
где r – удельная теплота испарения. При конденсации пара теплота выделяется. Теплота испарения равна теплоте конденсации одинаковых масс вещества.
Единицы измерения количества теплоты
Основной единицей измерения количества теплоты в системе СИ является: [Q]=Дж
Внесистемная единица теплоты, которая часто встречается в технических расчетах. [Q]=кал (калория). 1 кал=4,1868 Дж.
Примеры решения задач
Пример
Задание. Какие объемы воды следует смешать, чтобы получить 200 л воды при температуре t=40С, если температура
одной массы воды t1=10С, второй массы воды t2=60С?
Решение. Запишем уравнение теплового баланса в виде:
$$Q=Q_{1}+Q_{2}(1.1)$$
где Q=cmt – количество теплоты приготовленной после смешивания воды; Q1=cm1t1 –
количество теплоты части воды температурой t1 и массой m1;
Q2=cm2t2– количество теплоты части воды температурой t2 и массой m2.
Из уравнения (1.1) следует:
$$
begin{array}{l}
mathrm{cmt}=mathrm{cm}_{1} t_{1}+mathrm{~cm}_{2} t_{2} rightarrow mathrm{mt}=mathrm{m}_{1} t_{1}+mathrm{~m}_{2} t_{2} rightarrow \
rightarrow rho mathrm{Vt}=rho V_{1} t_{1}+rho mathrm{V}_{2} t_{2} rightarrow mathrm{Vt}=V_{1} t_{1}+V_{2} t_{2}(1.2)
end{array}
$$
При объединении холодной (V1) и горячей (V2) частей воды в единый объем (V) можно принять то, что:
$$$
V=V_{1}+V_{2}(1.3)
$$$
Так, мы получаем систему уравнений:
$$
left{begin{array}{c}
V t=V_{1} t_{1}+V_{2} t_{2} \
V=V_{1}+V_{2}
end{array}right.
$$
Решив ее получим:
$$
begin{array}{l}
V_{1}=frac{left(t_{2}-tright)}{t_{2}-t_{1}} V \
V_{2}=frac{left(t-t_{1}right)}{t_{2}-t_{1}} V
end{array}
$$
Проведем вычисления (это можно сделать, не переходя в систему СИ):
$$
begin{array}{l}
V_{1}=frac{(60-40)}{60-10} 200=80 text { (л) } \
V_{2}=frac{(40-10)}{60-10} 200=120 text { (л) }
end{array}
$$
Ответ. V1=80 л, V2=120 л.
236
проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности
Мы помогли уже 4 396 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
Пример
Задание. Теплоемкость тела изменяется по линейному закону (рис.1) в зависимости от абсолютной температуры в
рассматриваемом интервале $T_{1} leq T leq T_{2}$ .
Какое количество теплоты получает тело, если T1=300 К, T2=400 К.
Решение. Исследуя график функции теплоемкости (C(T)) (рис.1) запишем его аналитическое выражение, оно получится:
$C(T)=10+2 cdot 10^{-2} T$ (Дж/К)
Основой для решения задачи послужит формула для количества теплоты в виде:
$$delta Q=C d T(2.2)$$
Подставим полученное выражение для теплоемкости (2.1) в формулу (2.2) поведем интегрирование в заданном интервале температур:
$$
begin{array}{c}
Delta Q=int_{300}^{400}left(10+2 cdot 10^{-2} Tright) d T=left.left(10 cdot T+10^{-2} T^{2}right)right|_{300} ^{400}= \
=left(10 cdot 400+10^{-2} cdot(400)^{2}right)-left(10 cdot 300+10^{-2} cdot(300)^{2}right)=1700left(mathrm{~A}^{*}right)
end{array}
$$
Ответ. $Delta Q$=1700 Дж
Читать дальше: Формула напряженности магнитного поля.
II. Молекулярная физика
Тестирование онлайн
Термодинамика
Раздел молекулярной физики, который изучает передачу энергии, закономерности превращения одних видов энергии в другие. В отличие от молекулярно-кинетической теории, в термодинамике не учитывается внутреннее строение веществ и микропараметры.
