Come è noto, durante vari processi meccanici si verifica una variazione di energia meccanica. Una misura della variazione di energia meccanica è il lavoro delle forze applicate al sistema:
Durante lo scambio termico avviene un cambiamento Energia interna corpi. Una misura della variazione di energia interna durante il trasferimento di calore è la quantità di calore.
Quantità di caloreè una misura della variazione di energia interna che un corpo riceve (o cede) durante il processo di scambio termico.
Pertanto, sia il lavoro che la quantità di calore caratterizzano la variazione di energia, ma non sono identici all'energia. Non caratterizzano lo stato del sistema stesso, ma determinano il processo di transizione energetica da un tipo all'altro (da un corpo all'altro) quando lo stato cambia e dipendono in modo significativo dalla natura del processo.
La principale differenza tra lavoro e quantità di calore è che il lavoro caratterizza il processo di modifica dell'energia interna di un sistema, accompagnato dalla trasformazione dell'energia da un tipo all'altro (da meccanica a interna). La quantità di calore caratterizza il processo di trasferimento dell'energia interna da un corpo all'altro (da più riscaldato a meno riscaldato), non accompagnato da trasformazioni energetiche.
L'esperienza mostra che la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo di massa m da una temperatura all'altra si calcola con la formula
dove c è la capacità termica specifica della sostanza;
L'unità SI della capacità termica specifica è joule per chilogrammo Kelvin (J/(kg K)).
Calore specifico c è numericamente uguale alla quantità di calore che deve essere impartita a un corpo del peso di 1 kg per riscaldarlo di 1 K.
Capacità termica corpo è numericamente uguale alla quantità di calore necessaria per modificare la temperatura corporea di 1 K:
L'unità SI della capacità termica di un corpo è joule per Kelvin (J/K).
Per trasformare un liquido in vapore a temperatura costante è necessario spendere una certa quantità di calore
dove L- calore specifico vaporizzazione. Quando il vapore si condensa, viene rilasciata la stessa quantità di calore.
Per fondere un corpo cristallino di massa m alla temperatura di fusione è necessario impartire al corpo una quantità di calore
dove è il calore specifico di fusione. Quando un corpo cristallizza, viene rilasciata la stessa quantità di calore.
La quantità di calore rilasciata durante la combustione completa del carburante con massa m,
dove q è il calore specifico di combustione.
L'unità SI dei calori specifici di vaporizzazione, fusione e combustione è joule per chilogrammo (J/kg).
In questa lezione impareremo a calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo o da esso rilasciata durante il raffreddamento. Per fare ciò, riassumeremo le conoscenze acquisite nelle lezioni precedenti.
Inoltre, impareremo, utilizzando la formula per la quantità di calore, a esprimere le quantità rimanenti da questa formula e a calcolarle, conoscendo altre quantità. Verrà inoltre considerato un esempio di problema con una soluzione per il calcolo della quantità di calore.
Questa lezioneè dedicato al calcolo della quantità di calore quando un corpo viene riscaldato o rilasciato da esso quando si raffredda.
Capacità di calcolo importo richiesto il calore è molto importante. Ciò può essere necessario, ad esempio, quando si calcola la quantità di calore che deve essere trasmessa all'acqua per riscaldare una stanza.
Riso. 1. La quantità di calore che deve essere impartita all'acqua per riscaldare la stanza
Oppure per calcolare la quantità di calore rilasciata quando il carburante viene bruciato in vari motori:
Riso. 2. La quantità di calore rilasciata quando il carburante viene bruciato nel motore
Questa conoscenza è necessaria anche, ad esempio, per determinare la quantità di calore che viene rilasciata dal Sole e cade sulla Terra:
Riso. 3. La quantità di calore rilasciata dal Sole e che cade sulla Terra
Per calcolare la quantità di calore è necessario sapere tre cose (Fig. 4):
- peso corporeo (che solitamente può essere misurato utilizzando una bilancia);
- la differenza di temperatura con la quale un corpo deve essere riscaldato o raffreddato (solitamente misurata utilizzando un termometro);
- capacità termica specifica del corpo (che può essere determinata dalla tabella).
