Proces přenosu energie z jednoho těla do druhého bez vykonávání práce se nazývá výměna tepla nebo přenos tepla. Mezi tělesy s různou teplotou dochází k výměně tepla. Při navázání kontaktu mezi tělesy s různou teplotou se část vnitřní energie přenese z tělesa s vyšší teplotou na těleso s teplotou nižší. Energie předaná tělesu v důsledku výměny tepla se nazývá množství tepla.
Měrná tepelná kapacita látky:
Pokud proces přenosu tepla není doprovázen prací, pak se na základě prvního termodynamického zákona množství tepla rovná změně vnitřní energie tělesa: .
Průměrná energie náhodného translačního pohybu molekul je úměrná absolutní teplotě. Změna vnitřní energie tělesa se rovná algebraickému součtu změn energie všech atomů nebo molekul, jejichž počet je úměrný hmotnosti tělesa, proto změna vnitřní energie, a tedy, množství tepla je úměrné hmotnosti a změně teploty:
Faktor úměrnosti v této rovnici se nazývá měrná tepelná kapacita látky. Měrná tepelná kapacita ukazuje, kolik tepla je potřeba k ohřátí 1 kg látky o 1 K.
Práce v termodynamice:
V mechanice je práce definována jako součin modulů síly a posunutí a kosinus úhlu mezi nimi. Práce je vykonána, když síla působí na pohybující se těleso a rovná se změně jeho kinetické energie.
V termodynamice se neuvažuje o pohybu tělesa jako celku, mluvíme o pohybu částí makroskopického tělesa vůči sobě. V důsledku toho se objem tělesa mění, ale jeho rychlost zůstává rovna nule. Práce v termodynamice je definována stejně jako v mechanice, ale rovná se změně nikoli kinetické energie tělesa, ale jeho vnitřní energie.
Při vykonávání práce (komprese nebo expanze) se vnitřní energie plynu mění. Důvodem je: při pružných srážkách molekul plynu s pohybujícím se pístem se mění jejich kinetická energie.
Vypočítejme práci, kterou vykoná plyn při expanzi. Plyn působí silou na píst 
, Kde 
- tlak plynu a 
- povrchová plocha 
píst Při expanzi plynu se píst pohybuje ve směru síly 
krátká vzdálenost 
. Pokud je vzdálenost malá, pak lze tlak plynu považovat za konstantní. Práce plynu je:
Kde 
- změna objemu plynu.
V procesu expanze plynu vykonává pozitivní práci, protože směr síly a posunutí se shodují. Během procesu expanze uvolňuje plyn energii okolním tělesům.
Práce konaná vnějšími tělesy na plynu se od práce konané plynem liší pouze znaménkem 
, protože síla 
působící na plyn je opačný než síla 
, se kterým plyn působí na píst a je mu rovna v modulu (třetí Newtonův zákon); a pohyb zůstává stejný. Práce vnějších sil se tedy rovná:
.
První termodynamický zákon:
První termodynamický zákon je zákon zachování energie, rozšířený na tepelné jevy. Zákon zachování energie: Energie v přírodě nevzniká z ničeho a nezaniká: množství energie se nemění, pouze přechází z jedné formy do druhé.
Termodynamika uvažuje tělesa, jejichž těžiště zůstává prakticky nezměněno. Mechanická energie takových těles zůstává konstantní a měnit se může pouze vnitřní energie.
Vnitřní energie se může měnit dvěma způsoby: přenosem tepla a prací. V obecném případě se vnitřní energie mění jak v důsledku přenosu tepla, tak v důsledku vykonané práce. První termodynamický zákon je formulován právě pro takové obecné případy:
Změna vnitřní energie systému při jeho přechodu z jednoho stavu do druhého se rovná součtu práce vnějších sil a množství tepla přeneseného do systému:
Pokud je systém izolovaný, pak se na něm nepracuje a nevyměňuje si teplo s okolními tělesy. Podle prvního zákona termodynamiky vnitřní energie izolovaného systému zůstává nezměněna.
Vezmeme-li v úvahu, že 
První termodynamický zákon lze napsat takto:
Množství tepla přeneseného do systému mění jeho vnitřní energii a vykonává práci na vnějších tělesech systémem.
Druhý termodynamický zákon: Je nemožné přenést teplo z chladnějšího systému do teplejšího bez dalších současných změn v obou systémech nebo v okolních tělesech.
Tepelná kapacita- to je množství tepla absorbovaného tělem při zahřátí o 1 stupeň.
