Упражнение 81.
Изчислете количеството топлина, което ще се отдели при редукция на Fe 2 O 3 метален алуминий, ако се получи 335,1 g желязо. Отговор: 2543,1 kJ.
Решение:
Уравнение на реакцията:

= (Al 2 O 3) - (Fe 2 O 3) = -1669.8 -(-822.1) = -847.7 kJ

Изчисляването на количеството топлина, което се отделя при получаване на 335,1 g желязо, се прави от пропорцията:

(2 . 55,85) : -847,7 = 335,1 : Х; x = (0847,7 . 335,1)/ (2 . 55,85) = 2543,1 kJ,

където 55.85 атомна масажлеза.

Отговор: 2543,1 kJ.

Топлинен ефект на реакцията

Задача 82.
Газообразен етанол C2H5OH може да се получи чрез взаимодействие на етилен C 2 H 4 (g) и водна пара. Напишете термохимичното уравнение за тази реакция, като предварително сте изчислили топлинния й ефект. Отговор: -45,76 kJ.
Решение:
Уравнението на реакцията е:

C2H4 (g) + H2O (g) = C2H5OH (g); =?

Стойностите на стандартните топлини на образуване на веществата са дадени в специални таблици. Като се има предвид, че топлината на образуване на прости вещества е конвенционално приета равен на нула. Нека изчислим топлинния ефект на реакцията, използвайки следствие от закона на Хес, получаваме:

= (C 2 H 5 OH) – [ (C 2 H 4) + (H 2 O)] =
= -235,1 -[(52,28) + (-241,83)] = - 45,76 kJ

Реакционни уравнения, в които за символите химични съединенияпосочени са техните състояния на агрегиране или кристална модификация, както и числената стойност на топлинните ефекти, наречени термохимични. В термохимичните уравнения, освен ако не е изрично посочено, стойностите на топлинните ефекти при постоянно налягане Q p са посочени равни на промяната в енталпията на системата. Стойността обикновено се дава от дясната страна на уравнението, разделена със запетая или точка и запетая. Приемат се следните съкратени обозначения за агрегатното състояние на веществото: Ж- газообразен, и- течност, Да се

Ако в резултат на реакция се отделя топлина, тогава< О. Учитывая сказанное, составляем термохимическое уравнение данной в примере реакции:

C2H4 (g) + H2O (g) = C2H5OH (g); = - 45,76 kJ.

Отговор:- 45,76 kJ.

Задача 83.
Изчислете топлинния ефект от реакцията на редукция на железен (II) оксид с водород въз основа на следните термохимични уравнения:

а) EO (k) + CO (g) = Fe (k) + CO 2 (g); = -13,18 kJ;
b) CO (g) + 1/2O 2 (g) = CO 2 (g); = -283,0 kJ;
c) H2 (g) + 1/2O2 (g) = H2O (g); = -241,83 kJ.
Отговор: +27,99 kJ.

Решение:
Уравнението на реакцията за редукция на железен (II) оксид с водород има формата:

EeO (k) + H 2 (g) = Fe (k) + H 2 O (g); =?

= (H2O) – [ (FeO)

Топлината на образуване на водата се дава от уравнението

H 2 (g) + 1/2O 2 (g) = H 2 O (g); = -241,83 kJ,

и топлината на образуване на железен (II) оксид може да се изчисли чрез изваждане на уравнение (a) от уравнение (b).

=(c) - (b) - (a) = -241,83 – [-283,o – (-13,18)] = +27,99 kJ.

Отговор:+27,99 kJ.

Задача 84.
При взаимодействие на газообразен сероводород и въглероден диоксид се образуват водни пари и въглероден дисулфид CS 2 (g). Напишете термохимичното уравнение за тази реакция и първо изчислете нейния топлинен ефект. Отговор: +65,43 kJ.
Решение:
Ж- газообразен, и- течност, Да се-- кристален. Тези знаци се пропускат, ако агрегатно състояниевеществата са очевидни, например O 2, H 2 и др.
Уравнението на реакцията е:

2H 2 S (g) + CO 2 (g) = 2H 2 O (g) + CS 2 (g); =?

Стойностите на стандартните топлини на образуване на веществата са дадени в специални таблици. Като се има предвид, че топлината на образуване на прости вещества условно се приема за нула. Топлинният ефект на реакцията може да се изчисли с помощта на следствие от закона на Хес:

= (H 2 O) + (СS 2) – [(H 2 S) + (СO 2)];
= 2(-241.83) + 115.28 – = +65.43 kJ.