Riso. 4. Cosa devi sapere per determinarlo
La formula con cui viene calcolata la quantità di calore è simile alla seguente:
In questa formula compaiono le seguenti quantità:
La quantità di calore misurata in joule (J);
La capacità termica specifica di una sostanza si misura in ;
- differenza di temperatura, misurata in gradi Celsius ().
Consideriamo il problema del calcolo della quantità di calore.
Compito
Un bicchiere di rame con una massa di grammi contiene acqua con un volume di un litro ad una temperatura. Quanto calore deve essere trasferito ad un bicchiere d'acqua affinché la sua temperatura diventi uguale a ?
Riso. 5. Illustrazione delle condizioni problematiche
Per prima cosa scriviamo una breve condizione ( Dato) e convertire tutte le quantità nel sistema internazionale (SI).
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Dato: |
SI |
|
|
Trovare: |
Soluzione:
Innanzitutto, determina quali altre quantità sono necessarie per risolvere questo problema. Utilizzando la tabella della capacità termica specifica (Tabella 1) troviamo (capacità termica specifica del rame, poiché per condizione il vetro è rame), (capacità termica specifica dell'acqua, poiché per condizione c'è acqua nel vetro). Inoltre sappiamo che per calcolare la quantità di calore abbiamo bisogno di una massa d'acqua. Secondo la condizione, ci viene dato solo il volume. Pertanto, dalla tabella prendiamo la densità dell'acqua: (Tabella 2).
Tavolo 1. Capacità termica specifica di alcune sostanze,
Tavolo 2. Densità di alcuni liquidi
Ora abbiamo tutto ciò che serve per risolvere questo problema.
Si noti che la quantità finale di calore sarà costituita dalla somma della quantità di calore necessaria per riscaldare il vetro di rame e della quantità di calore richiesta per riscaldare l'acqua al suo interno:
Calcoliamo innanzitutto la quantità di calore necessaria per riscaldare un vetro di rame:
Prima di calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare l'acqua, calcoliamo la massa dell'acqua utilizzando una formula che ci è familiare dal grado 7:
Ora possiamo calcolare:
Allora possiamo calcolare:
Ricordiamo cosa significano i kilojoule. Il prefisso "chilo" significa 
.
Risposta:.
Per comodità di risolvere i problemi relativi alla determinazione della quantità di calore (i cosiddetti problemi diretti) e delle quantità associate a questo concetto, è possibile utilizzare la tabella seguente.
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Quantità richiesta |
Designazione |
Unità |
Formula di base |
Formula per quantità |
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Quantità di calore |
L'energia interna di un corpo cambia quando viene eseguito un lavoro o quando viene trasferito calore. Nel fenomeno dello scambio termico, l'energia interna viene trasferita per conduzione, convezione o irraggiamento.
Ogni corpo, quando viene riscaldato o raffreddato (attraverso il trasferimento di calore), guadagna o perde una certa quantità di energia. Sulla base di ciò, è consuetudine chiamare questa quantità di energia la quantità di calore.
COSÌ, la quantità di calore è l'energia che un corpo cede o riceve durante il processo di scambio termico.
Quanto calore è necessario per riscaldare l'acqua? SU semplice esempio Puoi capire che riscaldare quantità diverse di acqua richiederà quantità diverse di calore. Diciamo di prendere due provette con 1 litro d'acqua e 2 litri d'acqua. In quale caso sarà necessario più calore? Nella seconda, dove in una provetta ci sono 2 litri di acqua. La seconda provetta impiegherà più tempo a riscaldarsi se le riscaldiamo con la stessa fonte di fuoco.
Pertanto, la quantità di calore dipende dalla massa corporea. Maggiore è la massa, maggiore è la quantità di calore necessaria per il riscaldamento e, di conseguenza, maggiore è il tempo necessario per raffreddare il corpo.
