Кількість теплоти за різних процесів. Тема уроку: "Кількість теплоти. Одиниці кількості теплоти. Питома теплоємність. Розрахунок кількості теплоти"
« Фізика – 10 клас»
У яких процесах відбуваються агрегатні перетворення речовини?
Як можна змінити агрегатний стан речовини?
Змінити внутрішню енергію будь-якого тіла можна, виконуючи роботу, нагріваючи або, навпаки, охолоджуючи його.
Так, при куванні металу здійснюється робота, і він розігрівається, в той же час метал можна розігріти над полум'ям, що горить.
Також якщо закріпити поршень (рис. 13.5), то об'єм газу при нагріванні не змінюється і робота не відбувається. Але температура газу, а отже, та його внутрішня енергія зростають.
Внутрішня енергія може збільшуватися та зменшуватися, тому кількість теплоти може бути позитивною та негативною.
Процес передачі енергії від одного тіла іншому без виконання роботи називають теплообміном.
Кількісний захід зміни внутрішньої енергіїпри теплообміні називають кількістю теплоти.
Молекулярна картина теплообміну.
При теплообміні на кордоні між тілами відбувається взаємодія повільно рухомих молекул холодного тіла з молекулами гарячого тіла, що швидко рухаються. В результаті кінетичні енергії молекул вирівнюються та швидкості молекул холодного тіла збільшуються, а гарячого зменшуються.
При теплообміні немає перетворення енергії з однієї форми на іншу, частина внутрішньої енергії більш нагрітого тіла передається менш нагрітому тілу.
Кількість теплоти та теплоємність.
Вам уже відомо, що для нагрівання тіла масою т від температури t1 до температури t2 необхідно передати йому кількість теплоти:
Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)
При охолодженні тіла його кінцева температура t 2 виявляється меншою від початкової температури t 1 і кількість теплоти, що віддається тілом, негативно.
Коефіцієнт з формулою (13.5) називають питомою теплоємністюречовини.
Питома теплоємність- це величина, чисельно рівна кількості теплоти, яку отримує або віддає речовина масою 1 кг за зміни її температури на 1 К.
Питома теплоємність газів залежить від цього, у якому процесі здійснюється теплопередача. Якщо нагрівати газ при постійному тиску, то він розширюватиметься і виконуватиме роботу. Для нагрівання газу на 1 ° С за постійного тиску йому потрібно передати більша кількістьтеплоти, ніж для нагрівання його при постійному обсязі, коли газ тільки нагріватиметься.
Рідкі та тверді тіла розширюються при нагріванні незначно. Їхні питомі теплоємності при постійному обсязі та постійному тиску мало різняться.
Питома теплота пароутворення.
Для перетворення рідини на пару в процесі кипіння необхідна передача їй певної кількості теплоти. Температура рідини під час кипіння не змінюється. Перетворення рідини на пару при постійній температурі не веде до збільшення кінетичної енергії молекул, але супроводжується збільшенням потенційної енергії їхньої взаємодії. Адже середня відстань між молекулами газу набагато більша, ніж між молекулами рідини.
Величину, чисельно рівну кількості теплоти, необхідної для перетворення при постійній температурі рідини масою 1 кг на пару, називають питомою теплотою пароутворення.
Процес випаровування рідини відбувається за будь-якої температури, при цьому рідина залишають найшвидші молекули, і вона при випаровуванні охолоджується. Питома теплота випаровування дорівнює питомій теплоті пароутворення.
Цю величину позначають буквою r і виражають у джоулях на кілограм (Дж/кг).
Дуже велика питома теплотапароутворення води: r Н20 = 2,256 10 6 Дж/кг за температури 100 °С. В інших рідин, наприклад, у спирту, ефіру, ртуті, гасу, питома теплота пароутворення менше в 3-10 разів, ніж у води.
Для перетворення рідини масою m на пару потрібна кількість теплоти, що дорівнює:
Q п = rm. (13.6)
При конденсації пари відбувається виділення такої кількості теплоти:
Q до = -rm. (13.7)
Питома теплота плавлення.
При плавленні кристалічного тіла все тепло, що підводиться до нього, йде на збільшення потенційної енергії взаємодії молекул. Кінетична енергія молекул не змінюється, тому що плавлення відбувається за постійної температури.
Величину, чисельно рівну кількості теплоти, необхідної для перетворення кристалічної речовини масою 1 кг при температурі плавлення на рідину, називають питомою теплотою плавленняі позначають літерою?
При кристалізації речовини масою 1 кг виділяється така сама кількість теплоти, яке поглинається при плавленні.
Питома теплота плавлення льоду досить велика: 3,34 10 5 Дж/кг.