2H 2 S (g) + CO 2 (g) = 2H 2 O (g) + CS 2 (g); = +65,43 kJ.

Отговор:+65,43 kJ.

Уравнение на термохимичната реакция

Задача 85.
Напишете термохимичното уравнение за реакцията между CO (g) и водорода, в резултат на което се образуват CH 4 (g) и H 2 O (g). Колко топлина ще се отдели по време на тази реакция, ако се получат 67,2 литра метан при нормални условия? Отговор: 618,48 kJ.
Решение:
Уравненията на реакцията, в които техните агрегатни състояния или кристална модификация, както и числената стойност на топлинните ефекти са посочени до символите на химичните съединения, се наричат ​​термохимични. В термохимичните уравнения, освен ако не е посочено изрично, са посочени стойностите на топлинните ефекти при постоянно налягане Q p, равни на промяната в енталпията на системата. Стойността обикновено се дава от дясната страна на уравнението, разделена със запетая или точка и запетая. Приемат се следните съкратени обозначения за агрегатното състояние на веществото: Ж- газообразен, и- нещо, Да се- кристален. Тези символи се пропускат, ако агрегатното състояние на веществата е очевидно, например O 2, H 2 и др.
Уравнението на реакцията е:

CO (g) + 3H2 (g) = CH4 (g) + H2O (g); =?

Стойностите на стандартните топлини на образуване на веществата са дадени в специални таблици. Като се има предвид, че топлината на образуване на прости вещества условно се приема за нула. Топлинният ефект на реакцията може да се изчисли с помощта на следствие от закона на Хес:

= (H 2 O) + (CH 4) – (CO)];
= (-241.83) + (-74.84) ​​​​– (-110.52) = -206.16 kJ.

Термохимичното уравнение ще бъде:

22,4 : -206,16 = 67,2 : Х; x = 67,2 (-206,16)/22?4 = -618,48 kJ; Q = 618,48 kJ.

Отговор: 618,48 kJ.

Топлина на образуване

Задача 86.
Топлинният ефект на коя реакция е равен на топлината на образуване. Изчислете топлината на образуване на NO въз основа на следните термохимични уравнения:
а) 4NH 3 (g) + 5O 2 (g) = 4NO (g) + 6H 2 O (l); = -1168,80 kJ;
b) 4NH3 (g) + 3O 2 (g) = 2N 2 (g) + 6H 2 O (l); = -1530,28 kJ
Отговор: 90,37 kJ.
Решение:
Стандартната топлина на образуване е равна на топлината на реакция на образуването на 1 мол от това вещество от прости вещества при стандартни условия (T = 298 K; p = 1,0325,105 Pa). Образуването на NO от прости вещества може да бъде представено по следния начин:

1/2N 2 + 1/2O 2 = НЕ

Дадена е реакция (a), която произвежда 4 mol NO, и дадена реакция (b), която произвежда 2 mol N2. Кислородът участва и в двете реакции. Следователно, за да определим стандартната топлина на образуване на NO, съставяме следния цикъл на Хес, т.е. трябва да извадим уравнение (a) от уравнение (b):

Така, 1/2N 2 + 1/2O 2 = NO; = +90,37 kJ.

Отговор: 618,48 kJ.

Задача 87.
Кристалният амониев хлорид се образува при реакцията на газове амоняк и хлороводород. Напишете термохимичното уравнение за тази реакция, като предварително сте изчислили топлинния й ефект. Колко топлина ще се отдели, ако при реакцията са изразходвани 10 литра амоняк, изчислено при нормални условия? Отговор: 78,97 kJ.
Решение:
Уравненията на реакцията, в които техните агрегатни състояния или кристална модификация, както и числената стойност на топлинните ефекти са посочени до символите на химичните съединения, се наричат ​​термохимични. В термохимичните уравнения, освен ако не е посочено изрично, са посочени стойностите на топлинните ефекти при постоянно налягане Q p, равни на промяната в енталпията на системата. Стойността обикновено се дава от дясната страна на уравнението, разделена със запетая или точка и запетая. Приети са следните: Да се-- кристален. Тези символи се пропускат, ако агрегатното състояние на веществата е очевидно, например O 2, H 2 и др.
Уравнението на реакцията е:

NH3 (g) + HCl (g) = NH4Cl (k). ; =?

Стойностите на стандартните топлини на образуване на веществата са дадени в специални таблици. Като се има предвид, че топлината на образуване на прости вещества условно се приема за нула. Топлинният ефект на реакцията може да се изчисли с помощта на следствие от закона на Хес:

= (NH4Cl) – [(NH 3) + (HCl)];
= -315,39 – [-46,19 + (-92,31) = -176,85 kJ.