Da cos'altro dipende la quantità di calore? Naturalmente, dalla differenza di temperatura corporea. Ma non è tutto. Dopotutto, se proviamo a scaldare l'acqua o il latte, avremo bisogno di tempi diversi. Cioè, risulta che la quantità di calore dipende dalla sostanza di cui è costituito il corpo.
Di conseguenza, si scopre che la quantità di calore necessaria per riscaldarsi o la quantità di calore che viene rilasciata quando un corpo si raffredda dipende dalla sua massa, dalla variazione di temperatura e dal tipo di sostanza di cui è composto il corpo. composto.
Come si misura la quantità di calore?
Dietro unità di caloreè generalmente accettato 1 Joule. Prima dell'avvento dell'unità di misura dell'energia, gli scienziati consideravano la quantità di calore come calorie. Questa unità di misura è solitamente abbreviata come “J”
Caloria- questa è la quantità di calore necessaria per riscaldare 1 grammo di acqua di 1 grado Celsius. La forma abbreviata per la misurazione delle calorie è “cal”.
1 cal = 4,19 J.
Tieni presente che in queste unità energetiche è consuetudine indicare il valore nutrizionale degli alimenti in kJ e kcal.
1kcal = 1000cal.
1 kJ = 1000 J
1 kcal = 4190 J = 4,19 kJ
Cos'è la capacità termica specifica
Ogni sostanza in natura ha le sue proprietà e il riscaldamento di ogni singola sostanza richiede una diversa quantità di energia, ad es. quantità di calore.
Capacità termica specifica di una sostanza- questa è la quantità pari alla quantità calore che deve essere trasferito ad un corpo di massa 1 chilogrammo per portarlo alla temperatura 1 0C
La capacità termica specifica è indicata dalla lettera c e ha un valore di misurazione di J/kg*
Ad esempio, il calore specifico dell'acqua è 4200 J/kg* 0 C. Cioè, questa è la quantità di calore che deve essere trasferita a 1 kg di acqua per riscaldarlo di 1 0C
Va ricordato che la capacità termica specifica delle sostanze nei diversi stati di aggregazione è diversa. Cioè, per riscaldare il ghiaccio di 1 0 C richiederà una diversa quantità di calore.
Come calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo
Ad esempio, è necessario calcolare la quantità di calore che deve essere spesa per riscaldare 3 kg di acqua da una temperatura di 15 0 C fino alla temperatura 85 0 C. Conosciamo la capacità termica specifica dell'acqua, ovvero la quantità di energia necessaria per riscaldare 1 kg di acqua di 1 grado. Cioè, per scoprire la quantità di calore nel nostro caso, è necessario moltiplicare la capacità termica specifica dell'acqua per 3 e per il numero di gradi di cui si desidera aumentare la temperatura dell'acqua. Quindi fa 4200*3*(85-15) = 882.000.
Tra parentesi calcoliamo il numero esatto di gradi, sottraendo il risultato iniziale dal risultato finale richiesto
Quindi, per riscaldare 3 kg di acqua da 15 a 85 0 C, abbiamo bisogno di 882.000 J di calore.
La quantità di calore è indicata con la lettera Q, la formula per calcolarla è la seguente:
Q=c*m*(t2 -t1).
Analisi e soluzione dei problemi
Problema 1. Quanto calore è necessario per riscaldare 0,5 kg di acqua da 20 a 50 0C
Dato:
m = 0,5 kg.,
s = 4200 J/kg* 0 C,
t1 = 20 0 C,
t2 = 50 0 C.
Abbiamo determinato la capacità termica specifica dalla tabella.
Soluzione:
2-t1).
Sostituisci i valori:
Q=4200*0,5*(50-20) = 63.000 J = 63 kJ.
Risposta: Q=63 kJ.
Compito 2. Quale quantità di calore è necessaria per riscaldare una barra di alluminio del peso di 0,5 kg per 85 0C?
Dato:
m = 0,5 kg.,
s = 920 J/kg* 0 C,
t1 = 0 0 C,
t2 = 85 0 C.
Soluzione:
la quantità di calore è determinata dalla formula Q=c*m*(t 2-t1).