Термодинамическая система
Это совокупность тел, которые обмениваются энергией (в форме работы или теплоты) друг с другом или с окружающей средой. Например, вода в чайнике остывает, происходит обмен теплотой воды с чайником и чайника с окружающей средой. Цилиндр с газом под поршнем: поршень выполняет работу, в результате чего, газ получает энергию, и изменяются его макропараметры.
Количество теплоты
Это энергия, которую получает или отдает система в процессе теплообмена. Обозначается символом Q, измеряется, как любая энергия, в Джоулях.
В результате различных процессов теплообмена энергия, которая передается, определяется по-своему.
Нагревание и охлаждение
Этот процесс характеризуется изменением температуры системы. Количество теплоты определяется по формуле
Удельная теплоемкость вещества с измеряется количеством теплоты, которое необходимо для нагревания единицы массы данного вещества на 1К. Для нагревания 1кг стекла или 1кг воды требуется различное количество энергии. Удельная теплоемкость – известная, уже вычисленная для всех веществ величина, значение смотреть в физических таблицах.
Теплоемкость вещества С – это количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела без учета его массы на 1К.
Плавление и кристаллизация
Плавление – переход вещества из твердого состояния в жидкое. Обратный переход называется кристаллизацией.
Энергия, которая тратится на разрушение кристаллической решетки вещества, определяется по формуле
Удельная теплота плавления известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.
Парообразование (испарение или кипение) и конденсация
Парообразование – это переход вещества из жидкого (твердого) состояния в газообразное. Обратный процесс называется конденсацией.
Удельная теплота парообразования известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.
Горение
Количество теплоты, которое выделяется при сгорании вещества
Удельная теплота сгорания известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.
Для замкнутой и адиабатически изолированной системы тел выполняется уравнение теплового баланса. Алгебраическая сумма количеств теплоты, отданных и полученных всеми телами, участвующим в теплообмене, равна нулю:
Q1+Q2+…+Qn=0
Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении:
Вы уже знаете, что изменить внутреннюю энергию тела можно передачей ему количества теплоты. Как связано изменение внутренней энергии тела, т. е. количество теплоты, с характеристиками самого тела?
Внутренняя энергия тела есть суммарная энергия всех его частиц. Значит, если массу данного тела увеличить в два или три раза, то и количество теплоты, необходимое для его нагревания на одно и то же число градусов, увеличится в два или три раза. Например, на нагревание двух килограммов воды от 20 °C до 80 °C потребуется в два раза больше теплоты, чем на нагревание одного килограмма воды (рис. 40, а).
Очевидно также, что для нагревания воды на 
Из этих рассуждений следует подтвержденный опытами вывод. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, прямо пропорционально его массе и изменению температуры.
А зависит ли количество теплоты, идущее на нагревание, от рода вещества, которое нагревается?
Для ответа на этот вопрос проведем опыт. В два одинаковых стакана нальем по 150 г подсолнечного масла и воды. Поместим в них термометры и поставим на нагреватель (рис. 41).
Получив за одинаковое время от нагревателя равное с водой количество теплоты, масло нагрелось больше, чем вода. Значит, для изменения температуры масла на одну и ту же величину требуется меньше теплоты, чем для изменения температуры такой же массы воды.
Поэтому для всех веществ вводят специальную величину — удельную теплоемкость вещества. Эту величину обозначают буквой с (от лат. capacite — емкость, вместимость). Теперь мы можем записать строгую формулу для количества теплоты, необходимого для нагревания:
Выразим из этой формулы с:
Удельная теплоемкость есть физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °C. Удельная теплоемкость измеряется в джоулях на килограмм-градус Цельсия 
Для любознательных:
Часто формулу 
записывают в виде 
Здесь величина 
называется теплоемкостью тела (обратите внимание — не вещества). Она численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания всей массы тела на 1 °C. Измеряется теплоемкость тела в джоулях на градус Цельсия 
В таблице 1 представлены значения удельной теплоемкости различных веществ (в различных состояниях). Как следует из этой таблицы, среди жидкостей максимальное значение удельной теплоемкости имеет вода: для нагревания 1 кг воды на 1 °C требуется 4200 Дж теплоты — это почти в 2,5 раза больше, чем для нагревания 1 кг подсолнечного масла, и в 35 раз больше, чем для нагревания 1 кг ртути.
