Для чого потрібно знати розрахунок кількості теплоти. Розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла або виділеного ним при охолодженні

Що швидше нагріється на плиті – чайник чи відро води? Відповідь очевидна – чайник. Тоді друге питання – чому?

Відповідь не менш очевидна - тому що маса води в чайнику менша. Чудово. А тепер ви можете зробити самостійно справжнісінький фізичний досвід в домашніх умовах. Для цього вам знадобиться дві однакові невеликі каструльки, рівна кількість води та олії, наприклад, по півлітра та плита. На однаковий вогонь ставте каструльки з олією та водою. А тепер просто спостерігайте, що швидше нагріватиметься. Якщо є градусник для рідин, можна застосувати його, якщо ні, можна просто пробувати температуру іноді пальцем, тільки обережно, щоб не обпектися. У будь-якому випадку ви незабаром переконаєтеся, що олія нагрівається значно швидше за воду. І ще одне питання, яке теж можна продати у вигляді досвіду. Що швидше закипить – тепла вода чи холодна? Все знову очевидно – тепла буде на фініші першою. Навіщо всі ці дивні питання та досліди? До того щоб визначити фізичну величину, звану «кількістю теплоти».

Кількість теплоти

Кількість теплоти - це енергія, яку тіло втрачає або набуває при теплопередачі. Це зрозуміло і з назви. При охолодженні тіло втрачатиме кілька теплоти, а при нагріванні - поглинати. А відповіді на наші запитання показали нам, від чого залежить кількість теплотиПо-перше, чим більше маса тіла, тим більше теплоти треба витратити на зміну його температури на один градус. По-друге, кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла, залежить від тієї речовини, з якої воно складається, тобто від роду речовини. І по-третє, різниця температур тіла до та після теплопередачі також важлива для наших розрахунків. Виходячи з усього вищесказаного, ми можемо визначити кількість теплоти формулою:

Q=cm(t_2-t_1) ,

де Q - кількість теплоти,
m - маса тіла,
(t_2-t_1) - різниця між початковою та кінцевою температурами тіла,
c - питома теплоємність речовини, що знаходиться з відповідних таблиць.

За цією формулою можна зробити розрахунок кількості теплоти, яку необхідно, щоб нагріти будь-яке тіло або яке це тіло виділить при охолодженні.

Вимірюється кількість теплоти в джоулях (1 Дж), як і будь-який вид енергії. Однак, цю величину ввели не так давно, а вимірювати кількість теплоти люди почали набагато раніше. І користувалися вони одиницею, що широко використовується й у наш час – калорія (1 кал). 1 калорія - це така кількість теплоти, яка буде потрібна для нагрівання 1 грама води на 1 градус Цельсія. Керуючись цими даними, любителі підраховувати калорії в їжі, що можуть з'їдати, можуть заради інтересу підрахувати, скільки літрів води можна закип'ятити тією енергією, яку вони споживають з їжею протягом дня.

Кількість теплоти

План-конспект

відкритого уроку фізики у 8 «Е» класі

МОУ гімназії №77 р. о. Тольятті

вчителі фізики

Іванової Марії Костянтинівни

Тема урока:

Розв'язання задач на розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла або виділеного ним при охолодженні.

Дата проведення:

Мета уроку:

відпрацювати практичні навички розрахунку кількості теплоти, необхідної для нагрівання та виділеного при охолодженні;

розвивати навички рахунку, удосконалювати логічні вміння під час аналізу сюжету завдань, розв'язання якісних і розрахункових завдань;

виховувати вміння працювати в парах, поважати думку опонента та відстоювати свою точку зору, дотримуватися акуратності при оформленні завдань з фізики.

Обладнання уроку:

комп'ютер, проектор, презентація на тему (Додаток №1), матеріали єдиної колекції цифрових освітніх ресурсів.

Тип уроку:

вирішення задач.

«Посуньте палець у полум'я від сірника, і ви відчуєте відчуття, рівного якому немає ні на небі, ні на землі; проте все, що сталося, є просто наслідок зіткнень молекул».