Tepelná kapacita tělesa je označena velkým latinským písmenem S.
Na čem závisí tepelná kapacita tělesa? Především z její hmoty. Je jasné, že ohřátí např. 1 kilogramu vody bude vyžadovat více tepla než ohřátí 200 gramů.
A co druh látky? Udělejme experiment. Vezmeme dvě identické nádoby a po nalití vody o hmotnosti 400 g do jedné z nich a rostlinného oleje o hmotnosti 400 g do druhé je začneme ohřívat pomocí stejných hořáků. Pozorováním údajů teploměru uvidíme, že se olej rychle zahřeje. Aby se voda a olej ohřály na stejnou teplotu, musí se voda ohřívat déle. Čím déle ale vodu ohříváme, tím více tepla dostává od hořáku.
K zahřátí stejné hmoty různých látek na stejnou teplotu je tedy zapotřebí různé množství tepla. Množství tepla potřebné k zahřátí tělesa a tedy i jeho tepelná kapacita závisí na druhu látky, ze které se těleso skládá.
Takže například ke zvýšení teploty vody o hmotnosti 1 kg o 1 °C je potřeba množství tepla rovné 4200 J a k zahřátí stejné hmotnosti slunečnicového oleje o 1 °C množství tepla rovné Je potřeba 1700 J.
Fyzikální veličina udávající, kolik tepla je potřeba k ohřátí 1 kg látky o 1 ºС specifická tepelná kapacita této látky.
Každá látka má svou specifickou tepelnou kapacitu, která se označuje latinským písmenem c a měří se v joulech na kilogram stupně (J/(kg °C)).
Měrná tepelná kapacita téže látky v různých stavech agregace (pevné, kapalné a plynné) je různá. Například měrná tepelná kapacita vody je 4200 J/(kg °C) a měrná tepelná kapacita ledu je 2100 J/(kg °C); hliník v pevném stavu má měrnou tepelnou kapacitu 920 J/(kg - °C), v kapalném stavu - 1080 J/(kg - °C).
Všimněte si, že voda má velmi vysokou specifickou tepelnou kapacitu. Voda v mořích a oceánech, která se v létě zahřívá, proto absorbuje velké množství tepla ze vzduchu. Díky tomu v místech, která se nacházejí v blízkosti velkých vodních ploch, není léto tak horké jako v místech daleko od vody.
Výpočet množství tepla potřebného k zahřátí tělesa nebo jím uvolněného při ochlazování.
Z výše uvedeného je zřejmé, že množství tepla potřebné k zahřátí tělesa závisí na druhu látky, ze které se těleso skládá (tedy na jeho měrné tepelné kapacitě) a na hmotnosti tělesa. Je také jasné, že množství tepla závisí na tom, o kolik stupňů se chystáme zvýšit tělesnou teplotu.
Chcete-li tedy určit množství tepla potřebného k zahřátí tělesa nebo tělesa uvolněného během chlazení, musíte vynásobit měrnou tepelnou kapacitu tělesa jeho hmotností a rozdílem mezi jeho konečnou a počáteční teplotou:
Q= cm (t 2 - t 1),
Kde Q- množství tepla, C- specifická tepelná kapacita, m- tělesná hmotnost, t 1- počáteční teplota, t 2- konečná teplota.
Když se tělo zahřeje t 2> t 1 a proto Q >0 . Když se tělo ochladí t 2i< t 1 a proto Q< 0 .
Pokud je známa tepelná kapacita celého těla S, Q určeno vzorcem: Q = C (t2 - t 1).
22) Tavení: definice, výpočet množství tepla pro tavení nebo tuhnutí, měrné skupenské teplo tání, graf t 0 (Q).
Termodynamika
Obor molekulární fyziky, který studuje přenos energie, vzorce přeměny jednoho typu energie na jiný. Na rozdíl od molekulární kinetické teorie termodynamika nebere v úvahu vnitřní strukturu látek a mikroparametry.
Termodynamický systém
Je to soubor těles, která si vyměňují energii (ve formě práce nebo tepla) mezi sebou nebo s okolím. Voda v konvici se například ochlazuje a dochází k výměně tepla mezi vodou a konvicí a teplo konvice s okolím. Válec s plynem pod pístem: píst koná práci, v důsledku čehož plyn přijímá energii a mění se jeho makroparametry.
Množství tepla
Tento energie, které systém přijímá nebo uvolňuje během procesu výměny tepla. Označuje se symbolem Q a měří se jako každá energie v joulech.