Формула 
дает возможность найти и выделяемую при охлаждении тела теплоту. Так как конечная температура 
остывшего тела меньше начальной 
то изменение температуры оказывается отрицательным числом. Значит, и выделяемое телом количество теплоты выражается отрицательным числом, что обозначает не рост, а убыль внутренней энергии тела.
В заключение заметим, что при теплообмене двух или нескольких тел абсолютное значение количества теплоты, которое отдано более нагретым телом (телами), равно количеству теплоты, которое получено более холодным телом (телами):
Это равенство называется уравнением теплового баланса и выражает, по сути, закон сохранения энергии. Оно справедливо при отсутствии потерь теплоты.
Таблица 1. Удельная теплоемкость некоторых веществ
Главные выводы:
- Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (выделившееся при охлаждении), прямо пропорционально его массе, изменению температуры тела и зависит от вещества тела.
- Удельная теплоемкость вещества численно равна количеству теплоты, которое надо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °C.
- При теплообмене количество теплоты, отданное более горячим телом, равно по модулю количеству теплоты, полученному более холодным телом, если нет потерь теплоты.
- Заказать решение задач по физике
Пример решения задачи:
Для купания ребенка в ванночку влили холодную воду массой 
= 20 кг при температуре 
= 12 °C. Какую массу горячей воды при температуре 
= 80 °C нужно добавить в ванночку, чтобы окончательная температура воды стала 
= 37 °C? Удельная теплоемкость воды с = 4200 
Дано:
Решение
По закону сохранения энергии 
Отдавала теплоту горячая вода, изменяя свою температуру от 
Холодная вода получила эту теплоту и нагрелась от 
Так как нас интересует только модуль 
то можно записать:
Тогда 
При решении мы пренебрегали потерями теплоты на нагревание ванночки, окружающего воздуха и т. д.
Возможен и другой вариант решения.
Рассчитаем сначала количество теплоты, которое было получено холодной водой:
Полагая, что эта теплота отдана горячей водой, запишем: 
Выразим искомую массу:
Ответ: 
- Удельная теплота сгорания топлива
- Плавление и кристаллизация в физике
- Испарение жидкостей в физике
- Поверхностное натяжение жидкости
- Излучение тепла в физике
- Виды излучений в физике
- Инфракрасные излучения
- Количество теплоты в физике
Задачи на количество теплоты с решениями
Формулы, используемые на уроках «Задачи на количество теплоты,
удельную теплоемкость».
Название величины |
Обозначение |
Единица измерения |
Формула |
Масса |
m |
кг |
|
Температура |
t |
°С |
|
Удельная теплоемкость |
c |
Дж/кг•°С |
|
Количество теплоты |
Q |
Дж |
|
1 г = 0,001 кг; 1 т = 1000 кг; 1 кДж = 1000 Дж; 1 МДж = 1000000 Дж
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача № 1.
В железный котёл массой 5 кг налита вода массой 10 кг. Какое количество теплоты нужно передать котлу с водой для изменения их температуры от 10 до 100 °С?
При решении задачи нужно учесть, что оба тела — и котёл, и вода — будут нагреваться вместе. Между ними происходит теплообмен. Их температуры можно считать одинаковыми, т. е. температура котла и воды изменяется на 100 °С — 10 °С = 90 °С. Но количества теплоты, полученные котлом и водой, не будут одинаковыми. Ведь их массы и удельные теплоёмкости различны.
Задача № 2.
Смешали воду массой 0,8 кг, имеющую температуру 25 °С, и воду при температуре 100 °С массой 0,2 кг. Температуру полученной смеси измерили, и она оказалась равной 40 °С. Вычислите, какое количество теплоты отдала горячая вода при остывании и получила холодная вода при нагревании. Сравните эти количества теплоты.
Задача № 3.
Стальная деталь массой 3 кг нагрелась от 25 до 45 °С. Какое количество теплоты было израсходовано?
Задача № 4.
В сосуде содержится 3 л воды при температуре 20 °С. Сколько воды при температуре 45 °С надо добавить в сосуд, чтобы в нём установилась температура 30 °С? Необходимый свободный объём в сосуде имеется. Теплообменом с окружающей средой пренебречь
Задача № 5.