Дж. Вілер

Хід уроку:

Організаційний момент

Привітання учнів.

Перевірка учнів, що відсутні.

Повідомлення теми та цілей уроку.

Перевірка домашнього завдання.

1.Фронтальне опитування

Що називається питомою теплоємністю речовини? (Слайд №1)

Що є одиницею питомої теплоємності речовини?

Чому водоймища замерзають повільно? Чому з річок і особливо озер довго не сходить лід, хоча давно тепла погода?

Чому на Чорноморському узбережжі Кавказу навіть узимку досить тепло?

Чому багато металів остигають значно швидше за воду? (Слайд №2)

2. Індивідуальне опитування (картки з різнорівневими завданнями для кількох учнів)

Вивчення нової теми

1. Повторення поняття кількості теплоти.

Кількість теплоти- кількісний захід зміни внутрішньої енергії при теплообміні.

Кількість теплоти, що поглинається тілом, прийнято вважати позитивним, а виділяється негативним. Вираз «тіло має деяку кількість теплоти» або «в тілі міститься (запасено) якусь кількість теплоти» не має сенсу. Кількість теплоти можна отримати або віддати в якомусь процесі, але володіти ним не можна.

При теплообміні на кордоні між тілами відбувається взаємодія повільно рухомих молекул холодного тіла з молекулами гарячого тіла, що швидко рухаються. В результаті кінетичні енергії молекул вирівнюються та швидкості молекул холодного тіла збільшуються, а гарячого зменшуються.

При теплообміні немає перетворення енергії з однієї форми на іншу, частина внутрішньої енергії гарячого тіла передається холодному тілу.

2. Формула кількості теплоти.

Виведемо робочу формулу, щоб вирішувати завдання щодо розрахунку кількості теплоти: Q = cm ( t 2 - t 1 ) - запис на дошці та у зошитах.

З'ясовуємо, що кількість теплоти, віддана або отримана тілом, залежить від початкової температури тіла, його маси та від його питомої теплоємності.

Насправді часто користуються тепловими розрахунками. Наприклад, при будівництві будівель необхідно враховувати, скільки теплоти повинна віддавати будівлі вся система опалення. Слід також знати, скільки теплоти йтиме у навколишній простір через вікна, стіни, двері.

3 . Залежність кількості теплоти від різних величин . (Слайди №3, №4, №5, №6)

4 . Питома теплоємність (Слайд №7)

5. Одиниці вимірювання кількості теплоти (Слайд №8)

6. Приклад розв'язання задачі на розрахунок кількості теплоти (Слайд №10)

7. Розв'язання задач на розрахунок кількості теплоти на дошці та у зошитах

З'ясовуємо також, що якщо між тілами відбувається теплообмін, то внутрішня енергія всіх тіл, що нагріваються, збільшується на стільки, на скільки зменшується внутрішня енергія остигаючих тіл. Для цього використовуємо приклад вирішеної задачі § 9 підручника.

Динамічна пауза.

IV. Закріплення дослідженого матеріалу.

1. Запитання для самоконтролю (Слайд №9)

2. Вирішення якісних завдань:

Чому в пустелях удень спекотно, а вночі температура падає нижче 0°С? (Пісок має малу питому теплоємність, тому швидко нагрівається і охолоджується.)

По шматку свинцю та шматку стали, тієї ж маси вдарили молотком однакове число разів. Який шматок нагрівся більше? Чому? (Шматок свинцю нагрівся більше, тому що питома теплоємність свинцю менше.

Чому залізні печі швидше нагрівають кімнату, ніж цегляну, але не так довго залишаються теплими? (Питома теплоємність міді менша, ніж у цегли.)

Мідній та сталевій гиркам однакової маси передали рівні кількості теплоти. У якої гирки температура сильніше зміниться? (У мідної, т.к. питома теплоємність міді менше.)

На що витрачається більше енергії: на нагрівання води чи нагрівання алюмінієвої каструлі, якщо їх маси однакові? (На нагрівання води, тому що питома теплоємність води велика.)

