ПЕРЕДАЧА ТЕПЛА: ФОРМУЛИ, ЯК ЙОГО ОБЧИСЛИТИ ТА РОЗВ’ЯЗАНІ ВПРАВИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Тепло , передане є передача енергії між двома тілами при різних температурах. Той, що має більш високу температуру, віддає тепло та той, що має нижчу. Незалежно від того, чи тіло віддає або поглинає тепло, його температура або фізичний стан можуть змінюватися залежно від маси та характеристик матеріалу, з якого він виготовлений.

Хороший приклад - парна чашка кави. Металева ложка, з якою перемішується цукор, нагрівається. Якщо його залишити в чашці досить довго, кава та металева ложка закінчуються, вирівнюючи їхні температури: кава охолоне, а ложка подасть тепло. Частина тепла буде потрапляти в навколишнє середовище, оскільки система не утеплена.

Кава та ложка через деякий час знаходяться в тепловій рівновазі. Джерело: Pixabay.

По мірі того, як температури стають рівними, досягається теплова рівновага.

Якби ви зробили той самий тест із пластиковою чайною ложкою, ви неодмінно помітите, що він не нагрівається так швидко, як металевий, але в кінцевому підсумку також прийде в рівновагу з кавою та всім навколо неї.

Це тому, що метал проводить тепло краще, ніж пластик. З іншого боку, безумовно, кава подає тепло з іншою швидкістю, ніж гарячий шоколад чи інші напої. Тож тепло, яке відводиться або поглинається кожним предметом, залежить від того, з якого матеріалу чи речовини він виготовлений.

З чого складається і формули

Тепло завжди відноситься до потоку або транзиту енергії між одним об'єктом та іншим, через різницю температур.

Ось чому ми говоримо про тепло, яке передається або поглинається теплом, оскільки додаючи або витягаючи тепло або енергію певним чином, можна змінювати температуру елемента.

Кількість тепла, яку виділяє найгарячіший об'єкт, зазвичай називають Q. Це значення пропорційне масі цього об'єкта. Тіло з великою масою здатне віддавати більше тепла, ніж одна з меншою масою.

Перепад температур

Ще одним важливим фактором розрахунку теплопередачі є різниця температур, яку відчуває об’єкт, що передає тепло. Він позначається як Δ T і обчислюється так:

Нарешті, кількість теплоти, що передається, також залежить від природи та характеристик об'єкта, які кількісно узагальнені в константі, що називається питомою теплоти матеріалу, позначається як c.

Отже, нарешті, вираз для переданого тепла наступний:

Акт здачі символізується негативним знаком.

Питома тепло- і теплоємність речовини

Питома теплоємність - це кількість тепла, необхідного для підвищення температури 1 г речовини на 1 ºС. Це невід'ємна властивість матеріалу. Його одиницями в Міжнародній системі є: джоуль / кг. К (Джоул між кілограмом х температури в градусах Кельвіна).

Теплоємність С - це пов'язане поняття, але дещо інше, оскільки бере участь об'єкт. Теплоємність визначається наступним чином:

Його одиницями СІ є Джоул / К. Отже тепло, що виділяється, може виражатися так само, як:

Як його обчислити?

Для обчислення тепла, переданого об’єктом, необхідно знати наступне:

- питома теплоємність речовини, яка віддає тепло.

- Маса зазначеної речовини

- Кінцева температура, яку потрібно отримати

Конкретні значення теплоти для багатьох матеріалів були визначені експериментально і доступні в таблицях.

Калориметрія

Тепер, якщо ця величина не відома, отримати її можна за допомогою термометра та води в термоізольованій ємності: калориметрії. Діаграма цього пристрою показана на малюнку, який супроводжує вправу 1.

Зразок речовини занурюється при певній температурі у кількість води, яку раніше вимірювали. Вимірюється кінцева температура і визначається питома теплоємність матеріалу з отриманими значеннями.

Порівнюючи результат з табличними значеннями, можна дізнатися, що це за речовина. Ця процедура називається калориметрією.

Тепловий баланс здійснюється за рахунок збереження енергії:

Q _{виходив} + Q _{поглинав = 0}

Розв’язані вправи

Вправа 1

0,35 кг міді вводять при температурі 150ºC у 500 мл води при температурі 25ºC.

а) Кінцева температура рівноваги

б) Скільки тепла тече в цьому процесі?

Дані

Схема основного калориметра: ізольована ємність з водою та термометр для вимірювання змін температури. l Джерело: Доктор Тілахун Тесфайе

Рішення

а) Мідь віддає тепло, поки вода її поглинає. Оскільки система вважається закритою, в тепловий баланс втручаються лише вода та зразок:

З іншого боку, потрібно розрахувати масу 500 мл води:

За цими даними обчислюється маса води:

Підвищено рівняння тепла в кожній речовині:

Прирівнюючи результати, ми маємо:

Це лінійне рівняння з однією невідомою, рішення якої:

b) Кількість тепла, яке надходить, - це передане тепло або поглинане тепло:

У _дали = - 134,75 (32,56 - 150) , J = 15823 Дж

Q _{поглинуто} = 2093 (32,56 - 25) J = 15823 Дж

Вправа 2

100 г шматка міді нагрівають у печі при температурі T _o, а потім поміщають у 150 г мідного калориметра, що містить 200 г води при 16 ° С. Кінцева температура одного разу в рівновазі становить 38 º C. Коли калориметр та його вміст зважують, виявляється, що випарувалось 1,2 г води. Якою була початкова температура T _o ?

Рішення

Ця вправа відрізняється від попередньої, оскільки потрібно враховувати, що калориметр також поглинає тепло. Тепло, що виділяється шматочком міді, вкладається у все наступне:

- Нагрійте воду в калориметрі (200 г)

- Нагрійте казан, з якого виготовлений калориметр (150 г)

- Випаровуйте 1,2 грама води (енергія також потрібна для зміни фази).

Таким чином:

- 38,5. (38 - Т _о ) = 22397,3

Тепло, необхідне для доведення 1,2 г води до 100 ° С, також можна було б врахувати, але це порівняно невелика кількість.

Список літератури

1. Джанколі, Д. 2006. Фізика: принципи застосування. 6- ^й . Ред. Прентіс Холл. 400 - 410.
2. Кіркпатрик, Л. 2007. Фізика: погляд у світ. 6 ^та Редагування скорочено. Cengage Learning. 156-164.
3. Рекс, А. 2011. Основи фізики. Пірсон. 309-332.
4. Сірс, Земанський. 2016. Університетська фізика із сучасною фізикою. 14- ^й . Ред. Том 1. 556 - 553.
5. Сервей, Р., Вулле, C. 2011. Основи фізики. 9 ^на Cengage Learning.