На сколько градусов изменилась температура чугунной детали массой 12 кг, если при остывании она отдала 648000 Дж теплоты?
Задача № 6.
По графику определите удельную теплоёмкость образца, если его масса 50 г.
Задача № 7.
Для нагревания медного бруска массой 3 кг от 20 до 30 °С потребовалось 12000 Дж теплоты. Какова удельная теплоемкость меди?
Задача № 8.
Нагретый камень массой 5 кг, охлаждаясь в воде на 1 °С, передает ей 2,1 кДж энергии. Чему равна удельная теплоемкость камня?
Задача № 9.
Какое количество теплоты потребуется для нагревания на 1 °С воды объемом 0,5 л; олова массой 500 г; серебра объемом 2 см3; стали объемом 0,5 м3; латуни массой 0,2 т?
Задача № 10.
Какое количество теплоты получили алюминиевая кастрюля массой 200 г и находящаяся в ней вода объемом 1,5 л при нагревании от 20 °С до кипения при температуре 100 °С?
Задача № 11.
а) Воздух, заполняющий объем 0,5 л в цилиндре с легким поршнем, нагрели от 0 до 30 °С при постоянном атмосферном давлении. Какое количество теплоты получил воздух?
б) В порожнем закрытом металлическом баке вместимостью 60 м3 под действием солнечного излучения воздух нагрелся от 0 до 20 °С. Как и на сколько изменилась внутренняя энергия воздуха в баке? (Удельная теплоемкость воздуха при постоянном объеме равна 720 Дж/кг-°С.)
Задача № 12.
ОГЭ
Металлический цилиндр массой m = 60 г нагрели в кипятке до температуры t = 100 °С и опустили в воду, масса которой mв = 300 г, а температура tв = 24 °С. Температура воды и цилиндра стала равной Θ = 27 °С. Найти удельную теплоёмкость металла, из которого изготовлен цилиндр. Удельная теплоёмкость воды св = 4200 Дж/(кг К).
Задача № 13.
В теплоизолированном сосуде сначала смешивают три порции воды 100 г, 200 г и 300 г с начальными температурами 20 °C, 70 °C и 50 °C соответственно. После установления теплового равновесия в сосуд добавляют новую порцию воды массой 400 г при температуре 20 °C. Определите конечную температуру в сосуде. Ответ дайте в °C, округлив до целого числа. Теплоёмкостью калориметра пренебрегите.
Решение.
Ответ: 39 °С.
Задача № 14. (повышенной сложности)
Стальной шарик радиусом 5 см, нагретый до температуры 500 ˚С, положили на лед, температура которого 0 ˚С. На какую глубину погрузится шарик в лед? (Считать, что шарик погрузился в лед полностью. Теплопроводностью шарика и нагреванием воды пренебречь.)
Дано: R = 0,05 м; t1 = 500 ˚С; t2 = 0 ˚С;
ρ1 (плотность стали) = 7800 кг/м3.;
ρ2 (плотность льда) = 900 кг/м3.
c (удельная теплоемкость стали) = 460 Дж/кг •˚С,
λ (удельная теплота плавления льда) = 3,3 • 105 Дж/кг,
Найти: h – ?
Краткая теория для решения Задачи на количество теплоты.
Конспект урока «Задачи на количество теплоты».
Посмотреть конспект урока по теме «Количество теплоты. Удельная теплоемкость»
Следующая тема: «ЗАДАЧИ на сгорание топлива с решениями».
Внутренняя энергия тела — это не постоянная величина. Она может изменяться двумя способами: путем совершения работы и путем теплопередачи. Работа может совершаться как над телом, так и самим телом. В первом случае это будет приводить к увеличению внутренней энергии, а во втором — к ее уменьшению.
Без совершения работы работы изменить внутреннюю энергию тела можно путем теплопередачи. В этом случае переход энергии от одних тел к другим может осуществляться теплопроводностью, конвекцией или излучением. Здесь у нас появляется новое определение — количество теплоты. С помощью него мы сможем говорить о количестве этой переданной энергии.
Количество теплоты — это энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче.
Чтобы научиться в дальнейшем вычислять количество теплоты, нам нужно установить зависимость от других единиц. Этим мы с вами и займемся на данном уроке.
