Тепловые явления.

Занятие 2.

Джеймс Джоуль

Джеймс Джоуль родился 24 декабря 1818 года в Великобритании. Будущий великий физик с детства начал увлекаться электричеством, причем его любимым делом было проведение опытов и экспериментов. Однажды, проводя один из экспериментов, он был настолько увлечен процессом, что забыл про технику безопасности и ударил током одного из слуг богатой семьи, который даже потерял сознание из-за этого.

Интересным фактом об этом ученом является и то, что на занятия серьезной наукой его сподвигло желание развития семейного бизнеса. Да, именно так, изначально Джеймс Джоуль был предпринимателем. Как уже было сказано, он родился в богатой семье, во владении которой значилась пивоварня, на которой Джоуль начал работать еще в 15 лет, а закончил только в 36 лет, когда на его счету уже было множество достижений и открытий в физике. Именно желание улучшить бизнес и модернизировать процесс пивоварения сподвигло Джоуля к развитию в науке. Так, 19-летний Джеймс начал свой путь к большим научным достижениям из стремления найти способ замены паровых пивоваренных машин на электрические.

Уже в 20 лет Джоуль собрал собственный электромагнитный двигатель, а в 22 года заменил паровые двигатели пивоваренных машин на электрические. Юный ученый был полон желания добиться более эффективной работы пивоварни, а также жаждал проверить научные результаты эксперимента. К сожалению, практическая польза существовавших на то время электрических двигателей оказалось ниже паровых машин, что сам Джоуль и установил. Интересно то, что до конца жизни Джоуль сам полагал, что электрические двигатели никогда не вытеснят работу лошадей. Будучи не только ученым, но и предпринимателем, Джоуль аргументировал свою позицию следующим образом: стоимость использующегося в батареях того времени цинка больше стоимости овса, который съест лошадь при выполнении той же работы.

За огромный вклад Джоуля в физику, за его многочисленные работы в области термодинамики, электричества и тока, в 1889 Второй международный конгресс электриков ввел единицу измерения «джоуль» в электрические единицы в качестве единицы работы и энергии электричества.

Расчет количества теплоты.

Данный урок посвящен вычислению количества теплоты при нагревании тела или выделяемого им при охлаждении.

Но как именно мы можем рассчитывать количество теплоты? И как характеризовать эту величину?

Прежде всего нам стоит разобраться: а вследствии чего может выделяться энергия?
Ну, конечно же, в случаях горения тел или, например, взрыва.

Умение вычислять необходимое количество теплоты является очень важным. Это может понадобиться, к примеру, при вычислении количества теплоты, которое необходимо сообщить воде для обогрева помещения.

Количество теплоты – это есть энергия.

Также при передаче тепла между более и менее нагретыми телами. Например, горячая вода в комнате будет отдавать тепло, пока температура не выровняется, т.е. пока температура воды не станет равна температуре окружающей среды.

Выделение или поглощение телами энергии численно равно количеству теплоты, которое передается или поглощается, соответственно.

То есть эта величина является некой числовой характеристикой, которая показывает, как именно вещество может передавать, производить или поглощать энергию.

Энергия измеряются в Джоулях(Дж). Также в джоулях измеряется такое физическое определение, как работа силы.

Вы можете совершить определенную работу над телом, то есть переместить его, поднять, деформировать, бросить, разогнать и т.д. Для всего этого требуется совершить работу над телом, т.е. потратить энергию.

Одним из способов как можно потратить энергию, это нагреть тело, что значит передать ему кол-во теплоты.

Возможно, вы также слышали такое понятие, как мощность. Мощность двигателя, мощность нагревания плиты, мощность микроволновки и можно придумать много примеров.

Что же такое показывает мощность. Мощность – это работа совершенная за единицу времени. Мощность показывает, например, как много работы может совершить двигатель за 1 с.

Если говорить про мощность плиты или микроволновки, то мы будем подразумевать то, как много энергии передается микроволновкой или плитой в единицу времени.

