Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 11
|
Нижегородский физико-математический Лицей № 40
В пособии приведены методические рекомендации по обучению физики в 8-м классе для школ с углубленным изучением предмета, приведены примеры решения задач и большое количество задач для самостоятельной работы по теме «Тепловые явления», а также методические рекомендации по обработке результатов экспериментов при проведении лабораторных работ. Авторы и издательство приносят свои извинения за неточности, ошибки, опечатки и пр., допущенные при наборе и верстке текста Компьютерный набор: Лапин Сергей Компьютерная верстка: Шилков Р.Н. © Ковалев В.Ю., Шилков Р.Н. ©издательство ЛИЦЕЙ 40 Глава 1.
Изменение внутренней энергии в процессах теплопередачи.
§1. Основные понятия и законы.
1. Все тела состоят из атомов и молекул, находящихся в беспорядочном непрерывном движении. Хаотическое движение молекул тела называют тепловым движением. Каждая молекула вещества обладает кинетической и потенциальной энергией, поэтому всякое тело наряду с механической энергией направленного движения обладает внутренней энергией
.
Величина внутренней энергии тела складывается из кинетической энергии беспорядочного движения молекул и потенциальной энергии их взаимного взаимодействия и расположения. Изменение внутренней энергии
и передача ее от одного тела к другому происходит в процессе взаимодействия тел. Возможны два способа такого взаимодействия. Первый – когда внутренняя энергия одного тела изменяется за счет изменения энергии упорядоченного движения другого тела (механической работы, электризации, перемагничивании, облучении), второй – когда изменение внутренней энергии происходит вследствие соударения хаотически движущихся молекул соприкасающихся тел. 2. Процесс изменения внутренней энергии тела, обусловленный передачей теплового движения молекул без совершения работы внешней средой, называется тепловым процессом или процессом теплопередачи
. Мерой изменения внутренней энергии тел, происходящего при теплообмене, служит величина, называемая количеством теплоты
. 3. Количество теплоты
, подведенное к телу, идет, в общем случае, на изменение внутренней энергии тела и на совершение телом работы над внешней средой (закон сохранения и превращения энергии):
Количеством теплоты Q, сообщенному телу, считается при этом положительным, отданное телом – отрицательным. Работа считается положительной, если тело совершает работу над внешней средой, отрицательной, если работа совершается над телом. 4. Количество теплоты и работа являются мерами изменения внутренней энергии
, первая – в процессе теплопередачи, вторая – в процессе превращения механической энергии в теплоту. Единицей количества теплоты является джоуль
(Дж). 5. Существуют три вида теплопередачи
: конвекция
, теплопроводность
и излучение
. Конвекция
(в газах и жидкостях) – передача тепла путем перемещения и перемешивания холодных слоев жидкого и газообразного вещества. Теплопроводность
(в газах, жидких и твердых телах) – передача теплоты от более нагретой части тела к менее нагретой в результате теплового движения и взаимодействия молекул. Излучение
– процесс передачи теплоты на расстоянии с помощью электромагнитных волн. 6. Скалярная величина, равная количеству теплоты, которое требуется для изменения температуры тела на один градус, называется общей теплоемкостью
C0
. 7. Скалярная величина, равная количеству теплоты, которое требуется для изменения температуры тела массой 1 кг на 1О
C, называется удельной теплоемкостью
C. 8. Если суммарная кинетическая энергия молекул тела изменяется при неизменной потенциальной энергии, то изменение внутренней энергии тела массой m равно где 9. Удельной теплотой сгорания топлива
q называется скалярная величина, равная количеству теплоты, которое выделит топливо массой 1 кг при полном сгорании. 10. В процессе химического соединения ряда веществ перестраивается структура молекул, в результате чего резко увеличивается их кинетическая энергия. Такие процессы называют процессами горения, а участвующие в них тела – топливом и окислителем. При полном сгорании топлива массы m внутренняя энергия теплового движения молекул возрастает на величину где q
– удельная теплота сгорания топлива
при данном окислителе. 11. Коэффициентом полезного действия (КПД)
нагревателя называется скалярная величина: где QП
– полезное количество теплоты, QЗ
– количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива. §2. Внутренняя энергия. Качественные задачи.
Задача 1.
Закрытую пробирку поместили в горячую воду. Изменилась ли кинетическая и потенциальная энергия молекул воздуха в пробирке? Если изменилась, то как? Задача 2
. В один стакан налита холодная вода, в другой – кипяток. В каком стакане вода обладает большей внутренней энергией? Задача 3
. Два медных бруска массами 100 и 500 г, взятых при комнатной температуре, погрузили в горячую воду на одинаковое время. Изменилась ли их внутренняя энергия? Одинаково ли изменилось значение внутренней энергии этих брусков относительно друг друга? Ответ обоснуйте. Задача 4.
В сосуде нагрели воду. Можно ли сказать, что внутренняя энергия воды увеличилась? Можно ли сказать, что воде передано некоторое количество теплоты? Ответ обоснуйте. Задача 5.
После обработки на точильном круге зубило стало горячим. Зубило, вынутое из горна, тоже горячее. Одинакова ли причина повышения температуры зубила? Задача 6
В закрытой трубке находится капля ртути. Трубку с одного конца нагрели. Объясните, за счет какой энергии совершается работа по перемещению ртути в трубке. Задача 7
. При трении головки спички о коробок спичка воспламеняется. Объясните явление. Задача 8.
Спичка загорается при трении ее о коробок. Она вспыхивает и при внесении ее в пламя свечи. В чем сходство и различие причин, приведших к воспламенению спички? Задача 9.
Можно ли сказать (см. предыдущую задачу), что внутренняя энергия спичечной головки увеличилась, что ей передано некоторое количество теплоты, что она нагрелась до температуры воспламенения? Задача 10.
Почему воспламеняется горючее в капсюле патрона при ударе по ней бойком во время выстрела? Задача 11.
В пробирку наливают немного воды, затыкают пробкой и нагревают воду. Спустя некоторое время пробка вылетает. Какие превращения энергии происходят в опыте? Задача 12.
Со дна водоема всплывает пузырек воздуха. За счет чего увеличивается его потенциальная энергия? Задача 13.
Объясните, почему происходит изменение внутренней энергии: а) при сжатии и расширении воздуха; б) при нагревании воды в кастрюле; в) при сжатии и растяжении резины; г) при таянии льда. Задача 14.
Приведите примеры изменения внутренней энергии тела в процессе совершения работы при: а) трении; б) ударе; в) сжатии. Задача 15.
В одном сосуде разреженный газ. В другом таком же сосуде - сжатый. Какой газ имеет большую потенциальную энергию взаимодействия молекул и почему? Задача 16.
Почему пила нагревается, если ею пилить длительное время? Задача 17.
Объясните, на каком физическом явлении основан способ добывания огня трением. Задача 18.
Почему коньки легко скользят по льду, а по стеклу, поверхность которого более гладкая, на коньках катится невозможно? Задача 19.
Почему при вбивании гвоздя его шляпка нагревается слабо, а когда гвоздь уже вбит, достаточно нескольких ударов, чтобы сильно нагреть шляпку? Задача 20
. Какие превращения энергии происходят при торможении движущегося автомобиля? Задача 21
. Как изменяется внутренняя энергия газа в пузырьке, который поднимается со дня водоема? Задача 22
. Почему шариковые подшипники у машин нагреваются меньше, чем подшипники скольжения? Задача 23
. Что является причиной сильного нагревания и сгорания искусственных спутников Земли при вхождении их в нижние плотные слои атмосферы? Задача 24.
