На что расходуется количество теплоты

Физика Перышкин ГДЗ 20 параграф

Привет, кто проходил 20 параграф по физике? вы отвечали на вопросы? а можете поделится ответами? буду благодарен!
1 На что расходуется энергия, подводимая к жидкости при кипении?
2 Что показывает удельная теплота парообразования?
3 Как можно показать на опыте, что при конденсации пара выделяется энергия?
4 Чему равна энергия, выделяемая водяным паром массой 1 кг при конденсации?
5 Где в технике используют энергию, выделяемую при конденсации водяного пара?

Здарова,
§ 20. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ.
1. Энергия, подводимая к жидкости при кипении, идет на образование пара из жидкости, т. е. на преодоление сил молекулярного притяжения.
2. Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры.
3.Опыт подтверждающий выделение энергии при конденсации может быть таким: струю пара из колбы с кипящей водой направляем на пластину, где происходит конденсация воды, нагревание пластины происходит не только от нагрева паром, но и от превращения пара в воду.
4. Энергию, выделяемую при конденсации m = 1 кг водяного пара при конденсации можно посчитать по формуле: Q=L*m, где L = 2,3*10 6 * 1 Дж.
5. Энергию, выделяемую при конденсации водяного пара, на электростанциях используют для нагревания воды, которую затем используют для отопления зданий, в банях, прачечных и т. п.

Источник

Молекулярная физика. Плавление и кристаллизация.

Переход вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением. Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определенной температуры, т. е. подвести тепло. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества.

Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твердое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристал лизацией. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристалли зации.

Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре.

На рисунке представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки А до точки D) и времени охлаждения (от точки D до точки K). На нем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.

Вид рассмотренного графика объясняется следующим образом. На участке АВ благодаря подводимому теплу средняя кинетическая энергия молекул льда увеличивается, и температура его повышается. На участке ВС вся энергия, получаемая содержимым колбы, тратится на разрушение кристаллической решетки льда: упорядоченное пространственное расположение его молекул сменяется неупорядоченным, меняется расстояние между молекулами, т.е. происходит перестройка молекул таким образом, что вещество становится жидким. Средняя кинетическая энергия моле­кул при этом не меняется, поэтому неизменной остается и температура. Дальнейшее увеличение температуры расплавленного льда-воды (на участке CD) означает увеличение кинетической энер­гии молекул воды вследствие подводимого горелкой тепла.

При охлаждении воды (участок DE) часть энергии у нее отбирается, молекулы воды движутся с меньшими скоростями, их средняя кинетическая энергия падает — температура уменьшается, вода охлаждается. При 0°С (горизонтальный участок EF) молекулы начинают выстраиваться в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Пока этот процесс не завершится, температура вещества не изменится, несмотря на отводимое тепло, а это означает, что при отвер­девании жидкость (вода) выделяет энергию. Это как раз та энергия, которую поглотил лед, пре­вращаясь в жидкость (участок ВС). Внутренняя энергия у жидкости больше, чем у твердого тела. При плавлении (и кристаллизации) внутренняя энергия тела меняется скачком.

Металлы, плавящиеся при температуре выше 1650 ºС, называют тугоплавкими (титан, хром, молибден и др.). Самая высокая температура плавления среди них у вольфрама — около 3400 °С. Тугоплавкие металлы и их соединения используют в качестве жаропрочных материалов в самолетостроении, ракетостроении и космической технике, атомной энергетике.

Подчеркнем еще раз, что при плавлении вещество поглощает энергию. При кристаллизации оно, наоборот, отдает ее в окружающую среду. Получая определенное количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается. Это хорошо известно многим птицам. Неда­ром их можно заметить зимой в морозную погоду сидящими на льду, который покрывает реки и озера. Из-за выделения энергии при образовании льда воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, и птицы этим пользуются.

Наличие определенной точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, снача­ла становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем — как сметана и, наконец, становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.

Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристаллических. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению напоминают жидкости. Уже в твердом стекле атомы расположены беспорядочно. Значит, повы­шение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое—жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному.

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое. Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристалли­зации вещества из жидкого состояния. При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энер­гии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить 332 Дж энергии, а для того чтобы расплавить 1 кг свинца — 25 кДж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой λ (лямбда).

Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой 1 кг выделяются те же 332 Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.

Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой m, следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

Теплота сгорания (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обыч­ное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива. Удельную теплоту сгорания обозначают буквой q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты Q, выделяющееся при сгорании m кг топлива, определяют по формуле:

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Источник

§ 13. Количество теплоты

Оглавление

В чём причина изменения внутренней энергии макроскопического тела при теплообмене?

Теплообмен. Другим способом изменения внутренней энергии термодинамической системы является теплообмен.

Теплообмен — самопроизвольный процесс передачи внутренней энергии от тела с большей температурой телу с меньшей температурой без совершения работы.

Теплообмен между контактирующими телами называют теплопередачей. За счёт переданной при этом энергии увеличивается внутренняя энергия одного тела и уменьшается внутренняя энергия другого. Если, например, привести в соприкосновение два тела с разными температурами, то частицы более нагретого тела будут передавать часть своей кинетической энергии частицам менее нагретого тела. В результате внутренняя энергия одного тела уменьшается, а другого увеличивается.

Таким образом, при теплопередаче не происходит превращения энергии из одной формы в другую: часть внутренней энергии более нагретого тела передаётся менее нагретому.

Выберите верное утверждение.

1. Произошла теплопередача — значит, изменилась внутренняя энергия тела.

2. Внутренняя энергия тела изменилась — значит, произошла теплопередача.

Количество теплоты и удельная теплоёмкость. Количественной мерой энергии, сообщённой телу (или отданной им) в процессе теплообмена, является количество теплоты.

В СИ единицей количества теплоты Q является джоуль (Дж). Иногда для измерения количества теплоты используют внесистемную единицу — калорию (1 кал = 4,19 Дж).

Если процесс теплообмена не сопровождается изменением агрегатного состояния вещества, то

Удельная теплоёмкость зависит от свойств данного вещества и, как показывает опыт, в достаточно большом интервале температур практически не изменяется. Однако удельная теплоёмкость газа зависит от того, при каком процессе (изобарном или изохорном) осуществляется теплообмен.

У какого из веществ, приведённых в таблице, изменение температуры окажется максимальным при сообщении им одинакового количества теплоты, если их массы равны?

Интересно знать

Сосуд, в котором находился лёд при температуре t₁ = –10 °С, внесли в комнату. При достижении теплового равновесия температура содержимого сосуда повысилась до t₂ = 20 °С. Какие тепловые процессы происходили с содержимым сосуда? Изменялась ли внутренняя энергия содержимого сосуда в процессе достижения теплового равновесия, и если изменялась, то как?

В ходе эксперимента был построен график зависимости температуры вещества от абсолютной величины выделенного им в процессе теплообмена количества теплоты (рис. 76). В момент начала отсчёта времени в сосуде находился только газ, а его давление в ходе всего процесса оставалось постоянным. Какие изменения температуры и внутренней энергии вещества происходили на каждом участке графика?

Это количество теплоты передаётся телам, образующим термодинамическую систему, и по отношению к ним является положительной величиной.

Источником тепла в доме, где не установлено газовое оборудование, является печь. Какой вид топлива наиболее эффективен (см. таблицу) для печного отопления? Почему?

1. Объясните изменение внутренней энергии тела при теплообмене и совершении работы.

2. Какая физическая величина является мерой изменения внутренней энергии тел при теплообмене?

3. Что называют удельной теплоёмкостью вещества? В каких единицах её измеряют?

4. Что называют удельной теплотой плавления вещества? В каких единицах её измеряют?

5. При плавлении кристаллического вещества, несмотря на подводимую энергию, его температура не изменяется. На что расходуется количество теплоты, сообщаемое телу?

6. Что называют удельной теплотой парообразования вещества? В каких единицах её измеряют?

7. Почему, несмотря на отводимую энергию, температура вещества на участке 2 (см. рис. 76) не изменяется?

8. Что называют теплотой сгорания топлива? В каких единицах её измеряют?

1. Когда вы берёте в руки металлические ножницы, то они кажутся холоднее окружающего воздуха. Имея только бытовой термометр и сосуд с водой, предложите опыт, который позволит проверить, так ли это. Проведите этот опыт.

2. Используя бытовой термометр, выясните, в каком случае естественное перемешивание воды произойдёт быстрее: если в горячую воду наливать холодную или в холодную наливать горячую (объёмы воды в обоих случаях одинаковые). Объясните полученный результат.