Давайте на примере опыта разберемся, как же рассчитывать кол-во теплоты для разных тел.

Для этого нам потребуется вода, микроволновка и термометр(необязательно).

Почему микроволновая печь? Здесь мы можем выбрать мощность, например, 900 Вт/с. То есть, если мы поставим на 100 секунд нашу воду, приблизительно сможем сказать, что сообщили с помощью микроволновки энергию 900*100 = 90 кДж.

Таким образом, мы всегда примерно знаем, какую энергию сообщили.

Здесь уже начинается настоящая экспериментальная физика. Нам нужно понять, на что влияет кол-во теплоты, которое мы сообщаем и от чего зависит результат.

По результатам опыта можно зафиксировать, что чем больше масса тела, тем сложнее его нагревать до определенной температуры. При этом, зависимость линейная. Если мы сообщим телу одно и то же кол-во теплоты, но увеличим его массу в 10 раз, то температура тела увеличится на значение, в 10 раз меньшее.

1. Для успешного проведения опыта можно взять три различных объема воды, поставить их по отдельности в микроволновку на одно и то же время, а после этого измерить температуру.

Какой вывод по результатам опыта можно сделать?

Не забывайте, что вы также нагреваете сосуд, в котором находится вода, а также самой микроволновке нужно время прогреться. Поэтому важно все наши результаты считать приближенными и делать ключевые выводы.

2. Вторая часть опыта заключается в том, чтобы нагревать один и тот же объем воды, но разное кол-во времени. Поставьте воду на 40, 60 и 80 секунд. На сколько увеличилась температура в каждом опыте? Запишите результаты.

Какие выводы можно сделать?

Получается, что значение, на сколько увеличилась температура воды напрямую зависит от кол-ва полученного тепла, что логично.

Значит, мы установили то, насколько нагреется тело, зависит от его массы и кол-ва полученного тепла.

А зависит ли температура от свойств самого тела? Конечно!

Например, попробуйте поставить такую же массу любого другого вещества на то же время, что вы ставили воду. Измерьте температуру и сравните результаты. Конечно, они отличаются.

Давайте запишем формулой, что же мы получили.

(Tк-Tн) = Q/cm

(Tк-Tн) – разность температур до и после нагревания.

Q – кол-во теплоты, полученное телом

m – масса тела

c – коэффициент, который мы ввели, характеризующий свойства вещества.

Выразим кол-во теплоты и получим формулу:

Q = cmΔT = cm(Tк-Tн)

Что за такой коэффициент c у нас получился?

с – это удельная теплоемкость тела, которая определяет какое кол-во теплоты нужно сообщить телу массу 1 кг чтобы нагреть его на 1 С. Удельная теплоемкость является табличным значением, т.е. при решении всех задач, у вас уже будут значения теплоемкости в виде таблицы.

Причём, если ΔT , то есть при охлаждении, говорят, что тело отдало некоторое количество теплоты, или же телу передали отрицательное количество теплоты. Если же , то есть наблюдается нагрев тела, количество переданной теплоты, конечно же, будет положительным.

Калориметр состоит из крышки, внутренней и внешней оболочки. Очень важным в конструкции калориметра является то, что между меньшей и большей оболочками существует прослойка воздуха, которая обеспечивает из-за низкой теплопроводности плохую теплопередачу между содержимым и внешней средой. Поэтому такая конструкция позволяет рассматривать калориметр как некий термос. Поэтому практически получается избавиться от воздействий внешней среды на протекание процессов теплообмена внутри калориметра.

C = Q/ΔT

Здесь уже учтена масса тела. Например, если тело состоит из разных материалов, вам не нужно считать их массу и учитывать удельную теплоемкость, а просто пользоваться теплоемкостью.

Калориметр (от лат. calor – тепло и metor – измерять) – прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе. Термин «калориметр» был предложен А. Лавуазье и П. Лапласом.