Термохимичното уравнение ще бъде:

Топлината, отделена по време на реакцията на 10 литра амоняк в тази реакция, се определя от пропорцията:

22,4 : -176,85 = 10 : Х; x = 10 (-176,85)/22,4 = -78,97 kJ; Q = 78,97 kJ.

Отговор: 78,97 kJ.

Топлинен капацитет- това е количеството топлина, погълнато от тялото при нагряване с 1 градус.

Топлинният капацитет на тялото се обозначава с главна латинска буква СЪС.

От какво зависи топлинният капацитет на тялото? На първо място, от неговата маса. Ясно е, че загряването например на 1 килограм вода ще изисква повече топлина, отколкото загряването на 200 грама.

Какво ще кажете за вида на веществото? Нека направим експеримент. Нека вземем два еднакви съда и като налеем вода с тегло 400 g в единия от тях и растително масло с тегло 400 g в другия, ще започнем да ги нагряваме с еднакви горелки. Като наблюдаваме показанията на термометъра, ще видим, че маслото се загрява бързо. За да загреете вода и масло до еднаква температура, водата трябва да се загрява по-дълго. Но колкото по-дълго загряваме водата, толкова голямо количествополучава топлина от горелката.

По този начин е необходимо да се нагрее една и съща маса от различни вещества до една и съща температура различни количестватоплина. Количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото и следователно неговият топлинен капацитет зависят от вида на веществото, от което е съставено тялото.

Така например, за да се повиши температурата на вода с тегло 1 kg с 1°C, е необходимо количество топлина, равно на 4200 J, а за да се нагрее същата маса слънчогледово масло с 1°C, количество топлина, равно на Необходими са 1700 J.

Физическата величина, показваща колко топлина е необходима за нагряване на 1 kg вещество с 1 ºС, се нарича специфичен топлинен капацитетот това вещество.

Всяко вещество има свой собствен специфична топлина, което се обозначава с латинската буква c и се измерва в джаули на килограм-градус (J/(kg °C)).

Специфичният топлинен капацитет на едно и също вещество в различни агрегатни състояния (твърдо, течно и газообразно) е различен. Например специфичният топлинен капацитет на водата е 4200 J/(kg °C), а специфичният топлинен капацитет на леда е 2100 J/(kg °C); алуминият в твърдо състояние има специфичен топлинен капацитет 920 J/(kg - °C), а в течно състояние - 1080 J/(kg - °C).

Имайте предвид, че водата има много висок специфичен топлинен капацитет. Следователно водата в моретата и океаните, нагрявайки се през лятото, абсорбира от въздуха голям бройтоплина. Благодарение на това на местата, които се намират в близост до големи водни тела, лятото не е толкова горещо, колкото на места, далеч от водата.

Изчисляване на количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото или отделено от него при охлаждане.

От горното става ясно, че количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото, зависи от вида на веществото, от което се състои тялото (т.е. неговия специфичен топлинен капацитет) и от масата на тялото. Също така е ясно, че количеството топлина зависи от това с колко градуса ще повишим телесната температура.

Така че, за да определите количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото или освободено от него по време на охлаждане, трябва да умножите специфичния топлинен капацитет на тялото по неговата маса и по разликата между крайната и началната температура:

Q= см (t 2 -t 1),

Където Q- количество топлина, ° С- специфичен топлинен капацитет, м- телесна маса, т 1- начална температура, t 2- крайна температура.

Когато тялото се загрее t 2> т 1и следователно Q >0 . Когато тялото се охлади t 2i< т 1и следователно Q< 0 .

Ако е известен топлинният капацитет на цялото тяло СЪС, Qопределя се по формулата: Q = C (t 2 - t 1).

22) Топене: определение, изчисляване на количеството топлина за топене или втвърдяване, специфична топлина на топене, графика на t 0 (Q).

Термодинамика

Клон от молекулярната физика, който изучава преноса на енергия, моделите на трансформация на един вид енергия в друг. За разлика от молекулярно-кинетичната теория, термодинамиката не взема предвид вътрешната структура на веществата и микропараметрите.

Термодинамична система

Това е съвкупност от тела, които обменят енергия (под формата на работа или топлина) едно с друго или с заобикаляща среда. Например, водата в чайника се охлажда и се обменя топлина между водата и чайника и топлината на чайника с околната среда. Цилиндър с газ под буталото: буталото извършва работа, в резултат на което газът получава енергия и неговите макропараметри се променят.