При скоростной обработке металла температура в точках отделения стружки от изделия повышается на 800 – 900 Задача 25.
При опиловке металла один ученик за 5 мин снял слой толщиной 2 мм. Другой ученик при обработке такой же детали за то же время снял слой толщиной 3 мм. Почему повысилась температура деталей? У какого из учащихся деталь после обработки приобрела более высокую температуру? Почему? Задача 26
. Как объяснить, что при откачивании воздуха из баллона внутренняя энергия оставшейся части воздуха уменьшилась? §3. Виды теплопередачи. Качественные задачи.
Задача 27.
В стакан налит горячий чай. Как осуществляется теплообмен между чаем и стенками стакана? Задача 28
. Как изменится внутренняя энергия нагретого тела при опускании его в холодную воду? Почему? Задача 29.
Железная и медная заклепки имеют одинаковую массу и температуру. Заклепки опустили в холодную воду. Какая из них быстрее охладится? Задача 30.
Почему нагретые детали в воде охлаждаются быстрее, чем на воздухе? Задача 31.
Приведите примеры изменения внутренней энергии тела в процессе теплообмена. Задача 32
. Каким образом будет происходить теплообмен, если кипяток из стакана вылить в бочку, наполненную холодной водой? Когда этот процесс прекратится? Задача 33.
Зачем канализационные и водопроводные трубы зарывают в землю на значительную глубину? Задача 34.
Зачем ствол винтовки покрывают деревянной ствольной накладкой? Задача 35.
В медный и стеклянный сосуд налили жидкость. Какой из стаканов быстрее примет температуру налитой жидкости? Задача 36.
Почему вы обжигаете губы, когда пьете чай из металлической кружки и не обжигаете, когда пьете из чай из фарфоровой кружки (температура чая одинакова)? Задача 37
. В каком чайнике вода скорее нагреется: в новом или в старом, на стенках которого имеется накипь? Задача 38.
Если температура в комнате 16 Задача 39.
При одинаковой температуре гранита и кирпича кирпич на ощупь кажется теплее гранита. Какой из этих строительных материалов обладает лучшей теплопроводностью? Задача 40.
Зимой на улице металл на ощупь холоднее дерева. Какими будут казаться на ощупь металл и дерево в тридцатиградусную жару? Почему? Задача 41
. Почему шерстяная одежда сохраняет теплоту лучше, чем хлопчатобумажная? Задача 42.
Зачем на зиму приствольные круги земли у плодовых деревьев покрывают слоями торфа, навоза или древесных опилок? Задача 43.
Прежде чем налить в стакан кипяток, в стакан опускаю чайную ложку. Для чего это делают? Задача 44.
Зачем в южных широтах нашей Родины местные жители во время сильной жары носят шапки-папахи и ватные халаты? Задача 45.
Какой дом теплее – деревянный или каменный, если толщина стен одинакова? Задача 46.
Почему все пористые строительные материалы (пористый кирпич, пеностекло, пенистый бетон и др.) обладают лучшими теплоизоляционными свойствами, чем плотные стройматериалы? Задача 47.
Почему в безветрие пламя свечи устанавливается вертикально? Задача 48.
Объясните, почему радиаторы центрального отопления ставят обычно под окнами. Задача 49.
Как образуются бризы (местные ветры, дующие днем с моря на сушу, а ночью с суши на море)? Задача 50.
Зачем в верхних и нижних частях корпусов проекционных аппаратов, больших электрических фонарей, киноаппаратов делают отверстия? Задача 51.
В промышленных холодильниках воздух охлаждается с помощью труб, по которым течет охлажденная жидкость. Где надо располагать эти трубы – вверху или внизу помещения? Задача 52.
Сильная струя воздуха, которая идет от вентилятора, создает прохладу. Можно ли этой струей сохранить мороженное в твердом виде? Задача 53.
Почему в печах с высокими трубами тяга выше, чем в печах с низкими трубами? Задача 54.
Почему в металлических печных трубах тяга меньше, чем в кирпичных трубах? Задача 55.
Возможны ли конвекционные потоки в жидкостях или газах в искусственном спутнике Земли в состоянии невесомости? Задача 56.
Почему грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый? Задача 57.
Зачем оболочку стратостата красят «серебряной» краской? Задача 58.
Какие почвы лучше нагреваются солнечными лучами: черноземные или подзолистые, имеющие более светлую окраску? Задача 59.
Зачем в железнодорожных вагонах-ледниках, служащих для перевозки фруктов, мяса, рыбы и других скоропортящихся продуктов, промежутки между двойными стенками заполняют войлоком или несколькими слоями каких-либо пористых веществ, а снаружи вагоны окрашивают в белый или светло-желтый цвет? Задача 60
. В каком платье летом менее жарко: в белом или в темном? Объясните почему. Задача 61
. Объясните назначение стеклянных рам в парниках. Задача 62.
Почему вода в открытых водоемах нагревается солнечными лучами медленнее, чем суша? Задача 63.
Почему горячая вода, оставленная в термосе, со временем охлаждается? Задача 64.
Можно ли термос временно использовать как холодильник? §4. Расчет количества теплоты.
Задача 65.
Кубики, изготовленные из меди, стали и алюминия, массой 1 кг охлаждают на 1 Задача 66
. На что больше расходуется энергии: на нагревание чугунного горшка или воды, налитой в него, если их массы одинаковы? Задача 67.
Алюминиевую и серебряную ложки одинаковой массы и температуры опустили в кипяток. Равное ли количество теплоты получили они от воды? Задача 68
. По стальной и свинцовой заготовкам равных масс ударили молотком равное число раз. Какая из них больше нагрелась? Ответ обоснуйте. Задача 69.
Термос, вместимость которого 3 л, наполнили кипятком. Через сутки температура воды в нем понизилась до 77 Задача 70.
В алюминиевом чайнике нагрели воду и построили графики зависимости количества теплоты, полученной чайником и водой, от времени нагревания. Постройте эти графики зависимости для чайника и для воды в одних координатных осях. Объясните результат. Задача 71
. На одинаковых горелках нагревались вода, медь и железо равной массы. Постройте графики зависимости количества теплоты от времени нагревания для воды, для меди и для железа в одних координатных осях. Объясните результат.. Задача 72.
Для изменения температуры нафталина, никеля и фарфора массой 1 кг на 1 Задача 73.
Для нагревания золота, бронзы, никеля, глицерина и молока массой 2 кг на 1 Задача 74.
Нагретый камень массой 5 кг, охлаждаясь в воде на 1 Задача 75.
Какое количество теплоты потребуется для нагревания на 1 Задача 76.
Стальная деталь массой 20 кг при обработке на токарном станке нагревается на 50 Задача 77.
Стальное сверло массой 100 г при работе нагрелось от 15 до 115 Задача 78.
В каком отношении нужно взять объемы свинца и олова, чтобы их теплоемкости были одинаковы? Задача 79.
Перед горячей штамповкой латунную болванку массой 15 кг нагрели от 15 до 750 Задача 80.
Какое количество теплоты отдаст стакан кипятка (250 см3
), остывая до температуры 14 Задача 81.
Какое количество теплоты отдаст кирпичная печь массой 0,35 т, остывая с изменением температуры на 50 Задача 82.
Какое количество теплоты выделилось при охлаждении чугунной болванки массой 32 кг, если ее температура изменилась от 1115 до 15 Задача 83.
Какое количество теплоты потребуется, чтобы в алюминиевом котелке массой 200 г нагреть 1,5 л воды от 20 Задача 84.
