Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Головко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 34. Теплові процеси та їхні характеристики. Рівняння теплового балансу

  • Кількість теплоти
  • Рівняння теплового балансу

КІЛЬКІСТЬ ТЕПЛОТИ. Щоб обчислити зміну внутрішньої енергії в процесі теплообміну, вводять поняття кількості теплоти.

Кількість теплоти (Q) — фізична величина, яка показує скільки енергії, передано в процесі теплообміну від одного макроскопічного тіла до іншого без виконання роботи.

Одиниця кількості теплоти — джоуль, [Q] = 1 Дж.

Кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання тіла і яка виділяється внаслідок охолодження тіла, розраховується за формулою: Q = cmΔT, де с — питома теплоємність речовини; m — маса тіла; ΔT — зміна температури тіла.

Питома теплоємність (с) — фізична величина, яка чисельно дорівнює кількості теплоти, отриманій або відданій 1 кг речовини при зміні її температури на 1 К (або 1 °С).

У багатьох випадках для вивчення процесів теплообміну зручно користуватися такою величиною, як теплоємність.

Теплоємність — фізична величина, яка визначається кількістю теплоти, яку потрібно надати тілу для підвищення його температури на один Кельвін (або один градус Цельсія).

Q = CΔT; С = cm.

Кількість теплоти, яка поглинається під час плавлення або виділяється під час кристалізації твердого тіла, взятого при температурі плавлення (кристалізації), визначається за формулою:

Q = λm,

де λ — питома теплота плавлення; m — маса тіла.

Нагадаємо, що кристалічні тіла починають плавитись при фіксованому значенні температури (температурі плавлення), яка залишається незміною у процесі плавлення. Температура плавлення кристалічної речовини дорівнює температурі її кристалізації.

Кількість теплоти, необхідна для випаровування або яка виділяється при конденсації речовини, взятої при температурі пароутворення (кипіння), визначається за формулою:

Q = rm,

де r — питома теплота пароутворення.

Температура кипіння рідини дорівнює температурі конденсації. Нагадаємо, що в процесі кипіння (конденсації) рідини її температура лишається сталою.

Кількість теплоти, яка виділяється під час згорання палива, визначається за формулою:

Q = qm,

де q — питома теплота згорання палива.

Величина η, яка характеризує ефективність нагрівника, називається коефіцієнтом корисної дії (ККД). ККД нагрівника показує, яку частину загальної кількості теплоти, виділеної нагрівником Qзаг, становить корисно використана теплота Qкop:

РІВНЯННЯ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСУ. Оскільки при чистому теплообміні жодних інших видів змін внутрішньої енергії немає, то на підставі закону збереження енергії можна стверджувати, що в теплоізольованій системі за відсутності втрат енергії скільки теплоти віддадуть одні тіла, стільки ж набудуть інші. На цій підставі складають рівняння теплового балансу.

Рівняння теплового балансу описує теплообмін у замкнутій системі: ΣQотр = ΣQвідд,

де ΣQотр — сумарна кількість теплоти, отримана тілами під час теплообміну; ΣQвід — сумарна кількість теплоти, віддана тілами під час теплообміну.

Теплообмін відбувається доти, доки температури тіл не зрівняються — настане теплова рівновага.

Загальну температуру після теплообміну прийнято позначати θ (грец. «тета»).

Задача. В алюмінієвий калориметр масою 300 г поклали шматок льоду. Температура калориметра і льоду -15 °С. Через калориметр пропустили певну кількість водяної пари при температурі 100 °С. Після цього температура суміші в калориметрі стала 25 °С, а її маса 500 г. Визначте масу льоду в калориметрі та масу конденсованої пари.

Головне в цьому параграфі

Кількість теплоти (Q) — фізична величина, яка показує, скільки енергії передано в процесі теплообміну від одного макроскопічного тіла до іншого без виконання роботи.

Рівняння теплового балансу описує теплообмін у замкнутій системі:

ΣQотр = ΣQвід,

де ΣQотр — сумарна кількість теплоти, одержана тілом при теплообміні; ΣQвід — сумарна кількість теплоти, віддана тілом при теплообміні.

Запитання для самоперевірки

  • 1. Що таке кількість теплоти? До якого способу зміни внутрішньої енергії відносять цю назву?
  • 2. Що показує питома теплоємність речовини?
  • 3. Від чого залежить кількість теплоти, передана тілу під час нагрівання? Напишіть формулу для обчислення кількості теплоти.
  • 4. Від чого залежить кількість теплоти, яка потрібна для випаровування рідини або яка виділяється під час конденсації пари?

Вправа до § 34

  • 1(д). Температура залізного котла масою 10 кг, в який налито 20 кг води, становить 10 °С. Яку кількість теплоти потрібно надати котлу з водою, щоб нагріти їх до температури 100 °С?
  • 2(д). Якою стане температура води, якщо змішати 100 г окропу і 100 г води, температура якої дорівнює 20 °С?
  • 3(д). Яка маса льоду, взятого при 0 °С, розплавиться, якщо йому передати таку кількість теплоти, що виділяється під час конденсації 8 кг водяної пари при 100 °С і нормальному атмосферному тиску?
  • 4(в). У калориметр, теплоємність якого дорівнює 63 Дж/°С, налили 250 г олії при температурі 12 °С. Після того, як в олію вкинули мідне тіло масою 500 г і температурою 100 °С, у калориметрі встановилася температура 33 °С. Визначте за даними досліду питому теплоємність масла.
  • 5(в). Скільки енергії виділилось під час горіння спирту, якщо за рахунок цієї енергії вода масою 100 г нагрілась від 30 до 80 °С, а теплота, витрачена на нагрівання води, становить 20% тієї теплоти, що виділилась?