Як відомо, залізо має більшу питому теплоємність, ніж мідь. Отже, жало пальника, виготовлене із заліза, мало б більший запас внутрішньої енергії, ніж таке ж жало з міді, при рівності їх мас і температур. Чому, незважаючи на це, жало паяльника роблять із міді? (Мідь має велику теплопровідність.)

Відомо, що теплопровідність металу значно більша за теплопровідність скла. Чому ж тоді калориметри роблять із металу, а не зі скла? (Метал має велику теплопровідність і малу питому теплоємність, завдяки цьому температура всередині калориметра швидко вирівнюється, а на нагрівання його витрачається мало тепла. Крім того, випромінювання металу значно менше випромінювання скла, що зменшує втрати тепла.

Відомо, що пухкий сніг добре оберігає грунт від промерзання, тому що в ньому міститься багато повітря, яке є поганим провідником тепла. Але ж і до ґрунту, не вкритого снігом, прилягають шари повітря. Чому ж у такому разі вона сильно не промерзає? (Повітря, стикаючись з непокритим снігом ґрунтом, весь час перебуває в русі, перемішується. Це повітря, що рухається, віднімає від землі тепло і посилює випаровування з неї вологи. Повітря ж, що знаходиться між частинками снігу, малорухливе і, як поганий провідник тепла, оберігає землю від промерзання.)

3. Розв'язання розрахункових завдань

Перші дві задачі вирішуються високомотивованими учнями біля дошки з колективним обговоренням. Знаходимо правильні підходи у міркуваннях та оформленні вирішення завдань.

Завдання №1.

При нагріванні шматка міді від 20 ° С до 170 ° С було витрачено 140 000 Дж тепла. Визначити масу міді.

Завдання №2

Чому дорівнює питома теплоємність рідини, якщо для нагрівання 2 л її на 20°С знадобилося 150000 Дж. Щільність рідини 1,5 г/см³

Відповіді такі завдання учні знаходять у парах:

Завдання №3.

Дві мідні кулі масами m oта 4m oнагрівають так, що обидві кулі отримують однакову кількість теплоти. При цьому велика куля нагрілася на 5°C. Наскільки нагрілася куля меншої маси?

Завдання №4.

Яка кількість теплоти виділяється при охолодженні 4 м³ льоду від 10°C до – 40°C?

Завдання №5.

В якому випадку потрібно для нагрівання двох речовин більшу кількість теплоти, якщо нагрівання двох речовин дорівнює ∆ t 1 = ∆t 2 Перша речовина - цегла маси 2 кг і с =880Дж/кг ∙ °C, і латунь - маса 2 кг і с = 400 Дж/кг ∙ °C

Завдання №6.

Сталевий брусок маси 4 кг нагріли. При цьому було витрачено 200 000 Дж тепла. Визначте кінцеву температуру тіла, якщо початкова температура дорівнює t 0 = 10°C

При самостійному розв'язанні завдань в учнів це природно виникають питання. Часті питання розбираємо колективно. На ті питання, які мають приватний характер, даються індивідуальні відповіді.

Рефлексія. Виставлення відміток.

Вчитель: Отже, хлопці, чого ви сьогодні навчилися на уроці і що впізнали нового?

Зразкові відповіді учнів :

Відпрацювали навички вирішення якісних і розрахункових завдань на тему «Розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла та виділеного при охолодженні».

Переконалися практично у тому, як перегукуються і пов'язані такі предмети як фізика і математика.

Завдання додому:

Розв'язати задачі № 1024, 1025 зі збірки завдань В.І. Лукашика, Є. В. Іванової.

Самостійно придумати завдання на розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла або виділеного ним при охолодженні.

У цьому уроці ми навчимося розраховувати кількість теплоти, необхідну для нагрівання тіла або виділене ним при охолодженні. Для цього ми узагальнимо ті знання, які були отримані на попередніх уроках.

Крім того, ми навчимося за допомогою формули для кількості теплоти виражати інші величини цієї формули і розраховувати їх, знаючи інші величини. Також буде розглянуто приклад задачі із рішенням на обчислення кількості теплоти.