V důsledku různých procesů výměny tepla je přenášená energie určena svým vlastním způsobem.
Vytápění a chlazení
Tento proces je charakterizován změnou teploty systému. Množství tepla je určeno vzorcem
Měrná tepelná kapacita látky s měřeno množstvím tepla potřebného k zahřátí jednotky hmotnosti této látky o 1K. Ohřev 1 kg skla nebo 1 kg vody vyžaduje různé množství energie. Měrná tepelná kapacita je známá veličina, již vypočtená pro všechny látky viz hodnota ve fyzikálních tabulkách.
Tepelná kapacita látky C- to je množství tepla, které je nutné k zahřátí tělesa bez zohlednění jeho hmotnosti o 1K.
Tání a krystalizace
Tání je přechod látky z pevného do kapalného stavu. Reverzní přechod se nazývá krystalizace.
Energie, která je vynaložena na destrukci krystalové mřížky látky, je určena vzorcem
Měrné teplo tání je známá hodnota pro každou látku viz hodnota ve fyzikálních tabulkách.
Odpařování (odpařování nebo var) a kondenzace
Vaporizace je přechod látky z kapalného (pevného) skupenství do plynného skupenství. Opačný proces se nazývá kondenzace.
Měrné výparné teplo je známá hodnota pro každou látku viz hodnota ve fyzikálních tabulkách.
Spalování
Množství tepla uvolněného při hoření látky
Měrné spalné teplo je známá hodnota pro každou látku viz hodnota ve fyzikálních tabulkách.
Pro uzavřenou a adiabaticky izolovanou soustavu těles je splněna rovnice tepelné bilance. Algebraický součet množství tepla odevzdaného a přijatého všemi tělesy účastnícími se výměny tepla je roven nule:
Q1+Q2 +...+Qn=0
23) Struktura kapalin. Povrchová vrstva. Síla povrchového napětí: příklady projevu, výpočet, koeficient povrchového napětí.
Čas od času se může jakákoli molekula přesunout na blízké volné místo. K takovým skokům v kapalinách dochází poměrně často; proto molekuly nejsou vázány na konkrétní centra, jako v krystalech, a mohou se pohybovat v celém objemu kapaliny. To vysvětluje tekutost kapalin. Díky silné interakci mezi těsně umístěnými molekulami mohou vytvářet lokální (nestabilní) uspořádané skupiny obsahující několik molekul. Tento jev se nazývá uzavřít objednávku(obr. 3.5.1).
Koeficient β se nazývá teplotní koeficient objemové roztažnosti . Tento koeficient pro kapaliny je desítkykrát větší než pro pevné látky. Pro vodu např. při teplotě 20 °C β v ≈ 2 10 – 4 K – 1, pro ocel β st ≈ 3,6 10 – 5 K – 1, pro křemenné sklo β kv ≈ 9 10 – 6 K - 1 .
Tepelná roztažnost vody má pro život na Zemi zajímavou a důležitou anomálii. Při teplotách pod 4 °C se voda s klesající teplotou rozpíná (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Když voda zamrzne, roztáhne se, takže led zůstane plavat na hladině zamrzající vodní plochy. Teplota mrznoucí vody pod ledem je 0 °C. V hustších vrstvách vody na dně nádrže je teplota asi 4 °C. Díky tomu může ve vodě mrazivých nádrží existovat život.
Nejzajímavější vlastností kapalin je přítomnost volný povrch . Kapalina na rozdíl od plynů nevyplňuje celý objem nádoby, do které se nalévá. Mezi kapalinou a plynem (nebo párou) je vytvořeno rozhraní, které je ve srovnání se zbytkem kapaliny ve zvláštních podmínkách. Je třeba mít na paměti, že vzhledem k extrémně nízké stlačitelnosti je přítomnost hustěji usazené povrchové vrstvy nevede k žádné znatelné změně objemu kapaliny. Pokud se molekula přesune z povrchu do kapaliny, síly mezimolekulární interakce vykonají pozitivní práci. Naopak, aby bylo možné vytáhnout určitý počet molekul z hloubky kapaliny na povrch (tj. zvětšit povrch kapaliny), musí vnější síly vykonat kladnou práci Δ A vnější, úměrná změně Δ S plocha povrchu:
Z mechaniky je známo, že rovnovážné stavy systému odpovídají minimální hodnotě jeho potenciální energie. Z toho vyplývá, že volný povrch kapaliny má tendenci zmenšovat svou plochu. Z tohoto důvodu má volná kapka kapaliny kulovitý tvar. Kapalina se chová tak, jako by síly působící tečně k jejímu povrchu tento povrch stahovaly (tahaly). Tyto síly se nazývají síly povrchového napětí .