«Якби лід не володів великою теплотою плавлення, то тоді навесні вся маса льоду мала б розтанути в кілька хвилин або секунд, оскільки теплота безперервно передається льоду з повітря. Наслідки цього були б жахливі; адже і за існуючого стану виникають великі повені і сильні потоки води при таненні великих мас льоду чи снігу». Р. Блек, XVIII ст.
Для того щоб розплавити кристалічне тіло масою m, необхідна кількість теплоти, що дорівнює:
Q пл = λm. (13.8)
Кількість теплоти, що виділяється при кристалізації тіла, дорівнює:
Q кр = -λm (13.9)
Зрівняння теплового балансу.
Розглянемо теплообмін усередині системи, що складається з декількох тіл, що мають спочатку різні температури, наприклад теплообмін між водою в посудині і опущеною у воду гарячою залізною кулькою. Відповідно до закону збереження енергії кількість теплоти, відданої одним тілом, чисельно дорівнює кількості теплоти, отриманої іншим.
Віддана кількість теплоти вважається негативною, отримана кількість теплоти – позитивною. Тому сумарна кількість теплоти Q1+Q2=0.
Якщо в ізольованій системі відбувається теплообмін між кількома тілами, то
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Рівняння (13.10) називається рівнянням теплового балансу.
Тут Q 1 Q 2 Q 3 - кількості теплоти, отриманої або відданої тілами. Ці кількості теплоти виражаються формулою (13.5) або формулами (13.6)-(13.9), якщо в процесі теплообміну відбуваються різні фазові перетворення речовини (плавлення, кристалізація, пароутворення, конденсація).
Що швидше нагріється на плиті – чайник чи відро води? Відповідь очевидна – чайник. Тоді друге питання – чому?
Відповідь не менш очевидна - тому що маса води в чайнику менша. Чудово. А тепер ви можете зробити самостійно справжнісінький фізичний досвід в домашніх умовах. Для цього вам знадобиться дві однакові невеликі каструльки, рівна кількість води та олії, наприклад, по півлітра та плита. На однаковий вогонь ставте каструльки з олією та водою. А тепер просто спостерігайте, що швидше нагріватиметься. Якщо є градусник для рідин, можна застосувати його, якщо ні, можна просто пробувати температуру іноді пальцем, тільки обережно, щоб не обпектися. У будь-якому випадку ви незабаром переконаєтеся, що олія нагрівається значно швидше води. І ще одне питання, яке теж можна продати у вигляді досвіду. Що швидше закипить – тепла вода чи холодна? Все знову очевидно – тепла буде на фініші першою. Навіщо всі ці дивні питання та досліди? До того щоб визначити фізичну величину, звану «кількістю теплоти».
Кількість теплоти
Кількість теплоти - це енергія, яку тіло втрачає або набуває при теплопередачі. Це зрозуміло і з назви. При охолодженні тіло втрачатиме кілька теплоти, а при нагріванні - поглинати. А відповіді на наші запитання показали нам, від чого залежить кількість теплотиПо-перше, чим більше маса тіла, тим більше теплоти треба витратити на зміну його температури на один градус. По-друге, кількість теплоти, необхідне для нагрівання тіла, залежить від тієї речовини, з якої воно складається, тобто від роду речовини. І по-третє, різниця температур тіла до та після теплопередачі також важлива для наших розрахунків. Виходячи з усього вищесказаного, ми можемо визначити кількість теплоти формулою:
де Q - кількість теплоти,
m - маса тіла,
(t_2-t_1) - різниця між початковою та кінцевою температурами тіла,
c - питома теплоємність речовини, що знаходиться з відповідних таблиць.
За цією формулою можна зробити розрахунок кількості теплоти, яку необхідно, щоб нагріти будь-яке тіло або яке це тіло виділить при охолодженні.
Вимірюється кількість теплоти в джоулях (1 Дж), як і будь-який вид енергії. Однак, цю величину ввели не так давно, а вимірювати кількість теплоти люди почали набагато раніше. І користувалися вони одиницею, що широко використовується й у наш час – калорія (1 кал). 1 калорія - це така кількість теплоти, яка буде потрібна для нагрівання 1 грама води на 1 градус Цельсія. Керуючись цими даними, любителі підраховувати калорії в їжі, що можуть з'їдати, можуть заради інтересу підрахувати, скільки літрів води можна закип'ятити тією енергією, яку вони споживають з їжею протягом дня.
Внутрішня енергія тіла залежить від його температури та зовнішніх умов – об'єму тощо. зовнішні умовизалишаються незмінними, т. е. обсяг та інші параметри постійні, то внутрішня енергія тіла залежить від його температури.
Змінити внутрішню енергію тіла можна, не тільки нагріваючи його в полум'ї або здійснюючи над ним механічну роботу(без зміни положення тіла, наприклад, робота сили тертя), але і приводячи його в контакт з іншим тілом, що має температуру, відмінну від температури даного тіла, тобто за допомогою теплопередачі.