Пример 1. На рисунке 77 представлен график зависимости абсолютной температуры нагреваемого тела от переданного ему количества теплоты. Воспользовавшись таблицей на с. 84, определите вещество, из которого изготовлено тело, если его масса m = 40 кг.

Решение: Для того чтобы определить вещество, из которого изготовлено тело, найдём его удельную теплоёмкость с. Анализируя график, делаем вывод, что при нагревании тела от температуры Т₁ = 200 К до температуры Т₂ = 600 К ему было передано количество теплоты Q = 4,0 · 10 6 Дж, которое можно рассчитать по формуле Q = cm(Т₂ – Т₁).

Полученное значение удельной теплоёмкости соответствует олову.

Решение: Пренебрегая потерями энергии в окружающую среду, учитываем только обмен энергией между входящими в систему телами. Рассмотрим тепловые процессы, происходившие в системе: 1) нагревание льда от температуры t₂ до температуры плавления t₀ = 0,0 °С: Q₁ = c₂m₂(t₀ – t₂); 2) таяние льда: Q₂ = λm₂; 3) нагревание воды, появившейся при таянии льда, от температуры t₀ до температуры t₃: Q₃ = c₁m₂(t₃ – t₀); 4) остывание тёплой воды массой m₁ от температуры t₁ до температуры t₃: Q₄ = c₁m₁(t₃ – t₁). Составим уравнение теплового баланса: Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ = 0, или

Упражнение 9

5. В калориметр налили воду при температуре t = 12 °С. При проведении первого опыта в воду поместили лёд массой m₁ = 0,10 кг, а при проведении второго — лёд массой m₂ = 0,20 кг. В обоих опытах лёд был взят при температуре плавления. Определите установившуюся в калориметре температуру, если и в первом, и во втором опытах она была одинаковая.

Источник

1. Как объяснить процесс плавления тела на основе учения о строении вещества?

В кристаллах молекулы расположены в строгом порядке. Однако и в кристаллах они находится в тепловом движении (колеблются). При нагревании тела средняя скорость движения молекул возрастает. Следовательно, возрастает и их средняя кинетическая энергия и температура. Вследствие этого размах колебаний молекул увеличивается. Когда тело нагреется до температуры плавления, то нарушается порядок в расположении частиц в кристаллах. Кристаллы теряют свою форму. Вещество плавится, переходя из твердого состояния в жидкое.

2. На что расходуется энергия топлива при плавлении кристаллического тела, нагретого до температуры плавления?

Вся энергия, которую получает кристалл — кристалическое тело после того, как оно уже нагрето до температуры плавления, расходуется на разрушение кристалла. В связи с этим температура тела перестает повышаться.

3. Что называется удельной теплотой плавления?

Удельная теплота плавления — это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние.

4. Как объяснить процесс отвердевания на основе учения о строении вещества?

Скорость и средняя кинетическая энергия молекул в охлажденном расплавленном веществе уменьшается. Силы притяжения теперь могут удерживать медленно движущиеся молекулы друг около друга. Вследствие этого расположение частиц становится упорядоченным — образуется кристал. Выделяющаяся энергия расходуется на поддержание постоянной температуры.

5. Как вычисляют количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела, взятого при температуре плавления?

Количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела при температуре плавления, рассчитывают по формуле: Q = λm

m — масса тела; λ — удельная теплота плавления.

6. Как вычислить количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации тела, имеющего температуру плавления?

Количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации тела массой m, определяется также по формуле: λm

Источник

Удельная теплота плавления

Содержание

Рассматривая график плавления и отвердевания льда в прошлом уроке, мы выяснили, что во время процесса плавления температура льда не меняется. Температура продолжит расти только тогда, когда лед полностью перейдет в жидкость. То же самое мы наблюдали и при кристаллизации воды.

Но, когда лёд плавится, он все равно получает энергию. Ведь во время плавления мы не выключаем горелку – лёд получает какое-то количество теплоты от сгорающего в спиртовке (или другом нагревателе) топлива. Куда уходит эта энергия? Вы уже знаете закон сохранения энергии – энергия не может исчезнуть.

В данном уроке мы подробно рассмотрим, что происходит во время процесса плавления, как изменяется энергия и температура. Это позволит нам перейти к новому определению – удельной теплоте плавления.

Изменение внутренней энергии и температуры при плавлении

Так на что же уходит энергия, которую мы сообщаем телу, при плавлении?