Даний урок присвячений обчисленню кількості теплоти при нагріванні тіла або виділеного ним при охолодженні.

Вміння обчислювати потрібну кількість теплоти є дуже важливим. Це може знадобитися, наприклад, при обчисленні кількості теплоти, яку потрібно повідомити воді для обігріву приміщення.

Мал. 1. Кількість теплоти, яку необхідно повідомити воді для обігріву приміщення

Або для обчислення кількості теплоти, що виділяється при спалюванні палива у різних двигунах:

Мал. 2. Кількість теплоти, що виділяється при спалюванні палива у двигуні

Також ці знання потрібні, наприклад, щоб визначити кількість теплоти, що виділяється Сонцем та потрапляє на Землю:

Мал. 3. Кількість теплоти, що виділяється Сонцем і потрапляє на Землю

Для обчислення кількості теплоти необхідно знати три речі (рис. 4):

масу тіла (яку, як правило, можна виміряти за допомогою ваг);
різницю температур, яку необхідно нагріти тіло чи охолодити його (зазвичай вимірюється з допомогою термометра);
питому теплоємність тіла (яку можна визначити за таблицею).

Мал. 4. Що потрібно знати для визначення

Формула, за якою обчислюється кількість теплоти, виглядає так:

У цій формулі фігурують такі величини:

Кількість теплоти, що вимірюється в джоулях (Дж);

Питома теплоємність речовини, що вимірюється в ;

- різниця температур, що вимірюється в градусах Цельсія ().

Розглянемо завдання обчислення кількості теплоти.

Завдання

У мідній склянці масою грам знаходиться вода об'ємом літра при температурі. Яку кількість теплоти необхідно передати склянці з водою, щоб її температура дорівнювала ?

Мал. 5. Ілюстрація умови завдання

Спочатку запишемо коротку умову ( Дано) і переведемо всі величини до системи інтернаціонал (СІ).

*Дано:*	СІ

*Знайти:*

Рішення:

Спочатку визнач, які ще величини будуть потрібні нам для вирішення цього завдання. За таблицею питомої теплоємності (табл. 1) знаходимо (питома теплоємність міді, оскільки за умовою склянка мідна), (питома теплоємність води, оскільки за умовою у склянці знаходиться вода). Крім того, знаємо, що для обчислення кількості теплоти нам знадобиться маса води. За умовою нам дано лише обсяг. Тому з таблиці візьмемо густину води: (табл. 2).

Табл. 1. Питома теплоємність деяких речовин,

Табл. 2. Щільності деяких рідин

Тепер у нас є все необхідне для вирішення цього завдання.

Зауважимо, що підсумкова кількість теплоти складатиметься із суми кількості теплоти, необхідної для нагрівання мідної склянки та кількості теплоти, необхідної для нагрівання води в ньому:

Розрахуємо спочатку кількість теплоти, необхідну для нагрівання мідної склянки:

Перш ніж обчислити кількість теплоти, необхідну для нагрівання води, розрахуємо масу води за формулою, яка добре знайома нам з 7 класу:

Тепер можемо обчислити:

Тоді можемо обчислити:

Нагадаємо, що означає: кілоджоулі. Приставка «кіло» означає , тобто .

Відповідь:.

Для зручності розв'язання задач на знаходження кількості теплоти (так звані прямі завдання) та пов'язаних з цим поняттям величин можна користуватися наступною таблицею.

Шукана величина	Позначення	Одиниці виміру	Основна формула	Формула для величини
Кількість теплоти

Змінити внутрішню енергію газу в циліндрі можна не тільки здійснюючи роботу, але й нагріваючи газ (рис. 43). Якщо закріпити поршень, то обсяг газу не змінюватиметься, але температура, а отже, і внутрішня енергія зростатимуть.
Процес передачі енергії від одного тіла до іншого без виконання роботи називають теплообміном або теплопередачею.

Енергію, передану тілу внаслідок теплообміну, називають кількістю теплоти.Кількість теплоти називають також енергію, яку тіло віддає в процесі теплообміну.