В алюминиевой кастрюле, масса которой 800 г, нагревается вода, объем которой 5л, от 10 Задача 85.
В железный душевой бак, масса которого 65 кг, налили холодной колодезной воды объемом 200 л. В результате нагревания солнечным излучением температура воды повысилась от 4 до 29 Задача 86.
Рассчитайте, какое количество теплоты отдаст кирпичная печь, сложенная из 300 кирпичей, при остывании от температуры 70 до 20 Задача 87.
Какое количество теплоты пойдет на нагревание воды от 15 до 25 Задача 88.
Для изменения температуры металлической детали массой 100 г от 20 до 40 Задача 89.
При охлаждении куска олова массой 100 г до температуры 32 Задача 90.
До какой температуры остынет 5 л кипятка в кастрюле, отдав в окружающее пространство 1680 кДж энергии? Задача 91.
При охлаждении медного паяльника до 20 §5. Уравнение теплового баланса.
В задачах этой группы рассматривается теплообмен между телами системы. При этом предполагается, что внешним теплообменом можно пренебречь. Со стороны тел, не входящих в систему, над телами системы работа не совершается. Систему можно считать замкнутой, внутренняя энергия системы не изменяется. Внутри системы в процессе теплообмена одни тела нагреваются, другие охлаждаются. Однако, суммарное количество теплоты, полученное системой равно нулю: где Q1
; Q2
… Qn
– количество теплоты, полученное или отданное телами системы в процессе внутреннего теплообмена. Уравнение (1) называется уравнением теплового баланса
и является основным расчетным уравнением для задач этой группы. Пример решения задачи
.
До какой температуры была нагрета стальная фреза массой 0,2 кг, если после погружения ее в алюминиевый калориметр массой 100 г, содержащий 178 г воды при 16 Дано
: m1
=0,2 кг, C1
=500 Найти:
Анализ:
Так как мы пренебрегаем внешним теплообменом, то можно записать уравнение теплового баланса в виде: Отсюда: Вычисления: Задачи для самостоятельного решения.
Задача 92.
Для аквариума смешали 20 кг воды при 8 Задача 93.
Смешали 39 л воды при 20 Задача 94.
Смешали 6 кг воды при 42 Задача 95.
Сколько литров воды при 95 Задача 96.
Смешали 0,4 м3
воды при 20 Задача 97.
В ванну налито 80 л воды при температуре 10 Задача 98.
Чтобы охладить 2 л воды, взятой при 80 Задача 99.
Для приготовления ванны нужно смешать холодную воду при t1
= 11 Задача 100.
В каком отношении нужно смешать две массы воды при температурах 50 Задача 101.
Необходимо смешать воду при 20 Задача 102.
Паровой котел содержит 40 м3
воды при температуре 225 Задача 103.
В паровой котел, содержащий 50 m воды при температуре 240 Задача 104.
Для ванны нужно приготовить 300 кг воды при 36 Задача 105.
В стеклянный стакан массой 0,12 кг при температуре 15 Задача 106.
В стеклянный стакан массой 100 г налито 200 г воды. Температура воды и стакана 75 Задача 107.
Стальную деталь машины массой 0,3 кг нагрели до высокой температуры, а затем погрузили для закалки в масло, взятое при 10 Задача 108.
Определить удельную теплоемкость свинца, зная, что 100 г свинца при 100 Задача 109.
В латунный калориметр массой 80 г, содержащий 200 г воды при температуре 20 Задача 110.
До какой средней температуры нагрелась стальная фреза массой 0,2 кг, если после погружения ее в алюминиевый калориметр массой 100 г, содержащий 178 г воды при температуре 16 Задача 111.
Для определения температуры топки котла в нее внесли стальной шарик массой 20 г. Затем перенесли шарик в алюминиевый калориметр массой 60 г, содержащий 200 г воды при температуре 18 Задача 112.
Стальной резец массой 400 г нагрели до 800 Задача 113.
До какой температуры нагрелась во время работы стальная фреза массой 1 кг, если после опускания ее в калориметр температура 1 л воды повысилась от 11,3 до 30 Задача 114.
В сосуд, содержащий 2,35 кг воды при 20 Задача 115.
Как велика масса стальной детали, нагретой предварительно до 500 Задача 116.
Чугунный брусок массой 0,2 кг, предварительно нагретый, опускают в сосуд, содержащий 0,8 кг керосина при 15 Задача 117.
Для определения удельной теплоемкости вещества проводят следующий опыт: пластинку массой 0,3 кг, предварительно нагретую до 85 Задача 118.
В стеклянной колбе, масса которой 50 г, находилось 185 г воды при 20 Задача 119.
Для определения температуры печи нагретый в ней стальной болт массой 0,3 кг бросили в медный сосуд массой 0,2 кг, содержащий 1,27 кг воды при 15 Задача 120.
В латунный калориметр массой 200 г влили 400 г воды при 17 Задача 121.
После опускания в воду, имеющую температуру 10 Задача 122.
Для измерения температуры воды, имеющей массу 66 г, в нее погрузили термометр, который показал 32,4 Задача 123.
В стакане содержится 250 см3
воды. Опущенный в стакан термометр показал 78 Задача 124.
В калориметре смешиваются три химически не взаимодействующие жидкости массами 1 кг, 10 кг, 5 кг, имеющие соответственно температуры: 6 Задача 125.
В каком отношении должны быть взяты массы m1
и m2
двух жидкостей с удельными теплоемкостями c1
и c2
, начальными температурами T1
и T2
(T1
>T2
), чтобы общая температура после их смещения получилась равной T0
? Теплоемкость сосуда, в котором находятся жидкости, не учитывать. §6. Удельная теплота сгорания топлива. КПД нагревателя.
Пример решения задачи
:
Какое количество керосина необходимо сжечь, чтобы 50 л воды нагреть от 20 Дано:
V = 50 л = 0,05 м3
, c1
= 4200 Найти:
m2
Анализ:
Массу воды m1
находим по формуле Подставляем в формулу (1) Отсюда находим массу керосина Вычисления:
Задачи для самостоятельного решения
Задача 126.
Вычислите, сколько энергии выделится при полном сгорании древесного угля массой 15 кг; керосина массой 200 г. Задача 127.
Какое количество теплоты выделится при полном сгорании бензина массой 5 кг; каменного угля массой 10 кг? Задача 128.
Какое количество теплоты выделится при полном сгорании пороха массой 25 г; торфа массой 0,5 т; каменного угля массой 1,5 т? Задача 129.
Сколько теплоты выделится при полном сгорании сухих березовых дров объемом 5 м3
? Задача 130
. Сколько теплоты выделится при полном сгорании керосина объемом 0,25 м3
; спирта объемом 0,00005 м3
; бензина объемом 25 л; нефти объемом 250 л? Задача 131.
На сколько больше теплоты выделится при полном сгорании бензина массой 2 кг, чем сухих березовых дров той же массы? Задача 132.
Во сколько раз больше выделится теплоты при полном сгорании водорода массой 1 кг, чем при полном сгорании сухих березовых дров той же массы? Задача 133.
Смешали бензин массой 2 кг и спирт массой 3 кг. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании полученного топлива? Задача 134.
Смешали бензин объемом 1,5 л и спирт объемом 0,5 л. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании этого топлива? Задача 135.
В печи сгорели сухие сосновые дрова объемом 0,01 м3
и торф массой 5 кг. Сколько теплоты выделилось в печи? Задача 136.
К зиме заготовили сухие сосновые дрова объемом 2 м3
и каменный уголь массой 1,5 т. Сколько теплоты выделится в печи при полном сгорании в ней заготовленного топлива? Задача 137.