Количество топлина

Това енергия, които системата получава или отдава по време на процеса на топлообмен. Обозначена със символа Q, тя се измерва, както всяка енергия, в джаули.

В резултат на различни процеси на топлообмен, енергията, която се пренася, се определя по свой начин.

Отопление и охлаждане

Този процес се характеризира с промяна в температурата на системата. Количеството топлина се определя по формулата

Специфичен топлинен капацитет на вещество сизмерено чрез количеството топлина, необходимо за загряване единици за масаот това вещество с 1K. Загряването на 1 kg стъкло или 1 kg вода изисква различни количества енергия. Специфичният топлинен капацитет е известна величина, вече изчислена за всички вещества; вижте стойността във физическите таблици.

Топлинен капацитет на веществото С- това е количеството топлина, което е необходимо за нагряване на тяло, без да се взема предвид неговата маса с 1K.

Топене и кристализация

Топенето е преход на вещество от в твърдо състояниев течност. Обратният преход се нарича кристализация.

Енергия, изразходвана за унищожаване кристална решеткавещества, определени по формулата

Специфичната топлина на топене е известна стойност за всяко вещество; вижте стойността във физическите таблици.

Изпаряване (изпаряване или кипене) и кондензация

Изпаряването е преминаването на вещество от течно (твърдо) състояние в газообразно състояние. Обратният процес се нарича кондензация.

Специфичната топлина на изпарение е известна стойност за всяко вещество; вижте стойността във физическите таблици.

Изгаряне

Количеството топлина, отделено при изгаряне на дадено вещество

Специфичната топлина на изгаряне е известна стойност за всяко вещество; вижте стойността във физическите таблици.

За затворена и адиабатично изолирана система от тела уравнението е изпълнено топлинен баланс. Алгебричната сума на количествата топлина, отдадена и получена от всички тела, участващи в топлообмена, е равна на нула:

Q 1 +Q 2 +...+Q n =0

23) Структурата на течностите. Повърхностен слой. Сила повърхностно напрежение: примери за проявление, изчисление, коефициент на повърхностно напрежение.

От време на време всяка молекула може да се премести на близко свободно място. Такива скокове в течности се случват доста често; следователно молекулите не са свързани със специфични центрове, както в кристалите, и могат да се движат в целия обем на течността. Това обяснява течливостта на течностите. Поради силното взаимодействие между близко разположени молекули, те могат да образуват локални (нестабилни) подредени групи, съдържащи няколко молекули. Това явление се нарича затворете поръчката(фиг. 3.5.1).

Коефициентът β се нарича температурен коефициент на обемно разширение . Този коефициент за течности е десетки пъти по-голям, отколкото за твърди тела. За вода, например, при температура 20 °C β in ≈ 2 10 – 4 K – 1, за стомана β st ≈ 3,6 10 – 5 K – 1, за кварцово стъкло β kv ≈ 9 10 – 6 K - 1 .

Термичното разширение на водата има интересна и важна аномалия за живота на Земята. При температури под 4 °C водата се разширява при понижаване на температурата (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Когато водата замръзне, тя се разширява, така че ледът остава да плава на повърхността на замръзнало водно тяло. Температурата на замръзване на водата под леда е 0 °C. В повече плътни слоевеТемпературата на водата на дъното на водоема е около 4°C. Благодарение на това животът може да съществува във водата на замръзващи резервоари.

Повечето интересна функциятечности е присъствието свободна повърхност . Течността, за разлика от газовете, не запълва целия обем на съда, в който се излива. Между течността и газа (или парата) се образува граница, която е в специални условия в сравнение с останалата част от течността. Трябва да се има предвид, че поради изключително ниската свиваемост, наличието на по-плътно опакован повърхностен слой. не води до забележима промяна в обема на течността. Ако една молекула се движи от повърхността в течността, силите на междумолекулно взаимодействие ще вършат положителна работа. Напротив, за да издърпате определен брой молекули от дълбочината на течността към повърхността (т.е. да увеличите повърхността на течността), външните сили трябва да извършат положителна работа Δ Авъншен, пропорционален на изменението Δ Сплощ:

От механиката е известно, че равновесните състояния на системата съответстват на минималната стойност на нейната потенциална енергия. Следва, че свободна повърхносттечността има тенденция да намалява площта си. Поради тази причина свободната капка течност придобива сферична форма. Течността се държи така, сякаш сили, действащи тангенциално на нейната повърхност, свиват (дърпат) тази повърхност. Тези сили се наричат сили на повърхностно напрежение .