Přítomnost sil povrchového napětí způsobuje, že povrch kapaliny vypadá jako elastický natažený film, pouze s tím rozdílem, že elastické síly ve filmu závisí na jeho povrchu (tj. na tom, jak je film deformován), a na povrchovém napětí. síly nezávisí na povrchu kapaliny.
Některé kapaliny, jako je mýdlová voda, mají schopnost vytvářet tenké filmy. Známé mýdlové bubliny mají pravidelný kulovitý tvar – to ukazuje i vliv sil povrchového napětí. Pokud se drátěný rám, jehož jedna strana je pohyblivá, spustí do mýdlového roztoku, pak se celý rám pokryje filmem kapaliny (obr. 3.5.3).
Síly povrchového napětí mají tendenci zmenšovat povrch fólie. Pro vyvážení pohyblivé strany rámu na ni musí působit vnější síla Pokud se pod vlivem síly příčka posune o Δ X, pak bude provedena práce Δ A vn = F vn Δ X = Δ E p = σΔ S, kde Δ S = 2LΔ X– přírůstek na povrchu obou stran mýdlového filmu. Protože moduly sil a jsou stejné, můžeme napsat:
|
Koeficient povrchového napětí σ lze tedy definovat jako modul síly povrchového napětí působící na jednotku délky čáry ohraničující povrch.
Působením sil povrchového napětí v kapkách kapaliny a uvnitř mýdlových bublin vzniká přetlak Δ p. Pokud mentálně uříznete sférický pokles poloměru R na dvě poloviny, pak každá z nich musí být v rovnováze působením sil povrchového napětí působících na hranici řezu délky 2π R a přetlakové síly působící na plochu π R 2 sekce (obr. 3.5.4). Podmínka rovnováhy se zapisuje jako
Pokud jsou tyto síly větší než síly vzájemného působení mezi molekulami samotné kapaliny, pak kapaliny mokry povrch pevné látky. V tomto případě se kapalina přibližuje k povrchu pevné látky pod určitým ostrým úhlem θ, charakteristickým pro daný pár kapalina-pevná látka. Úhel θ se nazývá kontaktní úhel . Pokud síly interakce mezi molekulami kapaliny převyšují síly jejich interakce s molekulami pevné látky, pak se kontaktní úhel θ ukáže jako tupý (obr. 3.5.5). V tomto případě říkají, že kapalina nesmáčí povrch pevné látky. Na úplné zvlhčeníθ = 0, at úplné nesmáčení 6 = 180°.
Kapilární jevy nazývá se vzestup nebo pokles kapaliny v trubkách malého průměru - kapiláry. Smáčecí kapaliny stoupají kapilárami, nesmáčivé kapaliny sestupují.
Na Obr. 3.5.6 ukazuje kapiláru o určitém poloměru r, spuštěný na spodním konci do smáčecí kapaliny o hustotě ρ. Horní konec kapiláry je otevřený. Vzestup kapaliny v kapiláře pokračuje, dokud gravitační síla působící na sloupec kapaliny v kapiláře nebude mít stejnou velikost jako výslednice F n Síly povrchového napětí působící podél hranice kontaktu kapaliny s povrchem kapiláry: F t = F n, kde F t = mg = ρ hπ r 2 G, F n = σ2π r cos θ.
Z toho vyplývá:
Při úplném nesmáčení θ = 180° je cos θ = –1, a proto h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Voda téměř úplně smáčí čistý skleněný povrch. Naopak rtuť zcela nesmáčí povrch skla. Hladina rtuti ve skleněné kapiláře proto klesá pod hladinu v nádobě.
24) Vaporizace: definice, druhy (odpařování, var), výpočet množství tepla pro vypařování a kondenzaci, měrné teplo vypařování.
Odpařování a kondenzace. Vysvětlení jevu vypařování na základě představ o molekulární struktuře hmoty. Měrné výparné teplo. Její jednotky.
Jev přeměny kapaliny na páru se nazývá vypařování.
Vypařování - proces odpařování probíhající z otevřeného povrchu.