Замечание. Важно отметить, что такое понятие, как количество теплоты, которым мы очень часто пользуемся, нельзя путать с внутренней энергией тела. Количество теплоты определяет именно изменение внутренней энергии, а не его конкретное значение.

Если мы говорим про какое-то конкретное тело, а не про вещество определенной массы, то можно использовать понятие теплоемкости тела.

Теплоемкость вещества – количество теплоты, которое надо к нему подвести, чтобы изменить его температуру на 1 градус Цельсия:

[C] = Дж/℃

Как сделать вечный двигатель?

Возможен ли вечный двигатель? Думаю, вы уже знаете ответ.

Имеется фундаментальный закон природы, подтверждаемый всевозможными экспериментами — закон сохранения энергии. Он гласит, что полная энергия замкнутой системы тел не меняется со временем.

Также это говорит о том, что энергия не может появляться ниоткуда и просто пропадать. Энергия может переходить из одного вида в другой.

Давайте рассмотрим самую простую модель вечного двигателя с водой. На картинках изображена одна и та же модель. Что же здесь не так? Или должен работать?

Данный опыт легко проверить. Для этого понадобиться пластиковая бутылка и трубка (отправляли для термометра в наборе).

Какой итог?

Вечный двигатель – это такой идеальный источник энергии, вся работа которого является полезной (т.е. используется для определенной цели).

На самом деле, такое невозможно. Всегда найдутся силы трения, сопротивления или другие силы, из-за которых будут потери энергии. Хотя при этом человечество очень долго старалось придумать вечный источник энергии. Кто-то до сих пор пытается.

Давайте рассмотрим ещё несколько вечных двигателей.

Уравнение теплового баланса.

В таком случае закон сохранения энергии утверждает, что внутренняя энергия нашей системы будет оставаться одной и той же: . Если изменение внутренней энергии первого тела равно , а изменение внутренней энергии второго тела равно , то суммарное изменение внутренней энергии будет равно нулю:

Рассмотрим два тела (обозначим их 1 и 2), которые образуют замкнутую систему. Это означает, что данные тела могут обмениваться энергией только друг с другом, т.е. энергетических потерь нет. Также работа в системе не совершается.

Давайте считать, что второе тело у нас является более нагретым, то есть оно энергию отдает, а первое, более холодное, то есть оно энергию получает.

ΔU1+ΔU2 = 0

ΔU1 = - ΔU2

Или

Тогда, ΔU1 — количество теплоты, полученное первым телом в процессе теплообмена; ΔU2 = Qотд — количество теплоты, отданное вторым телом в процессе теплообмена. Тогда

Qпол = Qотд

Это и является уравнением теплового баланса. Вам необходимо записать, сколько тепла получило одно тело, сколько тепла отдало другое тело и приравнять эти значения.

Данное уравнение справедливо и для большого кол-ва тел. В таком случае Qпол будет включать кол-во теплоты, полученное всеми телами, также, как и будет Qотд включать отданное тепло от всех тел.

Qпол = Q1 + Q3+...

Qотд = Q2 + Q4+...

Qпол = Qотд

Рассмотрим небольшую задачу на уравнение теплового баланса.

В чашке находится горячий чай при температуре 95 °С. Масса чая – 150 г. Определите массу холодной воды, которую нужно долить в чашку с чаем, чтобы понизить температуру чая до 60 °С. Температура холодной воды – 5 °С. Теплоемкость чая считать равной теплоемкости воды, потерями тепла пренебречь.

Что отдает тепло, а что получает? Как записать это на языке формул?

Фазовые переходы.

Давайте рассмотрим различные переходы между агрегатными состояниями вещества:

Как вы все знаете, вода может находиться в зависимости от температуры в разных состояниях. Эти состояния называются агрегатными состояниями вещества. Агрегатное состояние бывает: жидкость, газ, твердое тело.