Наличието на сили на повърхностно напрежение прави повърхността на течността да изглежда като еластичен разтегнат филм, с единствената разлика, че еластичните сили във филма зависят от неговата повърхност (т.е. от това как филмът е деформиран) и повърхностното напрежение сили не зависятвърху повърхността на течността.

Някои течности, като сапунена вода, имат способността да образуват тънки филми. Добре познатите сапунени мехури имат правилна сферична форма - това също показва ефекта на силите на повърхностното напрежение. Ако спуснете телена рамка, едната от чиято страна е подвижна, в сапунен разтвор, тогава цялата рамка ще бъде покрита с филм от течност (фиг. 3.5.3).

Силите на повърхностно напрежение са склонни да намаляват повърхността на филма. За да балансирате подвижната страна на рамката, трябва да приложите външна силаАко под въздействието на сила напречната греда се премести с Δ х, тогава ще бъде извършена работа Δ А vn = Е vn Δ х = Δ E стр = σΔ С, където Δ С = 2ЛΔ х– увеличаване на повърхността на двете страни на сапунения филм. Тъй като модулите на силите и са еднакви, можем да напишем:

По този начин коефициентът на повърхностно напрежение σ може да се определи като модул на силата на повърхностното напрежение, действаща на единица дължина на линията, ограничаваща повърхността.

Поради действието на силите на повърхностното напрежение в капките течност и вътре в сапунените мехурчета възниква свръхналягане Δ стр. Ако мислено изрежете сферична капка с радиус Рна две половини, тогава всяка от тях трябва да бъде в равновесие под действието на силите на повърхностно напрежение, приложени към границата на среза с дължина 2π Ри сили на свръхналягане, действащи върху площта π Р 2 секции (фиг. 3.5.4). Условието за равновесие се записва като

Ако тези сили са по-големи от силите на взаимодействие между молекулите на самата течност, тогава течността мокриповърхност на твърдо тяло. В този случай течността се доближава до повърхността на твърдото тяло под определен остър ъгъл θ, характерен за дадена двойка течност-твърдо тяло. Ъгълът θ се нарича контактен ъгъл . Ако силите на взаимодействие между течните молекули надвишават силите на тяхното взаимодействие с твърдите молекули, тогава контактният ъгъл θ се оказва тъп (фиг. 3.5.5). В този случай казват, че течността не мокриповърхност на твърдо тяло. При пълно намокрянеθ = 0, при пълно ненамокрянеθ = 180°.

Капилярни явлениянаречено покачване или спадане на течност в тръби с малък диаметър - капиляри. Омокрящите течности се издигат през капилярите, а немокрящите се спускат.

На фиг. 3.5.6 показва капилярна тръба с определен радиус r, спуснат в долния край в омокряща течност с плътност ρ. Горният край на капиляра е отворен. Издигането на течността в капиляра продължава, докато силата на гравитацията, действаща върху колоната течност в капиляра, стане равна по големина на резултантната Е n сили на повърхностно напрежение, действащи по протежение на границата на контакт на течността с повърхността на капиляра: Е t = Е n, където Е t = мг = ρ чπ r 2 ж, Е n = σ2π r cos θ.

Това предполага:

При пълно ненамокряне θ = 180°, cos θ = –1 и следователно, ч < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Водата почти напълно намокря чистата стъклена повърхност. Напротив, живакът не намокря напълно стъклената повърхност. Поради това нивото на живак в стъклената капилярка пада под нивото в съда.

24) Изпаряване: определение, видове (изпарение, кипене), изчисляване на количеството топлина за изпаряване и кондензация, специфична топлина на изпаряване.

Изпарение и кондензация. Обяснение на явлението изпарение въз основа на идеи за молекулярната структура на материята. Специфична топлина на изпарение. Неговите единици.

Явлението превръщане на течност в пара се нарича изпаряване.

Изпарение - процесът на изпаряване, протичащ от открита повърхност.

Молекулите на течността се движат с на различни скорости. Ако някоя молекула се окаже на повърхността на течност, тя може да преодолее привличането на съседни молекули и да излети от течността. Изхвърлените молекули образуват пара. Останалите молекули на течността променят скоростта си при сблъсък. В същото време някои молекули придобиват скорост, достатъчна, за да излетят от течността. Този процес продължава, така че течностите се изпаряват бавно.