При полном сгорании тротила массой 10 кг выделяется Задача 138.
При сгорании пороха массой 3 кг выделилось 11400 кДж энергии. Вычислите удельную теплоту сгорания пороха. Задача 139.
Сколько надо сжечь каменного угля, чтобы выделилось Задача 140.
В топке котла парового двигателя сожгли торф массой 20 т. Какой массой каменного угля можно было бы заменить сгоревший торф (удельную теплоту сгорания торфа принять равной Задача 141.
Сколько каменного угля нужно сжечь, чтобы получить столько же энергии, сколько ее выделяется при сгорания бензина объемом 6 м3
? Задача 142.
Сколько спирта надо сжечь, чтобы изменить температуру воды массой 2 кг от 14 до 50 Задача 143.
Сколько воды, взятой при температуре 14 Задача 144.
На сколько изменится температура воды объемом 100 л, если считать, что вся теплота, выделяемая при сгорании древесного угля массой 0,5, пойдет на нагревание воды? Задача 145.
На сколько изменится температура воды, масса которой 22 кг, если ей передать всю энергию, выделившуюся при сгорании керосина массой 10 г? Задача 146.
В чем заключается процесс сгорания топлива? В чем разница между сгоранием (нефти, угля) и взрывом (пороха, гремучего газа)? Задача 147.
Определить КПД примуса, зная, что при сжигании 300 г керосина можно вскипятить 15 л воды, взятой при 10 Задача 148.
На спиртовке нагрели 224 г воды от 15 Задача 149.
Каков КПД кузнечного горна, если для нагревания 2 кг стали на 1000 Задача 150.
На нагревание 2 л воды от 5 до 100 Задача 151.
Чтобы нагреть 1,8 кг воды от 18 Задача 152.
Определить КПД нагревателя, в котором израсходовано 80 г керосина для нагревания 3 л воды на 90 Задача 153.
Какое количество воды можно нагреть от 15 Задача 154.
Сколько времени потребуется, чтобы нагреть 1,55 л воды от 20 до 100 Задача 155.
На спиртовке нагревали воду массой 100 г от 16 Задача 156.
Для нагревания воды объемом 2 л, находящейся в алюминиевой кастрюле массой 400 г, от 15 Задача 157.
Каково отношение масс спирта и бензина, если удельная теплота сгорания этих горючих веществ оказалась равной Изменение агрегатных состояний вещества.
§1. Основные понятия и законы.
1. Фазой
называется физически однородная часть вещества, отделенная от остальных частей системы границей раздела (например лед, вода, пар и т.п.). Плавление твердого тела, отвердевание жидкости, испарение и конденсация пара представляют собой примеры фазового перехода
. Переход из одной фазы в другую при заданном давлении происходит при строго заданной температуре. 2. Плавлением
называется переход из твердой фазы в жидкую. Обратный переход из жидкой фазы в твердую называется отвердеванием
или кристаллизацией
. 3. При постоянном давлении тело плавится и отвердевает при определенной температуре, которая называется точкой плавления
или температурой плавления
. 4. Для плавления необходимо передать телу некоторое количество теплоты. За счет этой теплоты потенциальная энергия атомов вещества, имеющего массу m, возрастает на величину При кристаллизации потенциальная энергия молекул уменьшается на такую же величину и соответствующее количество теплоты отводится к окружающим телам. Кинетическая энергия молекул при этом почти
не меняется. 5. Иногда при очень осторожном ведении процесса удается достичь «переохлаждения» - охлаждения жидкости до температуры несколько ниже точки плавления без отвердевания. В этом случае малейший толчок ведет к частичному затвердеванию с повышением температуры до точки плавления. 7. Почти все тела при плавлении увеличиваются в объеме, при отвердевании – уменьшаются (сжимаются). При увеличении давления, под которым находятся эти вещества, их температура плавления повышается. (Давление препятствует увеличению объема.) Исключения: вода (лед), чугун и некоторые другие вещества – при отвердевании они увеличиваются в объеме, при плавлении – уменьшаются. Их температура плавления понижается при увеличении давления. 8. Переход из жидкой фазы в газообразную называется парообразованием
. Обратный переход из газообразной фазы в жидкую называется конденсацией
. 9. Парообразование происходит двумя путями – испарением
и кипением
. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре
. Испарение с поверхности жидкости происходит тем интенсивнее, · чем больше свободная поверхность жидкости (так как при этом увеличивается количество молекул, вылетающих из жидкости в единицу времени), · чем выше температура жидкости (так как при этом увеличивается скорость движение молекул жидкости и, следовательно, их кинетическая энергия, т.е. увеличивается число молекул, способных преодолеть молекулярное притяжение жидкости) и · чем меньше внешнее давление на свободную поверхность жидкости. Скорость испарения увеличивается также при удалении образовавшихся над жидкостью паров. Испарение происходит интенсивнее у тех жидкостей, у которых меньше силы сцепления между молекулами (летучие жидкости). При испарении увеличивается потенциальная энергия молекул за счет уменьшения кинетических энергий оставшихся. Следовательно, температура жидкости при испарении уменьшается (если нет внешнего подвода теплоты). 10. Механизм кипения
состоит в следующем. В жидкости при ее нагревании образуются пузырьки растворенного воздуха, содержащие внутри пар жидкости, появляющийся при повышении ее температуры. С повышением температуры давление пара увеличивается. Под действием выталкивающей силы пузырьки поднимаются вверх и, пока верхние слои жидкости холоднее нижних, частично конденсируется. Когда вся жидкость прогревается достаточно, пузырьки пара достигают поверхности жидкости, давление в них достигает атмосферного, и пар из пузырьков, поднявшихся на поверхность жидкости, вырывается наружу. Парообразование, происходящее одновременно внутри и с поверхности жидкости, называется кипением
. Каждое вещество при данном давлении кипит при вполне определенной температуре, которая остается неизменной во все время кипения. 11. Температура кипения
или точка кипения
– температура кипения жидкости при постоянном давлении. При увеличении внешнего давления температура кипения повышается, при уменьшении – понижается. Наличие в жидкости растворенного вещества меняет ее температуру кипения. 12. При парообразовании за счет подводимой теплоты потенциальная энергия молекул вещества, имеющего массу m, возрастает на величину L
– удельная теплота парообразования
– количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы жидкости в пар при температуре кипения. Удельная теплота парообразования уменьшается с повышением температуры испаряющейся жидкости. В частности, при повышении температуры кипения (например, вследствие повышения давления) удельная теплота парообразования при кипении уменьшается. Например, удельная теплота парообразования воды при разных температурах следующая: t, r, МДж/кг 2,50 2,20 1,94 При конденсации потенциальная энергия молекул уменьшается на величину и соответствующее количество теплоты отводится и окружающим телам. §2. Плавление и отвердевание. Качественные задачи.
Задача 158.
Почему лед не сразу начинает таять, если его внести с мороза в натопленную комнату? Задача 159.
Температура плавления стали 1400 Задача 161.
Почему зимой при длительных остановках воду из радиатора автомобиля выливают? Задача 162.
Оболочки космических кораблей и ракет делают из тугоплавких металлов и специальных сплавов. Почему? Задача 163.
При спаивании стальных деталей иногда пользуются медным припоем. Почему нельзя паять медные детали стальным припоем? Задача 164.
Почему невозможно пользоваться очень маленьким паяльником при пайке массивных кусков меди или железа? Задача 165.