Molekuly kapaliny se pohybují různými rychlostmi. Pokud nějaká molekula skončí na povrchu kapaliny, může překonat přitažlivost sousedních molekul a vyletět z kapaliny. Vyvržené molekuly tvoří páru. Zbývající molekuly kapaliny při srážce mění rychlost. Některé molekuly přitom získávají rychlost dostatečnou k vylétnutí z kapaliny. Tento proces pokračuje, takže se kapaliny pomalu odpařují.
*Rychlost odpařování závisí na typu kapaliny. Ty kapaliny, jejichž molekuly jsou přitahovány menší silou, se odpařují rychleji.
* K odpařování může dojít při jakékoli teplotě. Ale při vysokých teplotách dochází k odpařování rychleji .
*Rychlost odpařování závisí na jeho povrchu.
*Při větru (proudění vzduchu) dochází k rychlejšímu odpařování.
Při vypařování se vnitřní energie snižuje, protože Během odpařování kapalina opouští rychlé molekuly, proto se průměrná rychlost zbývajících molekul snižuje. To znamená, že pokud nedochází k přílivu energie zvenčí, pak teplota kapaliny klesá.
Jev přeměny páry v kapalinu se nazývá kondenzace.
Je doprovázena uvolňováním energie.
Kondenzace páry vysvětluje vznik mraků. Vodní pára stoupající nad zemí tvoří v horních studených vrstvách vzduchu mraky, které se skládají z drobných kapiček vody.
Měrné výparné teplo - fyzický hodnota ukazující, kolik tepla je potřeba k přeměně kapaliny o hmotnosti 1 kg na páru beze změny teploty.
Ud. výparné teplo označeno písmenem L a měřeno v J/kg
Ud. výparné teplo vody: L=2,3×106 J/kg, alkohol L=0,9×106
Množství tepla potřebné k přeměně kapaliny na páru: Q = Lm
« Fyzika - 10. třída"
V jakých procesech dochází k agregátním přeměnám hmoty?
Jak můžete změnit stav agregace látky?
Vnitřní energii jakéhokoli tělesa můžete měnit vykonáváním práce, zahříváním nebo naopak ochlazováním.
Takže při kování kovu se pracuje a zahřívá se, zároveň se kov může zahřívat nad hořícím plamenem.
Rovněž pokud je píst pevný (obr. 13.5), pak se objem plynu při zahřátí nemění a nepracuje se. Ale teplota plynu a tím i jeho vnitřní energie se zvyšuje.
Vnitřní energie se může zvyšovat a snižovat, takže množství tepla může být kladné nebo záporné.
Proces přenosu energie z jednoho těla do druhého bez vykonávání práce se nazývá výměna tepla.
Kvantitativní míra změny vnitřní energie při přenosu tepla se nazývá množství tepla.
Molekulární obraz přenosu tepla.
Při výměně tepla na hranici mezi tělesy dochází k interakci pomalu se pohybujících molekul studeného tělesa s rychle se pohybujícími molekulami horkého tělesa. V důsledku toho se kinetické energie molekul vyrovnají a rychlost molekul studeného tělesa se zvýší a u horkého tělesa se sníží.
Při výměně tepla nedochází k přeměně energie z jedné formy na druhou;
Množství tepla a tepelná kapacita.
Již víte, že k ohřátí tělesa o hmotnosti m z teploty t 1 na teplotu t 2 je nutné mu předat množství tepla:
Q = cm(t2 - ti) = cm At. (13,5)
Když se těleso ochladí, jeho konečná teplota t 2 se ukáže být nižší než počáteční teplota t 1 a množství tepla vydávaného tělesem je záporné.
Zavolá se koeficient c ve vzorci (13.5). specifická tepelná kapacita látek.
Specifické teplo- jedná se o množství, které se číselně rovná množství tepla, které látka o hmotnosti 1 kg přijme nebo uvolní při změně její teploty o 1 K.
Měrná tepelná kapacita plynů závisí na procesu, kterým dochází k přenosu tepla. Pokud zahřejete plyn při konstantním tlaku, roztáhne se a bude pracovat. K zahřátí plynu o 1 °C při konstantním tlaku je potřeba předat více tepla než k zahřátí při konstantním objemu, kdy se plyn pouze zahřeje.
Kapaliny a pevné látky při zahřívání mírně expandují. Jejich měrné tepelné kapacity se při konstantním objemu a konstantním tlaku liší jen málo.
Měrné výparné teplo.
Aby se kapalina během procesu varu přeměnila na páru, musí jí být přeneseno určité množství tepla. Teplota kapaliny se při varu nemění. Přeměna kapaliny na páru při konstantní teplotě nevede ke zvýšení kinetické energie molekul, ale je doprovázena zvýšením potenciální energie jejich interakce. Průměrná vzdálenost mezi molekulami plynu je totiž mnohem větší než mezi molekulami kapaliny.