Sostituisci i valori:
Q=920*0,5*(85-0) = 39.100 J = 39,1 kJ.
Risposta: Q= 39,1 kJ.
È possibile modificare l'energia interna del gas nella bombola non solo eseguendo lavoro, ma anche riscaldando il gas (Fig. 43). Se si fissa il pistone, il volume del gas non cambierà, ma aumenterà la temperatura, e quindi l'energia interna.
Il processo di trasferimento di energia da un corpo a un altro senza compiere lavoro è chiamato scambio di calore o trasferimento di calore.
L'energia trasferita al corpo come risultato dello scambio termico è chiamata quantità di calore. La quantità di calore è detta anche energia che un corpo cede durante lo scambio termico.
Immagine molecolare del trasferimento di calore. Durante lo scambio di calore al confine tra i corpi, avviene l'interazione delle molecole che si muovono lentamente di un corpo freddo con le molecole che si muovono più velocemente di un corpo caldo. Di conseguenza, energie cinetiche
le molecole si allineano e la velocità delle molecole di un corpo freddo aumenta e quella di un corpo caldo diminuisce.
Durante lo scambio termico l'energia non viene convertita da una forma all'altra: parte dell'energia interna del corpo caldo viene trasferita al corpo freddo.
Quantità di calore e capacità termica. Dal corso di fisica della VII classe si sa che per riscaldare un corpo di massa da temperatura a temperatura è necessario dirgli la quantità di calore
Quando un corpo si raffredda, la sua temperatura finale è inferiore a quella iniziale e la quantità di calore ceduto dal corpo è negativa.
Il coefficiente c nella formula (4.5) è chiamato capacità termica specifica. Il calore specifico è la quantità di calore che 1 kg di una sostanza riceve o cede quando la sua temperatura cambia di 1 K-
La capacità termica specifica è espressa in joule diviso per chilogrammo moltiplicato per kelvin. Corpi diversi richiedono quantità diverse di energia per aumentare la temperatura di I K. Pertanto, la capacità termica specifica dell'acqua e del rame
La capacità termica specifica dipende non solo dalle proprietà della sostanza, ma anche dal processo mediante il quale avviene il trasferimento di calore. Se riscaldi un gas a pressione costante, si espanderà e svolgerà lavoro. Per riscaldare un gas di 1°C a pressione costante, sarà necessario trasferirgli più calore che per riscaldarlo a volume costante.
I corpi liquidi e solidi si espandono leggermente quando riscaldati e le loro capacità termiche specifiche a volume costante e pressione costante differiscono poco.
Calore specifico di vaporizzazione. Per trasformare un liquido in vapore è necessario cedergli una certa quantità di calore. La temperatura del liquido non cambia durante questa trasformazione. La trasformazione di un liquido in vapore a temperatura costante non porta ad un aumento dell'energia cinetica delle molecole, ma è accompagnata da un aumento della loro energia potenziale. Dopotutto, la distanza media tra le molecole di gas è molte volte maggiore di quella tra le molecole di liquido. Inoltre, un aumento di volume durante la transizione di una sostanza dallo stato liquido a quello gassoso richiede un lavoro contro le forze di pressione esterne.
Viene chiamata la quantità di calore necessaria per convertire 1 kg di liquido in vapore a temperatura costante
calore specifico di vaporizzazione. Questa quantità è indicata da una lettera ed espressa in joule per chilogrammo
Il calore specifico di vaporizzazione dell'acqua è molto elevato: alla temperatura di 100°C. Per altri liquidi (alcool, etere, mercurio, cherosene, ecc.) il calore specifico di vaporizzazione è 3-10 volte inferiore.
Per trasformare una massa liquida in vapore è necessaria una quantità di calore pari a:
Quando il vapore condensa, viene rilasciata la stessa quantità di calore:
Calore specifico di fusione. Quando un corpo cristallino fonde, tutto il calore fornitogli va ad aumentare l'energia potenziale delle molecole. L'energia cinetica delle molecole non cambia, poiché la fusione avviene a temperatura costante.