Объясните на основании молекулярно-кинетической теории, почему не повышается температура в момент плавления и кристаллизации тела. Задача 166.
Два одинаковых сосуда из полиэтилена заполнили водой, температура которой 0 Задача 167.
Можно ли заморозить воду расплавленным металлом? Задача 169.
График, приведенный на рисунке ниже, выражает зависимость температуры вещества при его нагревании и плавлении от времени. а) Какую температуру имело вещество в первоначальный момент? б) Через сколько времени от начала наблюдения температура достигла 635 Задача 170.
Начертите график плавления меди, откладывая по вертикальной оси температуру в масштабе 20 Задача 171.
Постройте примерный график для нагревания, плавления и кристаллизации олова. Задача 173.
Внимательно рассмотрев график охлаждения и кристаллизации вещества (см. рисунок ниже), ответьте: а) Для какого вещества составлен график? б) Сколько времени охлаждалось вещество от 20 Задача 174.
Какому из двух тел одинакового объема – слитке алюминия или отливке из винца – надо передать большее количество теплоты и во сколько раз, чтобы перевести их из твердого состояния в жидкое при их температурах плавления? Задача 175.
Возможно ли такое явление: физическое тело передает некоторое количество теплоты окружающей среде, но при этом не охлаждается (предполагается, что расход теплоты не восполняется). Задача 176.
Изменяется ли общая кинетическая энергия молекул тела, когда во время его плавления к нему подводится некоторое количество теплоты? Изменяется ли в этом случае внутренняя энергия тела? Задача 177.
Одинаковый ли физический смысл имеют выражения: «передача телу теплоты» и «нагревание тела»? Задача 178.
В чем проявляется закон сохранения и превращения энергии при плавлении и кристаллизации вещества? Задача 179.
На сколько увеличится при плавлении внутренняя энергия ртути, свинца, меди массой 1 кг, взятых при температурах плавления? Задача 180.
На сколько уменьшится внутренняя энергия при кристаллизации брусков из белого чугуна массой 2 кг; олова массой 1 кг; железа массой 5 кг; льда массой 10 кг, охлажденных до температуры их кристаллизации? Задача 181.
Масса какого металла – золота и серебра – должна быть больше и во сколько раз, чтобы количество теплоты, достаточное для плавления металла, было в каждом случае одинаковым? §3. Плавление и отвердевание. Расчетные задачи.
Примеры решения задач.
Пример 1.
Ванну емкостью 100 л необходимо заполнить водой, имеющей температуру 30 Дано
: V = 100 л, C2
= 2,1 Найти
: mл
Анализ
: Так как мы пренебрегаем внешним теплообменом, составляем уравнение теплового баланса Общая масса воды в ванне Тогда масса горячей воды Подставляя все в уравнение теплового баланса (1), получим отсюда Вычисления
: Пример 2
. Сколько надо сжечь дров в печке с КПД 20%, чтобы из 5 кг льда, взятого при температуре –20 Дано
: Найти
: mд
Анализ
: Отсюда: Вычисления
: Пример 3.
В калориметр налито 2 кг воды, имеющей температуру 5 Дано
: m1
= 2 кг, Найти
: Анализ
: Можно представить себе следующие случаи: 1. Весь лед растает, и температура смеси будет больше нуля. 2. Вся вода замерзнет, и температура смеси будет меньше нуля. 3. Температура смеси будет равна нулю, и часть льда растает. 4. Температура смеси будет равна нулю, и часть воды замерзнет. Для того, чтобы понять, какой случай реализуется в данной задаче, необходимо сделать предварительные вычисления. При охлаждении до При нагревании льда до температуры плавления лед поглощает количество теплоты Если весь лед растает, он поглощает количество теплоты Если вся вода замерзнет, она отдаст количество теплоты Так как Q2
> Q1
, то лед не может таять, и могут осуществиться случаи 2 или 4. Для осуществления случая 2 необходимо, чтобы Q
1
+
Q
4
<
Q
2
Q1
+ Q4
= 702 кДж, Q2
= 420 кДж. Соответственно реализуется случай 4: температура смеси Отсюда Из этого выражения находим массу замерзшей воды После установления теплового равновесия, масса воды Вычисления
: Задачи для самостоятельного решения.
Задача 182.
Во сколько раз требуется больше энергии для плавления льда при температуре 0 Задача 183.
Какое количество теплоты потребуется для плавления тел из нафталина, золота, платины массой 10 г, взятых при температуре плавления? Задача 184.
Какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы расплавить лед массой 5 кг, если начальная температура льда 0; -1; -10 Задача 185.
Какое количество теплоты необходимо для плавления куска свинца массой 1 г, начальная температура которого равна 27 Задача 186.
Сколько энергии требуется для плавления куска свинца массой 0,5 кг, взятого при температуре 27 Задача 187.
Сколько энергии необходимо для плавления бруска из цинка массой 0,5 кг, взятого при температуре 20 Задача 188.
Сколько энергии необходимо для плавления железного металлолома массой 4 т, если начальная температура железа равна 39 Задача 189.
Масса серебра 10 г. Сколько энергии выделится при его кристаллизации и охлаждении до 60 Задача 190.
Сколько энергии выделится при кристаллизации и охлаждении от температуры плавления до 27 Задача 191.
Из копильника вагранки для отливки детали выпустили расплавленное железо массой 50 кг. Какое количество теплоты выделилось при его кристаллизации и охлаждении до температуры 39 Задача 192.
Для приготовления пищи полярники используют воду, полученную из расплавленного льда. Какое количество теплоты потребуется для того, чтобы расплавить лед массой 20 кг и полученную воду вскипятить, если начальная температура льда -10 Задача 193.
Объем формы для пищевого льда 750 см3
. Сколько энергии отдают вода и лед форме и окружающему ее воздуху в холодильнике, если начальная температура воды 12 Задача 194.
Какое количество теплоты пошло на приготовление в полярных условиях питьевой воды из льда массой 10 кг, взятого при температуре -20 Задача 195.
Сколько энергии выделилось при отвердевании и охлаждении до 25 Задача 196.
Свинцовая деталь массой 100 г охлаждается от 427 Задача 197.
В железной коробке массой 300 г мальчик расплавил 100 г олова. Какое количество теплоты пошло на нагревание коробки и плавление олова, если их начальная температура была равна 32 Задача 198.
Железная заготовка, охлаждаясь от температуры 800 до 0 Задача 199.
Чтобы охладить 4,5 л воды от 30 до 10 Задача 200.
Для приготовления дроби расплавленный свинец при температуре плавления влили струями в воду с начальной температурой 17 Задача 201.
В сосуд, содержащий воду массой 100 кг при температуре 10 Задача 202.
В калориметр налита вода массой 2 кг при температуре 5 Задача 203.
В сосуд, содержащий 10 кг воды при температуре 10 Задача 204.
Кусок свинца массой 1 кг расплавился наполовину при сообщении ему количества теплоты Задача 205.
Тигель, содержащий некоторое количество олова, нагревается электрическим током. Выделяемое в единицу времени количество теплоты постоянно. За 10 мин температура олова повышается от 20 до 70 Задача 206.
Чтобы охладить 200 г воды, имеющей температуру 25 Задача 207.
В стальной сосуд массой 300 г налили 1,5 л воды при 17 Задача 208.
В воду массой 1,5 кг положили лед, температура которого 0 Задача 209.
В калориметре находятся лед и вода при температуре 0 Задача 210.
В углубление, сделанное во льду, вливают свинец. Сколько было влито свинца, если он остыл до температуры 0 Задача 211.