Самое простое явление, которое вы всегда наблюдаете в жизни – плавление. Допустим, купили вы мороженое в магазине, а по приходу домой оно растаяло. Это и есть переход из твердого состояния в жидкое

Возьмем бутылку очищенной питьевой воды (подойдет бутилированная вода из магазина). Оставим бутылку при комнатной температуре на 4 часа, чтобы вода также нагрелась до комнатной температуры. Далее, положим бутылку с водой в холодильник при температуре -18 градусов. Спустя полтора часа аккуратно и не растрясывая достанем бутылку, после чего ударим по ней, после чего вода тут же начнет кристаллизоваться и становиться льдом, пока полностью не замерзнет.

Чтобы лед растаял, чтобы связи между молекулами разорвались, нужна энергия. Вот поэтому при нуле градусов солнце светит, греет, но температура не повышается: солнечная энергия идет на разрыв связей.

Понятно, что чем больше нужно расплавить льда, тем больше энергии для этого требуется.

Теперь вы знаете, почему на улице может потеплеть с +10 градусов до +25 или с –25 до –10 даже за один день, а с –5 до +5 – нет. Весна всегда приходит медленно, температура некоторое время держится около нуля, пока не растает снег и лед.

А как думаете, влияет ли что-нибудь на температуру плавления? Или всегда тела плавятся при одной и той же температуре, соответствующей веществу.

Оказывается, что если изменить атмосферное давление, то изменится и температура плавления.

Обратный процесс, связанный с переходом вещества из жидкого состояния в твёрдое, называется кристаллизацией или отвердеванием.

Проведем опыт:

Возьмем два стакана. В один стакан положим несколько кубиков льда и взвесим. Во второй стакан нальем воду из крана (не используйте питьевую воду, она пагубно влияет на микроволновые печи!), чтобы стакан со льдом и стакан с водой весили одинаково. Поставим оба стакана в микроволновую печь и включим ее. Затем мы увидим, что вода в стакане закипит быстрее, чем лед полностью растает.

О чем говорит данный опыт?
Мы помним, что микроволновка сообщает определенное кол-во теплоты обоим стаканам. О чем говорит тот факт, что вода уже закипела, а лед растаял только частично?

Это говорит о том, что на плавление льда требуется гораздо больше тепла, чем на закипание воды.

Можно также подумать, от чего зависит кол-во теплоты, требуемое на плавление льда. Пока лёд плавится, температура льда и воды строго остается постоянной и равной 0 С.

Значит, от температуры тепло не зависит. Но тепло зависит от массы льда, при этом, прямо пропорционально. Чем больше масса льда, тем больше надо тепла, чтобы лед растаял.

Конечно, тепло зависит от самого вещества, в нашем случае это лед, от его свойств.

Как это выразить через формулу. Сделав аналогичные выводы, как с формулой кол-ва теплоты, получим формулу:

Q = λm

Где,
Q – кол-во теплоты для плавления

m – масса тела

λ – удельная теплота плавления вещества.

Удельная теплота плавления также является табличной величиной, которая будет у вас при решении всех задач.

Удельная теплота плавления показывает какое кол-во теплоты надо сообщить конкретному веществу, чтобы расплавить единицу массы (1 кг).

С помощью экспериментов можно также рассчитать удельную теплоту плавления льда, но мы воспользуемся готовой таблицей для различных веществ и решим одну задачу.

График плавления

Сколько энергии нужно затратить, чтобы расплавить лёд массой 4 кг при температуре 0°С?

Проведем опыт:

Возьмем обычную нить, поваренную соль и кусочек льда. Положим кусок льда в стакан или на тарелку, а сверху льда положим кусок нити. Затем обильно посыплем кусок льда с нитью поваренной солью. Спустя минуту можно поднять кусок льда за нить, так как она примерзнет ко льду.

Поскольку вся наша жизнь основана на движении, а движение в большинстве своем основано на сгорании топлива.