Quantità di calore A necessaria per convertire 1 kg sostanza cristallina al punto di fusione in un liquido della stessa temperatura è chiamato calore specifico di fusione.
Quando 1 kg di sostanza cristallizza, viene rilasciata esattamente la stessa quantità di calore. Il calore specifico di fusione del ghiaccio è piuttosto elevato:
Per fondere un corpo di massa cristallino è necessaria una quantità di calore pari a:
La quantità di calore rilasciata durante la cristallizzazione di un corpo è pari a:
1. Come si chiama la quantità di calore? 2. Da cosa dipende la capacità termica specifica delle sostanze? 3. Cos'è chiamato calore specifico di vaporizzazione? 4. Come si chiama il calore specifico di fusione? 5. In quali casi la quantità di calore trasferito è negativa?
Come è noto, durante vari processi meccanici si verifica una variazione di energia meccanica W mah. Una misura della variazione di energia meccanica è il lavoro delle forze applicate al sistema:
\(~\Delta W_(meh) = A.\)
Durante lo scambio di calore si verifica un cambiamento nell'energia interna del corpo. Una misura della variazione di energia interna durante il trasferimento di calore è la quantità di calore.
Quantità di caloreè una misura della variazione di energia interna che un corpo riceve (o cede) durante il processo di scambio termico.
Pertanto, sia il lavoro che la quantità di calore caratterizzano la variazione di energia, ma non sono identici all'energia. Non caratterizzano lo stato del sistema stesso, ma determinano il processo di transizione energetica da un tipo all'altro (da un corpo all'altro) quando lo stato cambia e dipendono in modo significativo dalla natura del processo.
La principale differenza tra lavoro e quantità di calore è che il lavoro caratterizza il processo di modifica dell'energia interna di un sistema, accompagnato dalla trasformazione dell'energia da un tipo all'altro (da meccanica a interna). La quantità di calore caratterizza il processo di trasferimento dell'energia interna da un corpo all'altro (da più riscaldato a meno riscaldato), non accompagnato da trasformazioni energetiche.
L'esperienza dimostra che la quantità di calore necessaria per riscaldare una massa corporea M sulla temperatura T 1 alla temperatura T 2, calcolato dalla formula
\(~Q = cm (T_2 - T_1) = cm \Delta T, \qquad (1)\)
Dove C- capacità termica specifica della sostanza;
\(~c = \frac(Q)(m (T_2 - T_1)).\)
L'unità SI della capacità termica specifica è joule per chilogrammo Kelvin (J/(kg K)).
Calore specifico Cè numericamente uguale alla quantità di calore che deve essere impartita a un corpo del peso di 1 kg per riscaldarlo di 1 K.
Capacità termica corpo C T è numericamente uguale alla quantità di calore necessaria per modificare la temperatura corporea di 1 K:
\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = cm.\)
L'unità SI della capacità termica di un corpo è joule per Kelvin (J/K).
Per trasformare un liquido in vapore a temperatura costante è necessario spendere una certa quantità di calore
\(~Q = Lm, \qquad (2)\)
Dove l- calore specifico di vaporizzazione. Quando il vapore si condensa, viene rilasciata la stessa quantità di calore.
Per sciogliere un corpo cristallino pesando M nel punto di fusione il corpo ha bisogno di comunicare la quantità di calore
\(~Q = \lambda m, \qquad (3)\)
Dove λ - calore specifico di fusione. Quando un corpo cristallizza, viene rilasciata la stessa quantità di calore.
La quantità di calore rilasciata durante la combustione completa di una massa di combustibile M,
\(~Q = qm, \qquad (4)\)
Dove Q- calore specifico di combustione.
L'unità SI dei calori specifici di vaporizzazione, fusione e combustione è joule per chilogrammo (J/kg).
Letteratura
Aksenovich L. A. Fisica in Scuola superiore: Teoria. Compiti. Test: libro di testo. indennità per gli istituti che forniscono istruzione generale. ambiente, educazione / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 154-155.