В термос с водой поместили лед при температуре –10 Задача 212.
В медном сосуде массой 400 г находится вода массой 500 г при температуре 40 Задача 213.
Кусок льда массой 700 г поместили в калориметр с водой. Масса воды 2,5 кг, начальная температура 5 Задача 214
. В калориметр с водой объемом 1 л опустили мокрый снег. Масса снега 250 г, начальная температура воды 20 Задача 215.
1 кг льда, взятому при температуре –50 Задача 216.
В сосуд с водой с общей теплоемкостью 1,5 кДж/К при температуре 20 Задача 217.
В сосуд с водой с общей теплоемкостью 1,7 кДж/К при 20 Задача 218.
В медный калориметр массой 100 г, содержащий воду массой 50 г при температуре 5 Задача 219.
При 0 Задача 220.
Сколько потребуется каменного угля, чтобы расплавить 1000 кг серого чугуна, взятого при температуре 50 Задача 221.
В плавильной печи сожгли 0,1 m угля и расплавили 2 m меди, взятой при 23 Задача 222.
Сколько керосина нужно сжечь в примусе с КПД 40%, чтобы расплавить 4 кг льда, взятого при –10 Задача 223.
В 480 г воды при 22 Задача 224.
Определить КПД вагранки, работающей на коксе, если кокса расходуется 300 кг, а серого чугуна расплавляется 1,5 m при начальной температуре 20 Задача 225.
Сколько кокса потребуется для расплавления 4 m серого чугуна, взятого при температуре 30 Задача 226.
Сколько меди можно расплавить в плавильной печи с КПД 30%, сжигая 2 m кокса, если начальная температура меди 20 Задача 227.
Вода при соблюдении некоторых предосторожностей может быть переохлаждена до температуры -10 Задача 228.
К воде, переохлажденной до температуры -12 Задача 229.
Железный шарик радиусом 1 см, нагретый до 120 Задача 230.
До какой температуры надо нагреть алюминиевый куб, чтобы он, будучи положен на лед, полностью в него погрузился? Температура льда 0 Задача 231.
Для определения удельной теплоты плавления олова был проделан такой опыт: 100 г расплавленного олова при температуре 250 Задача 232.
При температуре -5 Задача 233.
При изготовлении льда в комнатном холодильнике требуется 5 мин для охлаждения воды от 4 до 0 §4. Испарение и кипение. Качественные задачи.
Задача 234.
Почему температура воды в открытом стакане всегда бывает немного ниже температуры воздуха в комнате? Задача 235.
В один стакан налили эфир при температуре 20 Задача 236.
Почему в комнате после мытья пола становится прохладнее? Задача 237.
Почему написанное тушью просыхает быстрее, чем написанное чернилами? Задача 238.
Почему после дождя становится холоднее? Задача 239.
Почему мокрое развешенное белье, скошенная трава высыхают быстрее в ветреную погоду? Задача 240.
Почему пловец, вышедший из воды, ощущает холод, и это ощущение особенно сильно в ветреную погоду? Задача 241.
Мокрое белье, вывешенное зимой во дворе, замерзает. Но через некоторое время оно становится сухим, даже при сильных морозах. Чем это можно объяснить? Задача 242.
Почему вода, пролитая на пол, высыхает значительно быстрее, чем такое же количество воды в стакане? Задача 243.
Зачем овощи и фрукты, предназначенные для сушки, разрезают на тонкие ломтики? Задача 244.
В листву дерева непрерывно поступает большое количество воды из почвы через корни и ствол дерева. Куда девается эта вода? Задача 245.
На чашки рычажных весов поставили и уравновесили стакан с холодной водой и стакан с горячим чаем. Почему равновесие быстро нарушилось? Задача 246.
Объясните на основе представления о молекулах такой факт: температура эфира значительно понижается, если его вылить из закрытой склянки в открытый сосуд. Задача 247.
Для музыкальных инструментов очень сухой воздух вреден. Объясните, почему в комнате, где находится пианино рекомендуется держать аквариум. Задача 248.
Зачем при скоростной обработке металлов на станках на резцы направляется струя распыленной жидкости? Задача 249.
Люди, плохо переносящие жару, пользуются летом на открытом воздухе зонтом, а в помещении – веером. Объясните охлаждающее действие этих предметов. Задача 250.
Почему летним утром туман «рассеивается» с первыми лучами солнца? Задача 251.
Подышите на зеркало и объясните, что произошло при этом на его поверхности. Задача 252.
Почему в банях и прачечных некоторые металлические трубы, по которым подается вода, покрыты капельками воды, тогда как поверхность других труб сухая? Задача 253.
При безоблачном небе выпадает, обычно, больше утренней росы, чем при пасмурном. Какова причина такого явления? Задача 254.
Над чайником с кипящей водой почти не видно пара, пока чайник стоит на пламени газовой плиты. Однако тотчас после выключения горелки пар на некоторое время становится виден. Объясните это явление. Задача 255.
Как объяснить на основании молекулярно-кинетической теории о строении вещества охлаждение жидкости при испарении? Задача 256.
Почему самовар с раскаленными углями не распаивается, когда в него налита вода, и распаивается, когда воды в нем нет? Задача 257.
В двух сосудах конической и сферической формы с одинаковой площадью дна налита вода одинаковой массы. В каком сосуде вода закипит быстрее, если их поставить на одну и ту же электрическую плиту? Задача 259.
В чем проявляется закон сохранения и превращения энергии при парообразовании и конденсации пара? Задача 261.
Что обладает большей внутренней энергией: вода при температуре 100 Задача 262.
Как и на сколько изменится внутренняя энергия пара массой 1 г при его конденсации, если он имеет температуру 100 Задача 264.
Почему не кипит вода в открытой стеклянной пробирке, опущенной в кипящую воду? Задача 265.
В каком состоянии в жидком при 100 Задача 266.
Как заставить воду кипеть, подвергая ее охлаждению? Задача 267.
В каком агрегатном состоянии находится при нормальном давлении каждое из следующих веществ: спирт при 100 Задача 268.
Закипит ли медь, если кусочек ее погрузить в жидкий свинец, нагретый до температуры его кипения? Изменится ли ответ, если все будет сделано наоборот: кусочек свинца брошен в кипящую медь? Задача 269.
Можно ли получить золотой пар? Задача 270.
Почему для измерения температур, близких к 100 Задача 271.
Можно ли термометрами, у которых в канале над ртутью находится азот при повышенном давлении, измерять температуру выше 357 Задача 272.
Целесообразно ли запаивать оловом отверстия в дне: а) кастрюли, в которой варят пищу; б) сковороды, на которой поджаривают пищу? Задача 273.
При каком условии олово можно расплавить в горячей воде? §5. Испарение и кипение. Расчетные задачи.
Примеры решения задач.
Задача 1.
В калориметр, содержащий 100 г льда при 0 Дано
: m1
= 0,1 кг, Найти
: m0
. Анализ
: В момент полного превращения льда в воду в калориметре окажется вода массой m0
: где m2
– масса сконденсировавшегося пара. Пренебрегая внешним теплообменом, запишем уравнение теплового баланса Тогда и Подставив это выражение в уравнение (1), получим: Вычисления: Задача 2.
Определить массу воды, которая может быть превращена в лед при 0 Дано
: m0
= 0,1 кг, Найти
: m1.
Анализ
: Поскольку теплообмен происходит между эфиром и водой, т.е. внешнего теплообмена нет, можно записать уравнение теплового баланса: Таким образом: Отсюда Вычисления: Задачи для самостоятельного решения.
Задача 274.