Топливо – вещество, которое в некоторых процессах (горение, ядерные реакции) выделяет тепло. Является источником энергии.

Сгорание топлива – это химический процесс, который является окислительным. При сгорании атомы углерода соединяются с атомами кислорода , образуя молекулы. В результате этого выделяется энергия, которую и использует человек в своих целях

Для характеристики топлива используется такое понятие, как теплотворность. Теплотворность показывает, какое количество теплоты выделяется при сгорании 1кг топлива. В физике теплотворности соответствует понятие удельной теплоты сгорания вещества.

Удельную теплоту сгорания принято обозначать буквой q . Единицы измерения: [q] = Дж/кг . Удельная теплота сгорания определяется опытным путем с помощью сложных приборов. Однако для решения задач существуют специальные таблицы.

Здесь: m – масса топлива (кг), q – удельная теплота сгорания топлива ( Дж/кг ).

Q = qmт

Для вычисления количества теплоты, которое выделяется при сгорании топлива, используется следующая формула:

В последние годы активно обсуждается поиск альтернативных источников энергии, так как активно использующиеся на данный момент нефть, уголь и газ являются ископаемыми источниками, то есть их запасы ограничены. Например, по подсчетам экспертов, при текущем уровне потребления нефти, разведанных месторождений человечеству хватит на 50 лет. Даже если мы представим, что завтра количество разведанных месторождений магическим образом увеличится вдвое, это лишь отсрочит неизбежное исчезновение нефти, что справедливо и для других ископаемых. Помимо недостатка в виде конечности этих видов топлива, следует также отметить их вред для экологии. Эта тема весьма популярна, особенно в последние года, ведь никто не наносит такой вред нашей планете, как мы сами. А добыча, производство и использование таких энергетических ресурсов уже на протяжении десятилетии наносят непоправимый вред природе в огромных масштабах, ведь уровень потребления этих ископаемых просто колоссален в масштабах всего человечества. В поиске альтернативных источников топлива, ученые обратили внимание на водородное топливо, которое на данный момент является одной из главных перспектив на замену традиционных видов топлива.

Первым плюсом водорода является его распространённость. В отличие от нефти, угля и газа, запасы водорода практически неиссякаемы. Дело в том, что водород является самым распространенным веществом во вселенной. Из него состоит порядка 70% всей известной человеку материи, что позволяет называть его неиссякаемым веществом. К примеру, как мы знаем, водород содержится в воде, а вода занимает более 70% нашей планеты, что уже дает внушительные запасы этого вещества. Помимо этого, использование водорода, в противопоставление традиционным видам топлива, не несет в себе вреда для экологии. Дело в том, что побочными продуктами использования водородного топлива являются тепло и вода. Для сравнения, средний легковой автомобиль проезжает 15км каждый день. В случае использования бензина в качестве топлива, расходуя 15 литров топлива, машина выпускает около 9кг углекислого газа ежедневно. А теперь просто вообразите количество машин, которые ежедневно ездят во всем мире, сколько же углекислого газа они выпускают в атмосферу, без учета иных вредных веществ.

Отсюда напрашивается очевидный вопрос: почему же человечество все еще не использует водородное топливо повсеместно: ответ прост – отсутствует способ добычи, который не наносил бы вред окружающей среде и не был бы затратным. Дело в том, что водород не существует в природе в чистом виде, а только в связи с другими химическими элементами. Таким образом, для добычи водорода из этих элементов необходимы другие источники энергии, которые позволят добыть водород путем проведения различных реакций. На данный момент не открыт другой метод, который бы был полноценной альтернативой традиционному топливу, так как существующие на данный момент методы добычи водорода несут за собой побочные атмосферные выбросы, что также несет вред экологии и требует дорогостоящего оборудования и инфраструктуры. Таким образом, от использования экологичной и неиссякаемой альтернативы современному топливу в виде водорода человечества отделяет лишь один шаг – поиск пригодного метода его добычи.