Вы знаете, что в кристаллических твердых телах атомы (или молекулы) расположены в строгом порядке (рисунок 1). Они не двигаются так активно, как в газах или жидкостях. Тем не менее, они также находятся в тепловом движении – колеблются.

Взгляните еще раз на график плавления и отвердевания льда (рисунок 2).

Нагревание льда идет на участке AB. В это время увеличивается средняя скорость движения его молекул. Значит, возрастает и их средняя кинетическая энергия и температура. Размах колебаний атомов (или молекул) увеличивается.

Так происходит то того момента, пока нагреваемое тело не достигнет температуры плавления.

При температуре плавления нарушается порядок в расположении частиц в кристаллах.

Так вещество начинает переход из твердого состояния в жидкое.

Значит, энергия, которую получает тело после достижения температуры плавления, расходуется на разрушение кристаллической решетки. Поэтому температура тела не повышается – участок графика BC.

Изменение внутренней энергии и температуры при отвердевании

При отвердевании происходит обратное.

Средняя скорость движения молекул и их средняя кинетическая энергия в жидкости (расплавленном веществе) уменьшается при охлаждении. Этому соответствует участок графика DE на рисунке 2.

Теперь силы притяжения между молекулами могут удерживать их друг около друга. Расположение частиц становится упорядоченным – образуется кристалл (участок графика EF).

Куда расходуется энергия, которая выделяется при кристаллизации? Температура тела остается постоянной во время этого процесса. Значит, энергия расходуется на поддержание этой температуры, пока тело полностью не отвердеет.

Теперь мы можем сказать, что

При температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твёрдом состоянии.

Эта избыточная энергия выделяется при кристаллизации и поддерживает температуру тела на одном уровне во время всего процесса отвердевания.

Удельная теплота плавления

Опытным путем доказано, что для превращения твердых кристаллических тел одинаковой массы в жидкость необходимо разное количество теплоты. Тела при этом рассматриваются при их температурах плавления.

Удельная теплота плавления некоторых веществ

В таблице 1 представлены экспериментально полученные величины удельной теплоты плавления для некоторых веществ.

Таблица 1. Удельная теплота плавления некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении)

Опытным путём доказано, что

при отвердевании кристаллического вещества выделяется точно такое же количество теплоты, которое поглощается при его плавлении.

Расчет количества теплоты, необходимого для плавления или отвердевания вещества

Количество теплоты, которое выделится при отвердевании, рассчитывается по этой же формуле. Но при этом необходимо помнить, что внутренняя энергия тела будет уменьшаться.

Примеры задач

Дано:
$m = 2 \space кг$
$t_1 = 0 \degree C$
$t_2 = 100 \degree C$
$\lambda = 3.4 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$
$с = 4.2 \cdot 10^3 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Тогда, для превращения куска льда в кипяток нам потребуется количество теплоты:
$Q = Q_1 + Q_2 = 6.8 \cdot 10^5 \space Дж + 8.4 \cdot 10^5 \space Дж = 15.2 \cdot 10^5 \space Дж$.

Дано:
$m = 10 \space кг$
$t_1 = 29 \degree C$
$t_2 = 1539 \degree C$
$c = 460 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$
$\lambda = 2.7 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

$Q_1 = cm(t_2 – t_1)$.
$Q_1 = 460 \frac<Дж> <кг \cdot \degree C>\cdot 10 \space кг \cdot (1539 \degree C – 19 \degree C) = 4600 \frac<Дж> <\degree C>\cdot 1510 \degree C = 6 \space 946 \space 000 \space Дж \approx 69 \cdot 10^5 \space Дж$.

$Q_2 = \lambda m$.
$Q_2 = 2.7 \cdot 10^5 \frac<Дж> <кг>\cdot 10 \space кг = 27 \cdot 10^5 \space Дж$.

$Q = Q_1 + Q_2 = 69 \cdot 10^5 \space Дж + 27 \cdot 10^5 \space Дж = 96 \cdot 10^5 \space Дж$.

Дано:
$m_1 = 3 \space кг$
$\lambda_1 = 3.4 \cdot 10^5 \frac<Дж><кг>$
$c_2 = 500 \frac<Дж><кг \cdot \degree C>$
$t_1 = 800 \degree C$
$t_2 = 0 \degree C$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Источник