Водяной пар при температуре 100 Задача 275.
Какое количество теплоты выделяется при конденсации водяного пара массой 2,5 кг, имеющего температуру 100 Задача 276.
Какое количество теплоты необходимо сообщить воде массой 10 г, взятой при температуре 0 Задача 277.
Сколько температуры потребуется, чтобы 100 кг воды, взятой при 10 Задача 278.
Сколько энергии израсходовано на нагревание воды массой 0,75 кг от 20 до 100 Задача 279.
Какое количество теплоты выделяется при конденсации водяного пара массой 10 кг при 100 Задача 280.
Какое количество теплоты потребовалось для получения дистиллированной воды объемом 5 л, если вода в дистиллятор поступила при 14 Задача 281.
Какое количество теплоты необходимо, чтобы изо льда массой 2 кг, взятого при -10 Задача 282.
Сколько льда, взятого при 0 Задача 283.
200 кг водяного пара при 100 Задача 284.
Сколько водяного пара при 100 Задача 285.
К сосуду, в котором находилось 2 л воды при 20 Задача 286.
Какое количество теплоты выделится при конденсации 20 г водяного пара при 100 Задача 287.
В сосуд, содержащий 30 л воды, впускают 1,85 кг водяного пара при 100 Задача 288.
До какой температуры нагреется 0,8 л воды, находящейся в медном калориметре массой 0,7 кг и имеющей температуру 12 Задача 289.
В сосуд, содержащий 1,5 кг воды при 15 Задача 290.
Отработанный пар при 100 Задача 291.
Через воду, имеющую температуру 10 Задача 292.
Для опытного определения удельной температуры парообразования воды сухой пар, температура которого 100 Задача 293.
Через змеевик подогревателя, содержащего 12 л воды при 12 Задача 294.
В сосуд, содержащий 400 г воды при 17 Задача 295.
Алюминиевый калориметр массой 50 г содержит 250 г воды при 16 Задача 296.
Для определения удельной теплоты парообразования воды был произведен следующий опыт: пар при 100 Задача 297.
В баке кипятильника содержится 208 л воды при 15 Задача 298.
Пар поступает в змеевик подогревателя при 100 Задача 299.
Кусок алюминия массой 537 г, нагретый до 200 Задача 300.
Кусок железа массой 400 г, нагретый до 800 Задача 301.
Какая масса воды окажется в смеси, если лед массой 150 г и воду массой 200 г, находящиеся в состоянии теплового равновесия, нагреть до 100 Задача 302.
В теплоизолированном сосуде содержится смесь воды и льда. Масса воды 500 г, льда 54,4 г. Вода и лед находятся в тепловом равновесии. В сосуд вводится сухой водяной пар массой 6,6 г при 100 Задача 303.
В смесь, состоящую из 20 л воды и 10 кг льда при 0 Задача 304.
В калориметр, содержащий лед массой 100 г при температуре 0 Задача 305.
Сколько водяного пара при 100 Задача 306.
Смесь, состоящую из 5 кг льда и 15 кг воды, имеющую общую температуру 0 Задача 307.
Быстро откачивая воздух из сосуда, в котором находится вода при 0 Задача 308.
В сосуде находится смесь из 200 г воды и 130 г льда при 0 Задача 309.
Космонавт, находясь на поверхности Луны, вскрыл ампулу с водой. Опишите поведение воды. Задача 310.
В сосуде, из которого быстро откачивают воздух, находится вода массой m при 0 Задача 311.
Под колоколом воздушного насоса находится вода, масса которой 40 г, а температура 0 Задача 312.
В сосуде, из которого интенсивно откачивают воздух, находится небольшое количество воды при 0 Задача 313.
В алюминиевый калориметр массой 300 г опустили кусок льда. Температура калориметра и льда -15 Задача 314.
В теплоизолированном сосуде содержится смесь воды массой 500 г и льда массой 54,4 г при 0 Задача 315.
В прямоугольную кювету длиной 24 см и шириной 20 см, в которой находилась вода при 25 Задача 316.
Какую массу нефти нужно сжечь в котельной установке с КПД 60%, чтобы 4,4 т воды, поступающей из водопровода при 7 Задача 317.
Сколько литров дистиллированной воды можно получить за 8 ч при помощи перегонного куба, потребляющего 1,5 м3
природного газа в час и имеющего КПД 70%? Температура поступающей в куб воды 16 Задача 318.
В радиаторе парового отопления за 5 ч сконденсировалось 10 кг водяного пара при 100 Задача 319.
Колбу с 600 г воды при 10 Задача 320.
Алюминиевый чайник массой 400 г, в котором находится 2 кг воды при 10 Задача 321.
Сколько надо сжечь угля, чтобы 6 m воды, взятой при 10 Задача 322.
Какое количество дистиллированной воды можно получить, если сжечь в топке перегонного куба 20 кг древесных чурок? КПД перегонного куба 35%, начальная температура воды 6 Задача 323.
В перегонный куб налито 20 л воды при 10 Задача 324.
В дистиллятор было налито 30 л воды при 8 Задача 325.
Сколько теплоты потребуется для сушки 10 m свежих фруктов, если масса готовой продукции составляет 20% от массы свежих фруктов, начальная температура фруктов 20 Задача 326.
Сосуд с водой нагревают на электроплитке от 20 Задача 327.
КПД холодильника, работающего на аммиачном газе, 75%. Сколько аммиака испарилось в трубах холодильника при охлаждении 0,86 кг воды от 20 до 0 Изменение внутренней энергии тел в процессе совершения работы. Тепловые двигатели.
§ 1. Основные понятия и законы.
1. Одно или несколько тел, выделенных нами из всей общей совокупности тел для решения данной задачи, называется системой тел
.
2. Система тел называется замкнутой
, если на данную систему не действуют никакие другие тела или поля. 3. Система тел называется незамкнутой
, если действием внешних тел на данную систему пренебречь нельзя. 4. Воздействие внешних тел на незамкнутую систему может быть двух видов: · в виде работы A, которую совершают внешние тела над телами системы. · в виде количества теплоты Q, которое внешние тела передают телам системы в процессе теплообмена. 5. Полная энергия
системы тел равна сумме механической
и внутренней
энергии системы. EО
= EМ
+ U U – внутренняя энергия системы. Eм
– механическая энергия системы. Она складывается из кинетической
и потенциальной
энергии. EМ
= EК
+ EП
6. Кинетическая энергия материальной точки
есть часть механической энергии, которая зависит от скорости ее движения в данной инерциальной системе отсчета. Кинетическая энергия материальной точки массы m, движущейся в данной инерциальной системе отсчета со скоростью V равна EК
= Кинетическая энергия системы складывается из кинетических энергий всех материальных точек, входящих в систему. 7. Потенциальной энергией
называется часть механической энергии, которая обусловлена взаимодействием между телами. В частности, материальная точка массы m, поднятая на высоту h обладает потенциальной энергией EП
= mgh Выбор нулевого уровня
потенциальной энергии
h = 0 может быть произвольным (в определенных пределах) и зависит от удобства решения конкретной задачи. Поэтому потенциальная энергия может быть положительной, отрицательной или равной нулю. 8. Полная энергия незамкнутой системы тел в результате внешнего воздействия меняется ∆EО
= A + Q где ∆EО
= EО2
− EО1
- изменение полной энергии системы. A – работа над системой Q – количество теплоты, полученное или отданное системой. 9. Если система замкнута, то Q = 0 и A = 0. Следовательно ∆EО
= 0 ∆EМ
+ ∆U = 0 ∆U = - ∆EМ
Изменения внутренней энергии замкнутой системы равно изменению ее механической энергии, взятого с противоположным знаком.