* Скоростта на изпарение зависи от вида на течността. Тези течности, чиито молекули се привличат с по-малка сила, се изпаряват по-бързо.

*Изпарението може да се случи при всяка температура. Но когато високи температуриизпарението става по-бързо .

* Скоростта на изпарение зависи от неговата повърхност.

*При вятър (въздушен поток) изпарението става по-бързо.

По време на изпарението вътрешната енергия намалява, т.к По време на изпаряване течността напуска бързи молекули, следователно, Средната скоростоставащите молекули намаляват. Това означава, че ако няма приток на енергия отвън, тогава температурата на течността намалява.

Явлението превръщането на парата в течност се нарича кондензация. Придружава се от освобождаване на енергия.

Кондензацията на пара обяснява образуването на облаци. Водната пара, издигаща се над земята, образува облаци в горните студени слоеве на въздуха, които се състоят от малки капки вода.

Специфична топлина на изпарение – физически стойност, показваща колко топлина е необходима за превръщане на течност с тегло 1 kg в пара без промяна на температурата.

Ud. топлина на изпаряване означава се с буквата L и се измерва в J/kg

Ud. топлина на изпаряване на вода: L=2,3×10 6 J/kg, алкохол L=0,9×10 6

Количество топлина, необходимо за превръщане на течността в пара: Q = Lm

В този урок ще научим как да изчисляваме количеството топлина, необходимо за нагряване на тялото или отделено от него при охлаждане. За да направим това, ще обобщим знанията, придобити в предишните уроци.

Освен това ще се научим, използвайки формулата за количеството топлина, да изразяваме останалите количества от тази формула и да ги изчисляваме, като знаем други величини. Ще бъде разгледана и примерна задача с решение за изчисляване на количеството топлина.

Този урок е посветен на изчисляването на количеството топлина, когато тялото се нагрява или отделя при охлаждане.

Умение за пресмятане необходимо количествотоплината е много важна. Това може да е необходимо, например, когато се изчислява количеството топлина, което трябва да се предаде на водата, за да се затопли стаята.

Ориз. 1. Количеството топлина, което трябва да се предаде на водата, за да се затопли стаята

Или да изчислим количеството топлина, което се отделя при изгаряне на гориво в различни двигатели:

Ориз. 2. Количеството топлина, което се отделя при изгаряне на гориво в двигателя

Тези знания са необходими и за определяне на количеството топлина, което се отделя от Слънцето и пада върху Земята:

Ориз. 3. Количеството топлина, отделено от Слънцето и падащо върху Земята

За да изчислите количеството топлина, трябва да знаете три неща (фиг. 4):

• телесно тегло (което обикновено може да се измери с кантар);
• температурната разлика, с която тялото трябва да се нагрее или охлади (обикновено се измерва с помощта на термометър);
• специфичен топлинен капацитет на тялото (който може да се определи от таблицата).

Ориз. 4. Какво трябва да знаете, за да определите

Формулата, по която се изчислява количеството топлина, изглежда така:

В тази формула се появяват следните количества:

Количеството топлина, измерено в джаули (J);

Специфичният топлинен капацитет на дадено вещество се измерва в ;

- температурна разлика, измерена в градуси по Целзий ().

Нека разгледаме проблема с изчисляването на количеството топлина.

Задача

Медна чаша с маса грамове съдържа вода с обем литър при температура. Колко топлина трябва да се предаде на чаша вода, така че температурата й да стане равна на ?

Ориз. 5. Илюстрация на условията на проблема

Първо нека запишем кратко състояние (дадени) и преобразувайте всички количества в международната система (SI).

дадени:	SI
Намирам:

Решение:

Първо, определете какви други количества са ни необходими, за да решим този проблем. Използвайки таблицата на специфичния топлинен капацитет (Таблица 1), намираме (специфичен топлинен капацитет на медта, тъй като по условие стъклото е мед), (специфичен топлинен капацитет на водата, тъй като по условие има вода в стъклото). Освен това знаем, че за да изчислим количеството топлина, се нуждаем от маса вода. Според условието ни се дава само обемът. Следователно от таблицата вземаме плътността на водата: (Таблица 2).

Таблица 1. Специфичен топлинен капацитет на някои вещества,

Таблица 2. Плътности на някои течности

Сега имаме всичко необходимо, за да разрешим този проблем.