Množství, které se číselně rovná množství tepla potřebného k přeměně kapaliny o hmotnosti 1 kg na páru při konstantní teplotě, se nazývá specifické výparné teplo.
Proces odpařování kapaliny nastává při jakékoli teplotě, zatímco nejrychlejší molekuly opouštějí kapalinu a během odpařování se ochlazuje. Měrné skupenské teplo vypařování se rovná měrnému teplu vypařování.
Tato hodnota se označuje písmenem r a vyjadřuje se v joulech na kilogram (J/kg).
Měrné výparné teplo vody je velmi vysoké: r H20 = 2,256 10 6 J/kg při teplotě 100 °C. Pro ostatní kapaliny, například alkohol, éter, rtuť, petrolej, je měrné skupenské teplo vypařování 3-10krát menší než u vody.
K přeměně kapaliny o hmotnosti m na páru je zapotřebí množství tepla rovné:
Q p = rm. (13.6)
Když pára kondenzuje, uvolňuje se stejné množství tepla:
Qk = -rm. (13.7)
Specifické teplo tání.
Když krystalické těleso taje, veškeré teplo, které je mu dodáno, zvyšuje potenciální energii interakce mezi molekulami. Kinetická energie molekul se nemění, protože tání probíhá při konstantní teplotě.
Hodnota, která se číselně rovná množství tepla potřebného k přeměně krystalické látky o hmotnosti 1 kg při teplotě tání na kapalinu, se nazývá specifické teplo tání a jsou označeny písmenem λ.
Při krystalizaci látky o hmotnosti 1 kg se uvolní přesně stejné množství tepla, jaké se absorbuje při tavení.
Měrné teplo tání ledu je poměrně vysoké: 3,34 10 5 J/kg.
„Pokud by led neměl vysoké teplo tání, pak by na jaře celá masa ledu musela během několika minut nebo sekund roztát, protože teplo je nepřetržitě přenášeno do ledu ze vzduchu. Důsledky toho by byly hrozné; vždyť i v současné situaci vznikají velké povodně a silné proudy vody, když tájí velké masy ledu nebo sněhu.“ R. Černý, XVIII století.
K roztavení krystalického tělesa o hmotnosti m je zapotřebí množství tepla rovné:
Qpl = λm. (13.8)
Množství tepla uvolněného během krystalizace tělesa se rovná:
Qcr = -λm (13,9)
Rovnice tepelné bilance.
Uvažujme výměnu tepla v systému sestávajícím z několika těles, která mají zpočátku různé teploty, například výměnu tepla mezi vodou v nádobě a horkou železnou koulí spuštěnou do vody. Podle zákona zachování energie se množství tepla, které jedno těleso vydá, číselně rovná množství tepla přijatého jiným.
Množství odevzdaného tepla je považováno za záporné, množství přijatého tepla za kladné. Proto je celkové množství tepla Q1 + Q2 = 0.
Pokud dojde k výměně tepla mezi několika tělesy v izolované soustavě, pak
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13,10)
Je volána rovnice (13.10). rovnice tepelné bilance.
Zde Q 1 Q 2, Q 3 jsou množství tepla přijatého nebo vydaného tělesy. Tato množství tepla jsou vyjádřena vzorcem (13.5) nebo vzorcem (13.6)-(13.9), pokud během procesu výměny tepla dochází k různým fázovým přeměnám látky (tavení, krystalizace, odpařování, kondenzace).
Vnitřní energie tělesa se při výkonu práce nebo přenosu tepla mění. Při jevu přenosu tepla se vnitřní energie přenáší vedením, prouděním nebo sáláním.
Každé těleso při zahřívání nebo ochlazování (přenosem tepla) získává nebo ztrácí určité množství energie. Na základě toho je zvykem toto množství energie nazývat množstvím tepla.
Tak, množství tepla je energie, kterou tělo dává nebo přijímá během procesu přenosu tepla.
Kolik tepla je potřeba k ohřevu vody? Na jednoduchém příkladu můžete pochopit, že ohřev různých množství vody bude vyžadovat různé množství tepla. Řekněme, že vezmeme dvě zkumavky s 1 litrem vody a 2 litry vody. V jakém případě bude potřeba více tepla? Ve druhé, kde jsou ve zkumavce 2 litry vody. Druhá zkumavka se zahřeje déle, pokud je zahřejeme stejným zdrojem ohně.