Зависимость количества теплоты от массы тела
Проведем опыт. У нас есть две одинаковых горелки и два одинаковых сосуда. В один сосуд мы нальем $1 space кг$ воды, а в другой — $2 space кг$ воды (рисунок 1). Начальная температуры воды в двух сосудах одинакова.
Начнем нагревать воду в сосудах. Через какое-то время (например, 3 минуты) мы увидим, что вода в сосудах нагрелась неодинаково. Измерим температуру термометром. Получим, что во втором сосуде вода нагрелась на меньшее количество градусов, чем в первом. При этом оба сосуда получали равное количество теплоты.
Значит, количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела, зависит от его массы.
Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты необходимо затратить, чтобы изменить его температуру на одно и то же число градусов.
Если мы рассмотрим обратный процесс — охлаждение, то увидим такую же зависимость. При остывании тело передает окружающим предметам тем большее количество теплоты, чем больше его масса.
Зависимость количества теплоты от разности температур
Теперь возьмем два сосуда с водой одинаковой массы. Но в одном сосуде вода будет иметь комнатную температуру, а во втором — уже подогрета. Опустим термометры в оба сосуда и начнем нагревать воду до $100 degree C$ (рисунок 2).
Через некоторое время, мы увидим, что вода во втором (заранее подогретом) сосуде достигла заданной температуры быстрее.
Значит, количество теплоты, переданное первому сосуду с водой, меньше, чем второму.
Те же наблюдения мы можем провести, нагревая воду в обычном чайнике. Чтобы просто подогреть воду, нам потребует меньше времени, чем для закипания воды в чайнике. В первом случае будет передано меньшее количество теплоты, чем во втором.
Итак, мы можем сказать, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от того, на сколько градусов нагревается тело.
Т.е.,
Количество теплоты зависит от разности температур тела.
Зависимость количества теплоты от рода вещества
А что будет, если мы будем сравнивать количество теплоты, затраченное на нагревание разных веществ? До этого в наших опытах мы нагревали одинаковую воду в двух сосудах. Давайте проверим.
В первый сосуд нальем воду массой $1 space кг$, а во второй — керосин массой $1 space кг$. Горелки, на которых будем нагревать сосуды, одинаковые. Начальные температуры воды и керосина тоже одинаковы. Начнем нагревать эти сосуды (рисунок 3).
Через какое-то время (возьмем 3 минуты) зафиксируем температуры веществ в обоих сосудах. Окажется, что керосин будет иметь более высокую температуру, чем вода. При этом отметим, что обе жидкости получили равное количество теплоты.
Значит, для нагревания двух разных веществ до одной и той же температуры требуется разное количество теплоты. В нашем случае для нагрева керосина потребуется меньшее количество теплоты, чем для воды.
Следовательно,
Необходимое количество теплоты для нагревания тела зависит от того, из какого вещества оно состоит, т.е. от рода вещества.
Количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела (или выделяемое при остывании) зависит от массы этого тела, от изменения его температуры и рода вещества.
Единицы количества теплоты
Количество теплоты обозначается буквой $Q$.
Т.к. количество теплоты — это очередной вид энергии, измеряется оно так же в джоулях ($Дж$), килоджоулях ($кДж$) и мегаджоулях ($МДж$):
$1 space кДж = 1 000 space Дж$,
$1 space МДж = 1 000 000$,
$1 space Дж = 0.001 space кДж$,
$1 space МДж = 0.000001 space Дж$.
В ходе истории количество теплоты начали измерять задолго до появления понятия энергии в физике. Поэтому существует еще одна единица измерения количества теплоты — калория (кал) или килокалория (ккал). Слово происходит от латинского калор — тепло, жар.
Дадим определение этой единице.
Калория — это количество теплоты, которое необходимо для нагревания $1 space г$ воды на $1 degree C$.
$1 space ккал = 1 000 space кал$.
$1 space кал = 4.19 space Дж approx 4.2 space Дж$,
$1 space ккал = 4 190 space Дж approx 4 200 space Дж approx 4.2 space кДж$.
$1 space Дж = 0.239 space кал approx 0.24 space кал$,
$1 space Дж = 0.000239 space ккал approx 0.00024 space ккал$.