Молекулярна картина теплообміну.При теплообміні на кордоні між тілами відбувається взаємодія молекул холодного тіла, що повільно рухаються, з більш швидко рухомими молекулами гарячого тіла. В результаті кінетичні енергії молекул вирівнюються та швидкості молекул холодного тіла збільшуються, а гарячого зменшуються.

При теплообміні не відбувається перетворення енергії з однієї форми на іншу: частина внутрішньої енергії гарячого тіла передається холодному тілу.

Кількість теплоти та теплоємність.З курсу фізики VII класу відомо, що для нагрівання тіла масою m від температури t 1 до температури t 2 необхідно повідомити кількість теплоти

Q = cm (t2 - t1) = cmΔt. (4.5)

При охолодженні тіла його одвічна температура t 2 менша від початкової t 1 і кількість теплоти, що віддається тілом, негативно.
Коефіцієнт c у формулі (4.5) називають питомою теплоємністю. Питома теплоємність – це кількість теплоти, що одержує чи віддає 1 кг речовини за зміни її температури на 1 До.

Питому теплоємність виражають у джоулях, поділених на кілограм, помножений на кельвін.Різним тілам потрібна неоднакова кількість енергії для підвищення температури на 1 К. Так, питома теплоємність води 4190 Дж/(кг·К), а міді 380 Дж/(кг·К).

Питома теплоємність залежить тільки від властивостей речовини, а й від цього, у якому процесі здійснюється теплопередача. Якщо нагрівати газ при постійному тиску, то він розширюватиметься і виконуватиме роботу. Для нагрівання газу на 1°C при постійному тиску йому потрібно буде передати більшу кількість теплоти, ніж нагрівання при постійному обсязі.

Рідкі та тверді тіла розширюються при нагріванні незначно, та їх питомі теплоємності при постійному обсязі та постійному тиску мало різняться.

Питома теплота пароутворення.Для перетворення рідини на пару необхідна передача їй певної кількості теплоти. Температура рідини при цьому перетворенні не змінюється. Перетворення рідини на пару при постійній температурі не веде до збільшення кінетичної енергії молекул, але супроводжується збільшенням їхньої потенційної енергії. Адже середня відстань між молекулами газу в багато разів більша, ніж між молекулами рідини. Крім того, збільшення обсягу при переході речовини з рідкого стану в газоподібний вимагає здійснення роботи проти сил зовнішнього тиску.

Кількість теплоти, необхідне для перетворення при настояній температурі 1 кг рідини на пару, називають питомою теплотою пароутворення. Позначають цю величину буквою r і виражають у джоулях на кілограм.

Дуже велика питома теплота пароутворення води: 2256 · 10 6 Дж/кг при температурі 100°C. В інших рідин (спирт, ефір, ртуть, гас та ін) питома теплота пароутворення менша в 3-10 разів.

Для перетворення на пару рідини масою m потрібна кількість теплоти, що дорівнює:

При конденсації пари відбувається виділення такої ж кількості теплоти

Q k = -rm. (4.7)

Питома теплота плавлення.При плавленні кристалічного тіла вся теплота, що підводиться до нього, йде на збільшення потенційної енергії молекул. Кінетична енергія молекул не змінюється, тому що плавлення відбувається за постійної температури.

Кількість теплоти (лямбда), необхідне для перетворення 1 кг кристалічної речовини при температурі плавлення в рідину тієї ж температури, називають питомою теплотою плавлення.

При кристалізації 1 кг речовини виділяється така сама кількість теплоти. Питома теплота плавлення льоду досить велика: 3,4 · 105 Дж/кг.

Для того щоб розплавити кристалічне тіло масою m, необхідна кількість теплоти, що дорівнює:

Q пл = λm. (4.8)

Кількість теплоти, що виділяється при кристалізації тіла, дорівнює:

Q кр = - λm. (4.9)

1. Що називають кількістю теплоти? 2. Від чого залежить питома теплоємність речовин? 3. Що називають питомою теплотою пароутворення? 4. Що називають питомою теплотою плавлення? 5. У яких випадках кількість переданої теплоти є негативною?