Množství tepla tedy závisí na tělesné hmotnosti. Čím větší je hmotnost, tím větší je množství tepla potřebného k ohřevu a tím déle trvá ochlazení těla.
Na čem dalším závisí množství tepla? Přirozeně z rozdílu tělesných teplot. Ale to není vše. Pokud se totiž pokusíme ohřát vodu nebo mléko, budeme potřebovat různou dobu. To znamená, že se ukazuje, že množství tepla závisí na látce, ze které se tělo skládá.
V důsledku toho se ukazuje, že množství tepla potřebného k ohřevu nebo množství tepla, které se uvolní, když se těleso ochladí, závisí na jeho hmotnosti, změně teploty a druhu látky, z níž těleso je. složen.
Jak se měří množství tepla?
Za jednotka tepla je obecně přijímáno 1 joule. Před příchodem jednotky měření energie považovali vědci množství tepla za kalorie. Tato jednotka měření je obvykle zkrácena jako „J“
Kalorie- to je množství tepla, které je potřeba k ohřátí 1 gramu vody o 1 stupeň Celsia. Zkrácená forma měření kalorií je „cal“.
1 kal = 4,19 J.
Upozorňujeme, že v těchto energetických jednotkách je zvykem uvádět nutriční hodnotu potravin v kJ a kcal.
1 kcal = 1000 kcal.
1 kJ = 1000 J
1 kcal = 4190 J = 4,19 kJ
Co je měrná tepelná kapacita
Každá látka v přírodě má své vlastnosti a ohřev každé jednotlivé látky vyžaduje jiné množství energie, tzn. množství tepla.
Měrná tepelná kapacita látky- to je množství rovnající se množství tepla, které je třeba předat tělesu o hmotnosti 1 kilogram, aby se zahřálo na teplotu 1 0 C
Měrná tepelná kapacita je označena písmenem c a má naměřenou hodnotu J/kg*
Například měrná tepelná kapacita vody je 4200 J/kg* 0 C. To je množství tepla, které je potřeba předat 1 kg vody, aby se ohřála o 1 0 C
Je třeba připomenout, že měrná tepelná kapacita látek v různých stavech agregace je různá. To znamená ohřát led o 1 0 C bude vyžadovat jiné množství tepla.
Jak vypočítat množství tepla k zahřátí tělesa
Například je nutné spočítat množství tepla, které je potřeba spotřebovat na ohřátí 3 kg vody z teploty 15 0 C do teploty 85 0 C. Známe měrnou tepelnou kapacitu vody, to znamená množství energie, které je potřeba k ohřátí 1 kg vody o 1 stupeň. To znamená, že pro zjištění množství tepla v našem případě je potřeba vynásobit měrnou tepelnou kapacitu vody 3 a počtem stupňů, o které chcete zvýšit teplotu vody. Takže to je 4200*3*(85-15) = 882 000.
V závorkách vypočítáme přesný počet stupňů a odečteme počáteční výsledek od konečného požadovaného výsledku
Aby bylo možné ohřát 3 kg vody z 15 na 85 0 C, potřebujeme 882 000 J tepla.
Množství tepla je označeno písmenem Q, vzorec pro jeho výpočet je následující:
Q=c*m*(t2-ti).
Analýza a řešení problémů
Problém 1. Kolik tepla je potřeba k ohřevu 0,5 kg vody z 20 na 50 0 C
Vzhledem k tomu:
m = 0,5 kg.,
s = 4200 J/kg* 0 C,
t 1 = 20 0 C,
t2 = 50 °C.
Měrnou tepelnou kapacitu jsme určili z tabulky.
Řešení:
2-ti).
Nahraďte hodnoty:
Q=4200*0,5*(50-20) = 63 000 J = 63 kJ.
Odpovědět: Q = 63 kJ.
Úkol 2. Jaké množství tepla je potřeba k zahřátí hliníkové tyče o hmotnosti 0,5 kg na 85 0 C?
Vzhledem k tomu:
m = 0,5 kg.,
s = 920 J/kg* 0 C,
t 1 = 0 0 C,
t2 = 85 °C.
Řešení:
množství tepla je určeno vzorcem Q=c*m*(t 2-ti).
Nahraďte hodnoty:
Q=920*0,5*(85-0) = 39 100 J = 39,1 kJ.
Odpovědět: Q= 39,1 kJ.