10. Тепловым двигателем
называется устройство, которое превращает внутреннюю энергию топлива в работу. Энергия, которая выделяется при сгорании топлива или при ядерных реакциях передается путем теплообмена какому-либо газу или жидкости. При расширении их совершается работа и приводится в движение какой-нибудь механизм. 11. Коэффициентом полезного действия (К.П.Д.) теплового двигателя
называется отношение работы A, совершенной рабочим телом, к количеству теплоты QН
, сообщенному рабочему телу нагревателем. § 2. Теплота и работа. Качественные задачи.
Задача 328.
Тетерев зимой, отправляясь ко сну, камнем падает с дерева и застревает в снегу. Что произошло с потенциальной энергией птицы? Задача 329.
В одном из двух полых стеклянных шаров создан вакуум, а в другом имеется воздух. Как, не используя никакие измерительные приборы, определить, в каком из шаров воздух? Задача 330.
Известно, что температура выхлопных газов мотоцикла на выходе из глушителя в несколько раз ниже температуры, достигаемой в цилиндре двигателя. Почему? Задача 331.
В один сосуд налита кипяченая вода, в другой – сырая. Как определить, в котором сосуде кипяченая вода? Задача 332.
В двух одинаковых узких трубках, запаянных с обоих концов, имеется капелька ртути. В одной из трубок воздух отсутствует. Трубки лежат на горизонтальной поверхности, и капельки ртути в них расположены посредине. Как, не прикасаясь к трубкам, определить, в какой из них нет воздуха? Задача 333.
Со дна водоема поднимается пузырек газа. Совершает ли газ работу? Задача 334.
Известно, что для кипения жидкости необходимо все время сообщать определенное количество теплоты. Объясните, откуда берется энергия, поддерживающая кипение воды в кофейнике в течение нескольких секунд после снятия кофейника с кипящей водой с плиты. Задача 335.
Изменится ли потенциальная энергия медного шара, лежащего на горизонтально расположенной поверхности стола, если повысить его температуру? Задача 336.
Зажженную свечу боковой поверхностью прикрепляют к кирпичной стене. Куда будет стекать стеарин – к стене или со стороны, противолежащей стене? Ответ обоснуйте. Задача 337.
Мальчик заметил, что вода в стакане с опущенным в него электрокипятильником закипает быстрее, будучи поставленной не над батареей, а на подоконник, хотя над ней воздух теплее, чем над подоконником. Чем такое явление может быть вызвано? Задача 338.
Как может резать металл фрикционная пила, представляющая собой стальной диск без зубьев? Задача 339.
Почему, помешивая ложечкой горячий чай, мы вызываем его охлаждение? (В опыте Джоуля аналогичное действие приводит к нагреванию жидкости.) Задача 340.
Мука из-под жерновов выходит горячей. Хлеб из печи также вынимают горячим. Чем вызывается в каждом из этих случаев увеличение внутренней энергии тела (муки, хлеба)? Задача 341.
Почему слой воздуха, прилегающего к корпусу летящего в атмосфере Земли космического корабля, сильно разогревается? Почему большая часть метеоров не достигает Земли? Задача 342.
Известно, что удельная теплоемкость газа при постоянном давлении ( § 3. Теплота и работа. Расчетные задачи.
Пример решения задачи.
Свинцовая пуля, летящая со скоростью V1
= 400 м/сек, пробивает доску, вследствие чего ее скорость уменьшается до V2
= 100 м/сек. Температура пули в момент удара Решение
. При пробивании доски уменьшается скорость пули и, значит, уменьшается ее кинетическая энергия на величину Эта кинетическая энергия затрачивается на нагревание пули массой m до температуры плавления свинца где Разделив обе части равенства на m, получим Задачи для самостоятельного решения.
Задача 343.
На какую высоту можно было бы поднять гирю массой 1 кг за счет энергии, которую 240 мл воды отдают при охлаждении от 100 до Задача 344.
Свинцовая пуля, летящая со скоростью 200 м/сек, ударяется о препятствие и останавливается. На сколько градусов повысилась температура пули при условии, что нагревается только пуля? Задача 345.
ИСЗ массой 1 т возвращается на Землю сквозь плотные слои атмосферы с высоты 30 км и нагревается. На сколько увеличится внутренняя энергия корпуса спутника в результате торможения? Задача 346.
Вода падает с высоты 1000 м. На сколько повысится температура воды, если на ее нагревание затрачивается 60 % работы силы тяжести? Задача 347.
С какой высоты должен упасть кусок олова, чтобы при ударе о землю он нагрелся до Задача 348.
Два шарика равной массы, медный и алюминиевый, сброшены с высоты 1000 м. Который из них нагреется больше и насколько? Потери тепла не учитывать. Задача 349.
С какой высоты должен падать град, чтобы градинки при ударе о землю расплавились? Сопротивление воздуха не учитывать. Задача 350.
С какой скоростью должен двигаться кусок льда, имеющий температуру Задача 351.
С какой высоты должны падать дождевые капли, температура которых Задача 352.
С какой скоростью Задача 353.
Свинцовая пуля пробивает деревянную стену, причем скорость в момент удара о стену была равна 400 м/с, а после прохождения стены – 300 м/с. Температура пули в момент удара Задача 354.
Снежок, летящий со скоростью 20 м/с, ударяется в стену. Какая часть его расплавится, если температура окружающей среды равна Задача 355.
Стальной лом пневматического отбойного молотка обладает энергией удара 3,75 дж и делает 1000 ударов в минуту. Определить мощность, развиваемую молотком. На сколько градусов повысится температура лома после 3 мин работы, если на его нагревание затрачивается 15 % всей энергии? Масса лома 1,8 кг. Задача 356.
На сколько градусов нагреется при штамповке кусок стали массой 1,5 кг от удара молота весом 3920 н, если скорость молота в момент удара 7,0 м/с, а на нагревание стали затрачивается 60 % энергии молота? Задача 357.
Стальной молот массой 12 кг падает на лежащую на наковальне железную пластинку массой 0,2 кг. Высота падения молота 1,5 м. Считая, что на нагревание пластинки затрачивается 40 % кинетической энергии молота, вычислить, на сколько градусов нагреется пластинка после 50 ударов молота. Задача 358.
С помощью металлического молота весом 58,8 кн. обрабатывается железная поковка массой 205 кг. За 35 ударов поковка нагрелась от 10 до Задача 359.
Трамвайный вагон массой 12,5 т, имеющий скорость 28,8 км/ч, тормозит и останавливается. На сколько градусов нагреваются его 8 чугунных тормозных колодок, если масса каждой колодки 9 кг и на их нагрев затрачивается 60 % кинетической энергии вагона? Задача 360.
При сверлении металла ручной дрелью сверло массой 50 г за 3 мин непрерывной работы нагрелось на Задача 361.
Одним из способов изготовления проволоки является метод выдавливания. Заготовку в нагретом состоянии помещают в цилиндр с отверстием, сечение которого соответствует сечению проволоки. Затем на заготовку производится давление двигающимся в цилиндр поршнем. На сколько повысится температура килограммовой медной заготовки за 5 сек, если развиваемая при выдавливании мощность равна 6 л.с., а на нагревание заготовки идет 60 % энергии? Задача 362.
Автомобиль массой 1 т, двигающийся со скоростью 36 км/ч, резко затормозил перед светофором. Какое количество теплоты выделилось при торможении автомобиля?
| |||||||||||||