Посмотреть теорию к решению задач
advertisement
Краткая теория по теме «Тепловые явления» Тепловые явления определяются хаотическим движением микрочастиц вещества, а также интенсивностью и характером взаимодействия между ними. Процесс изменения внутренней энергии системы может происходить двумя независимыми друг от друга способами – за счет совершения работы и за счет теплопередачи. Работа может совершаться как самой системой, так и внешними телами над системой. При совершении работы телом его внутренняя энергия уменьшается, при совершении работы внешних сил над телом внутренняя энергия последнего увеличивается. Работа обозначается символом А, возможно индексирование: работа внешних сил (например, работа силы трения) Атр, работа самого тела чаще всего не индексируется. Единицы измерения работы в системе СИ – 1 Джоуль. Экспериментальным образом установлена эквивалентность теплоты и работы (см. историческую справку 1). Изменение внутренней энергии посредством теплопередачи возможно за счет следующих процессов: теплопроводности, т.е. при непосредственном контакте тел, участвующих в теплообмене (кастрюля стоит на электрической плите, рука человека касается более или менее нагретого предмета); конвекции, т.е. при переносе теплоты потоками жидкости или газа (обогрев помещений зимой, атмосферная система переноса теплоты); излучения, т.е. при передаче тепловой энергии за счет инфракрасных электромагнитных волн (присутствуют в спектре Солнца, пламени костра, применяются в инфракрасных обогревателях). Количественной мерой изменения внутренней энергии при теплопередаче является количество теплоты. Количество теплоты позволяет определить величину энергии, получаемой или теряемой телом при нагревании или охлаждении, при изменении агрегатных состояний вещества. Обозначается количество теплоты как Q, единицы измерения в системе СИ – 1 Джоуль. Исторически количество теплоты измерялась в калориях (от латинского calor – тепло). Калория равна количеству теплорода, которое необходимо передать воде для повышения температуры одного грамма воды на один градус. Под теплородом понималась «по распространённым в XVIII — начале XIX века воззрениям, невесомый флюид, присутствующий в каждом 1 теле и являющийся причиной тепловых явлений. Введён в 1783 году Лавуазье. Гипотеза теплорода была отвергнута в результате испытаний, что послужило опорой для принятия молекулярно–кинетической теории в середине XIX века»1. Одна калория примерно равна 4, 19 Дж. Можно для упрощения принять, что 1 кал 4, 2 Дж. Поскольку одна калория весьма малая величина, то на практике используется единица 1 ккал = 103 кал. Если тело получает определенное количество теплоты за счет теплопередачи, то можно произвести расчет для различных процессов следующим образом. При нагревании или охлаждении вещества количество теплоты Q прямо пропорционально массе тела m и изменению температуры тела (t2 – t1): Q = cm(t2 – t1), или Q = cm∆t, где коэффициент пропорциональности с – удельная теплоемкость вещества; величина, которая показывает, какая тепловая энергия необходима для повышения температуры данного вещества массой 1 кг на 1 °С (или какая тепловая энергия выделится при понижении температуры данного вещества массой 1 кг на 1 °С). Единицы измерения удельной теплоемкости 1 Äæ . êã·Ñ Обратим внимание на то, что если тело охлаждается, то его конечная температура ниже начальной, изменение температуры ∆t < 0. При этом значение количества теплоты Q < 0. Можно сделать вывод, который применим для любых изменений вещества, из которого состоит тело: если тело или система тел получает количество теплоты, то мы считаем это количество теплоты положительным – Q > 0; если тело или система тел отдает количество теплоты, то мы считаем это количество теплоты отрицательным – Q < 0. Это важно для решения задач и анализа графиков. При плавлении или кристаллизации вещества, имеющего кристаллическое строение, его температура остается неизменной, поскольку изменение внутренней энергии происходит за счет изменения состояния связей между частицами. Температура, при которой кристаллическое вещество начинает плавится, называется температурой плавления. При плавлении вещества связи между его частицами разрушаются; тепловая энергия, подводимая к веществу, расходуется на разрушение кристаллической решетки вещества. 