Vnitřní energii plynu v láhvi můžete měnit nejen vykonáváním práce, ale také zahříváním plynu (obr. 43). Pokud píst zafixujete, objem plynu se nezmění, ale zvýší se teplota, potažmo vnitřní energie.
Proces přenosu energie z jednoho tělesa do druhého bez vykonávání práce se nazývá výměna tepla nebo přenos tepla.
Energie předaná tělu v důsledku výměny tepla se nazývá množství tepla. Množství tepla se také nazývá energie, kterou tělo vydává při výměně tepla.
Molekulární obraz přenosu tepla. Při výměně tepla na hranici mezi tělesy dochází k interakci pomalu se pohybujících molekul studeného tělesa s rychleji se pohybujícími molekulami horkého tělesa. V důsledku toho kinetické energie
molekuly se zarovnají a rychlost molekul studeného tělesa se zvýší a rychlost horkého tělesa se sníží.
Při výměně tepla nedochází k přeměně energie z jedné formy na druhou: část vnitřní energie horkého tělesa se přenáší na studené těleso.
Množství tepla a tepelná kapacita. Z kurzu fyziky třídy VII je známo, že aby bylo možné ohřát hmotné těleso z teploty na teplotu, je nutné mu sdělit množství tepla.
Když se těleso ochladí, jeho konečná teplota je nižší než počáteční a množství tepla vydávaného tělesem je záporné.
Koeficient c ve vzorci (4.5) se nazývá měrná tepelná kapacita. Měrná tepelná kapacita je množství tepla, které 1 kg látky přijme nebo odevzdá, když se její teplota změní o 1 K-
Měrná tepelná kapacita se vyjadřuje v joulech děleno kilogramem násobeným kelvinem. Různá tělesa vyžadují různé množství energie ke zvýšení teploty o I K. Tedy měrná tepelná kapacita vody a mědi
Měrná tepelná kapacita závisí nejen na vlastnostech látky, ale také na procesu, při kterém dochází k přenosu tepla Pokud ohříváte plyn při konstantním tlaku, roztáhne se a vykoná práci. Aby se plyn zahřál o 1 °C při konstantním tlaku, bude mu třeba předat více tepla, než aby se zahřál při konstantním objemu.
Kapalná a pevná tělesa se při zahřívání mírně roztahují a jejich měrné tepelné kapacity se při konstantním objemu a konstantním tlaku liší jen málo.
Měrné výparné teplo. Aby se kapalina přeměnila na páru, musí jí být přeneseno určité množství tepla. Teplota kapaliny se při této přeměně nemění. Přeměna kapaliny na páru při konstantní teplotě nevede ke zvýšení kinetické energie molekul, ale je doprovázena zvýšením jejich potenciální energie. Průměrná vzdálenost mezi molekulami plynu je totiž mnohonásobně větší než mezi molekulami kapaliny. Navíc zvětšení objemu při přechodu látky z kapalného do plynného skupenství vyžaduje práci proti silám vnějšího tlaku.
Množství tepla potřebné k přeměně 1 kg kapaliny na páru při konstantní teplotě se nazývá
specifické výparné teplo. Toto množství je označeno písmenem a vyjádřeno v joulech na kilogram
Měrné výparné teplo vody je velmi vysoké: při teplotě 100°C. Pro ostatní kapaliny (líh, éter, rtuť, petrolej atd.) je měrné skupenské teplo vypařování 3-10x menší.
K přeměně kapalné hmoty na páru je zapotřebí množství tepla rovné:
Když pára kondenzuje, uvolňuje se stejné množství tepla:
Specifické teplo tání. Když krystalické těleso taje, veškeré teplo, které je mu dodáno, zvyšuje potenciální energii molekul. Kinetická energie molekul se nemění, protože tání probíhá při konstantní teplotě.
Množství tepla A potřebné k přeměně 1 kg krystalické látky při teplotě tání na kapalinu o stejné teplotě se nazývá měrné skupenské teplo tání.
Když krystalizuje 1 kg látky, uvolní se přesně stejné množství tepla. Specifické teplo tání ledu je poměrně vysoké:
K roztavení krystalického tělesa hmoty je zapotřebí množství tepla rovné:
Množství tepla uvolněného během krystalizace tělesa se rovná:
1. Jak se nazývá množství tepla? 2. Na čem závisí měrná tepelná kapacita látek? 3. Jak se nazývá měrné výparné teplo? 4. Jak se nazývá měrné teplo tání? 5. V jakých případech je množství předávaného tepla záporné?