Обърнете внимание, че крайното количество топлина ще се състои от сумата от количеството топлина, необходимо за загряване на медното стъкло и количеството топлина, необходимо за загряване на водата в него:

Нека първо изчислим количеството топлина, необходимо за нагряване на медно стъкло:

Преди да изчислим количеството топлина, необходимо за загряване на вода, нека изчислим масата на водата, като използваме формула, която ни е позната от 7 клас:

Сега можем да изчислим:

Тогава можем да изчислим:

Нека си припомним какво означават килоджаули. Представката "килограм" означава .

Отговор:.

За удобство при решаването на задачи за намиране на количеството топлина (така наречените директни задачи) и количествата, свързани с тази концепция, можете да използвате следната таблица.

Необходимо количество	Обозначаване	Единици	Основна формула	Формула за количество
Количество топлина

Концепцията за количеството топлина се формира в ранните етапи от развитието на съвременната физика, когато не е имало ясни идеи за вътрешна структуравещества, какво е енергия, какви форми на енергия съществуват в природата и енергията като форма на движение и трансформация на материята.

Количеството топлина се разбира като физическо количество, еквивалентно на енергията, предадена на материално тяло в процеса на топлообмен.

Остарялата единица за топлина е калорията, равна на 4,2 J; днес тази единица практически не се използва и джаулът зае нейното място.

Първоначално се предполагаше, че носителят на топлинна енергия е някаква напълно безтегловна среда със свойствата на течност. Многобройни физически проблеми на преноса на топлина са били и все още се решават въз основа на тази предпоставка. Съществуването на хипотетична калория беше основата за много по същество правилни конструкции. Смятало се е, че калориите се освобождават и абсорбират при явленията на нагряване и охлаждане, топене и кристализация. Правилните уравнения за процесите на пренос на топлина са получени въз основа на неправилни физически концепции. Известен е закон, според който количеството топлина е правопропорционално на масата на тялото, участващо в топлообмена и температурния градиент:

Където Q е количеството топлина, m е телесната маса и коеф с– величина, наречена специфичен топлинен капацитет. Специфичният топлинен капацитет е характеристика на вещество, участващо в процес.

Работа по термодинамика

В резултат на термичните процеси може да се извърши чисто механична работа. Например, когато един газ се нагрее, той увеличава обема си. Да вземем ситуация като на снимката по-долу:

В този случай механичната работа ще бъде равна на силата на налягането на газа върху буталото, умножена по пътя, изминат от буталото под налягане. Разбира се това най-простият случай. Но дори и в него може да се забележи една трудност: силата на натиск ще зависи от обема на газа, което означава, че нямаме работа с константи, а с променливи количества. Тъй като и трите променливи: налягане, температура и обем са свързани една с друга, изчислителната работа става значително по-сложна. Има някои идеални, безкрайно бавни процеси: изобарни, изотермични, адиабатични и изохорни - за които такива изчисления могат да бъдат извършени относително лесно. Начертава се графика на налягането спрямо обема и работата се изчислява като интеграл на формата.

« Физика - 10 клас"

При какви процеси протичат агрегатните преобразувания на материята?
Как можете да промените агрегатното състояние на дадено вещество?

Можете да промените вътрешната енергия на всяко тяло, като извършвате работа, нагрявате или, обратно, охлаждате го.
И така, при изковаване на метал се извършва работа и той се нагрява, в същото време металът може да се нагрява върху горящ пламък.

Освен това, ако буталото е фиксирано (фиг. 13.5), тогава обемът на газа не се променя при нагряване и не се извършва работа. Но температурата на газа и следователно вътрешната му енергия се увеличава.

Вътрешната енергия може да се увеличава и намалява, така че количеството топлина може да бъде положително или отрицателно.

Процесът на прехвърляне на енергия от едно тяло към друго без извършване на работа се нарича топлообмен.

Количествената мярка за промяната на вътрешната енергия по време на пренос на топлина се нарича количество топлина.

Молекулярна картина на топлообмена.

По време на топлообмен на границата между телата възниква взаимодействието на бавно движещи се молекули на студено тяло с бързо движещи се молекули на горещо тяло. В резултат на това кинетичните енергии на молекулите се изравняват и скоростите на молекулите на студено тяло се увеличават, а тези на нагорещено тяло намаляват.

По време на топлообмена енергията не се преобразува от една форма в друга; част от вътрешната енергия на по-нагрятото тяло се предава на по-слабо нагрято тяло.

Количество топлина и топлинен капацитет.

Вече знаете, че за да загреете тяло с маса m от температура t 1 до температура t 2, е необходимо да му предадете количество топлина:

Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)

Когато тялото се охлади, неговата крайна температура t 2 се оказва по-ниска от началната температура t 1 и количеството топлина, отделено от тялото, е отрицателно.