1 http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/112812 2 При кристаллизации вещества происходит обратный процесс восстановления связей между частицами, внутренняя энергия вещества должна уменьшаться, избыточная внутренняя энергия выделяется в окружающую тело среду. Поскольку значение энергии связи между частицами в кристаллической решетке имеет определенное значение, то величина тепловой энергии Q, необходимой для разрушения кристаллической решетки вещества массой m, имеет вполне определенную величину, рассчитываемую по формуле: Q = λm, где λ – удельная теплота плавления вещества – физическая величина, которая показывает, какая тепловая энергия необходима для полного плавления данного вещества массой 1 кг при температуре плавления. Единицы измерения удельной теплоты плавления – 1 Äæ . êã При кристаллизации вещества используем ту же формулу для расчета количества теплоты, но с учетом знака: Q = – λm. В данном кристаллизации. случае под λ можно понимать удельную теплоту Объяснение процесса парообразования и конденсации аналогично объяснению процессов плавления и кристаллизации: при парообразовании тело поглощает тепловую энергию, которая идет на разрушение связей между частицами жидкости; при конденсации тело высвобождает количество теплоты, образуя связи между частицами жидкости; температура вещества при этом остается неизменной. Эта температура называется температурой кипения. Поскольку значение энергии связи между частицами жидкости имеет определенное значение, то величина тепловой энергии Q, необходимой для разрушения связей между ними в веществе массой m, имеет величину, рассчитываемую по формуле: Q = Lm, где L – удельная теплота парообразования вещества – физическая величина, которая показывает, какая тепловая энергия необходима для полного испарения данного вещества массой 1 кг при температуре кипения. Единицы измерения удельной теплоты парообразования – 1 3 Äæ . êã При конденсации жидкости используем ту же формулу для расчета количества теплоты, но с учетом знака: Q = – Lm. В данном случае под L понимают удельную теплоту конденсации. Знак «–» указывает на то, что теплота телом выделяется. Изменение внутренней энергии тела возможно также в процессе сгорания. Этот процесс важен также как процесс поступления теплоты к другим телам. Количество теплоты Q, выделяющееся при полном сгорании топлива массой m, равно: Q = qm, где q – удельная теплота сгорания топлива: физическая величина, показывающая, какая энергия выделяется при полном сгорании данного вещества массой 1 кг. Единицы измерения удельной теплоты сгорания топлива –1 Äæ . êã В расчете задач на теплообмен важно учесть закон сохранения энергии в тепловых процессах: в теплоизолированной системе модуль суммарного количество теплоты, отданного более нагретыми телами равен суммарному количеству теплоты, полученному менее нагретыми телами: Q1отд+Q2 отд +Q2 отд+…+QNотд = Q1получ+Q2получ+Q3 получ+…+QN получ . Это уравнение называется уравнением теплового баланса. Или, если учесть правило знаков для записи количества теплоты, уравнение теплового баланса можно записать так: алгебраическая сумма полученных количеств теплоты Qполуч и отданных Qотд равна нулю: Qполуч + Qотд = 0. Кроме уравнения теплового баланса существует важнейший закон физики тепловых процессов – закон направленности теплообмена (иначе – второй закон термодинамики, изучаемый в 10 классе). Он гласит, что в теплоизолированной системе теплота самопроизвольно передается всегда от более нагретых тел менее нагретым (от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой). Обратный процесс, т.е. передача теплоты от тел с меньшей температурой к телам с более высокой температурой, возможен только при определенных изменениях в системе (при воздействии на нее). 4 Рассмотрим несколько важнейших примеров решения задач, позволяющих понять правильное применение идей сохранения энергии в тепловых процессах, направленности тепловых процессов, особенности процесса теплообмена тел в различных агрегатных состояниях. 5