Коефициентът c във формула (13.5) се нарича специфичен топлинен капацитет вещества.

Специфична топлина- това е количество, числено равно на количеството топлина, което вещество с тегло 1 kg получава или отделя, когато температурата му се промени с 1 K.

Специфичният топлинен капацитет на газовете зависи от процеса, чрез който се осъществява преносът на топлина. Ако нагреете газ при постоянно налягане, той ще се разшири и ще върши работа. За да се нагрее газ с 1 °C при постоянно налягане, той трябва да предаде повече топлина, отколкото да се нагрее при постоянен обем, когато газът само ще се нагрее.

Течност и твърди веществаразширяват се леко при нагряване. Техните специфични топлинни мощности при постоянен обем и постоянно налягане се различават малко.

Специфична топлина на изпарение.

За да се превърне течността в пара по време на процеса на кипене, трябва да й се предаде определено количество топлина. Температурата на течността не се променя, когато кипи. Превръщането на течността в пара при постоянна температура не води до увеличаване на кинетичната енергия на молекулите, но е съпроводено с увеличаване на потенциалната енергия на тяхното взаимодействие. В крайна сметка средното разстояние между молекулите на газа е много по-голямо, отколкото между молекулите на течността.

Величина, числено равно на суматасе нарича топлината, необходима за превръщането на течност с тегло 1 kg в пара при постоянна температура специфична топлинаизпаряване.

Процесът на изпаряване на течност протича при всяка температура, докато най-бързите молекули напускат течността и тя се охлажда по време на изпаряване. Специфичната топлина на изпарение е равна на специфичната топлина на изпарение.

Тази стойност се обозначава с буквата r и се изразява в джаули на килограм (J/kg).

Специфичната топлина на изпаряване на водата е много висока: r H20 = 2,256 10 6 J/kg при температура 100 °C. За други течности, например алкохол, етер, живак, керосин, специфичната топлина на изпаряване е 3-10 пъти по-малка от тази на водата.

За да се превърне течност с маса m в пара, е необходимо количество топлина, равно на:

Q p = rm. (13.6)

Когато парата кондензира, се отделя същото количество топлина:

Q k = -rm. (13.7)

Специфична топлина на топене.

Когато кристално тяло се стопи, цялата топлина, която му се подава, отива за увеличаване на потенциалната енергия на взаимодействие между молекулите. Кинетичната енергия на молекулите не се променя, тъй като топенето се извършва при постоянна температура.

Стойност, числено равна на количеството топлина, необходимо за трансформацията кристално веществос тегло 1 kg при точката на топене в течност се нарича специфична топлина на топенеи се обозначава с буквата λ.

Когато вещество с тегло 1 kg кристализира, се отделя точно толкова топлина, колкото се абсорбира при топенето.

Специфичната топлина на топене на леда е доста висока: 3,34 10 5 J/kg.

„Ако ледът нямаше висока топлина на топене, тогава през пролетта цялата маса лед трябваше да се стопи за няколко минути или секунди, тъй като топлината непрекъснато се прехвърля към леда от въздуха. Последствията от това биха били ужасни; в края на краищата, дори в сегашната ситуация, големи наводнения и силни водни потоци възникват, когато големи масиви от лед или сняг се топят. Р. Блек, XVIII век.

За да се разтопи кристално тяло с маса m, е необходимо количество топлина, равно на:

Qpl = λm. (13.8)

Количеството топлина, отделена при кристализацията на тялото, е равно на:

Q cr = -λm (13.9)

Уравнение на топлинния баланс.

Нека разгледаме топлообмена вътре в система, състояща се от няколко тела, които първоначално имат различни температури, например топлообмен между вода в съд и гореща желязна топка, спусната във водата. Според закона за запазване на енергията, количеството топлина, отдадено от едно тяло, е числено равно на количеството топлина, получено от друго.

Количеството отдадена топлина се счита за отрицателно, количеството получена топлина се счита за положително. Следователно общото количество топлина Q1 + Q2 = 0.

Ако се извършва топлообмен между няколко тела в изолирана система, тогава

Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)

Уравнение (13.10) се нарича уравнение на топлинния баланс.

Тук Q 1 Q 2, Q 3 са количествата топлина, получена или отдадена от телата. Тези количества топлина се изразяват с формула (13.5) или формули (13.6)-(13.9), ако по време на процеса на топлообмен настъпват различни фазови трансформации на веществото (топене, кристализация, изпаряване, кондензация).