Кількість внутрішньої енергії, що тіло набуває або втрачає в процесі теплопередачі, і називається «кількістю теплоти». Кількість теплоти прийнято позначати буквою Q. Якщо внутрішня енергія тіла в процесі теплопередачі збільшується, то приписують теплоті знак плюс, і кажуть, що тілу повідомили теплоту `Q`. При зменшенні внутрішньої енергії в процесі теплопередачі теплота вважається негативною, і кажуть, що від тіла відібрали (або відвели) кількість теплоти Q.
Кількість теплоти можна вимірювати в тих самих одиницях, в яких вимірюється і механічна енергія. У системі СІ - це `1` джоуль. Існує й інша одиниця виміру теплоти – калорія. Калорія- це кількість теплоти, необхідне для нагрівання `1` г води на `1^@bb"C"`. Співвідношення між цими одиницями було встановлено Джоулем: `1` кал` = 4,18` Дж. Це означає, що за рахунок роботи в `4,18` кДж температура `1` кілограма води підвищиться на `1` градус.
Кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла на `1^@ bb"C"`, називається теплоємністю тіла. Теплоємність тіла позначається буквою `C`. Якщо тілу повідомили не велика кількістьтеплоти `Delta Q`, а температура тіла змінилася на `Delta t` градусів, то
| `Q = C * Deltat = C * (t_2 - t_1) = c * m * (t_2 - t_1) `. | (1.3) |
Якщо тіло оточити оболонкою, що погано проводить тепло, то температура тіла, якщо воно надано самому собі, залишатиметься протягом тривалого часу практично постійною. Таких ідеальних оболонок у природі, звісно, немає, але можна створити оболонки, які за своїми властивостями наближаються до таких.
Прикладами можуть бути обшивка космічних кораблів, судини Дьюара, що застосовуються у фізиці та техніці. Судина Дьюара є скляним або металевим балоном з подвійними дзеркальними стінками, між якими створений високий вакуум. Скляна колба домашнього термоса також є судиною Дьюара.
Теплоізолюючою є оболонка калориметра- Приладу, що дозволяє вимірювати кількість теплоти. Калориметр є великою тонкостінною склянкою, поставленою на шматочки пробки всередину іншої великої склянки так, щоб між стінками залишався шар повітря, і закритий зверху теплонепровідною кришкою.
Якщо в калориметрі привести в тепловий контакт два або кілька тіл, що мають різні температури, і почекати, то через деякий час всередині калориметра встановиться теплова рівновага. У процесі переходу в теплову рівновагу одні тіла будуть віддавати тепло (сумарна кількість теплоти `Q_(sf"відд")`), інші отримуватимуть тепло (сумарна кількість теплоти `Q_(sf"підлога))). А так як калориметр і ті, що в ньому містяться, не обмінюються теплом з навколишнім простором, а тільки між собою, то можна записати співвідношення, зване також рівнянням теплового балансу:
У ряді теплових процесів тепло може поглинатися або виділятися тілом без зміни температури. Такі теплові процеси мають місце при зміні агрегатного стану речовини - плавленні, кристалізації, випаровуванні, конденсації та кипінні. Коротко зупинимося на основних характеристиках цих процесів.
Плавлення- процес перетворення кристалічного твердого тіла на рідину. Процес плавлення відбувається за постійної температури, тепло при цьому поглинається.
Питома теплота плавлення `lambda` дорівнює кількості теплоти, необхідної для того, щоб розплавити `1` кг кристалічної речовини, взятої за температури плавлення. Кількість теплоти `Q_(sf"пл")`, яка буде потрібна для перекладу твердого тіла маси `m` при температурі плавлення в рідкий стан, одно
Оскільки температура плавлення залишається постійною, кількість теплоти, що повідомляється тілу, йде на збільшення потенційної енергії взаємодії молекул, при цьому відбувається руйнування кристалічної решітки.
Процес кристалізації- це процес, обернений до процесу плавлення. При кристалізації рідина перетворюється на тверде тіло і виділяється кількість теплоти, що також визначається формулою (1.5).
Випаровування- це процес перетворення рідини на пару. Випаровування відбувається з відкритої поверхні рідини. У процесі випаровування рідина залишають найшвидші молекули, тобто молекули, здатні подолати сили тяжіння з боку молекул рідини. Внаслідок цього якщо рідина теплоізольована, то в процесі випаровування вона охолоджується.
Питома теплота пароутворення `L` дорівнює кількості теплоти, необхідної для того, щоб перетворити на пару `1` кг рідини. Кількість теплоти `Q_(sf"ісп")`, яка буде потрібна для переведення в пароподібний стан рідина масою `m` дорівнює
| `Q_(sf"ісп") = L * m`. | (1.6) |
Конденсація- процес, обернений до процесу випаровування. При конденсації пара переходить у рідину. У цьому виділяється тепло. Кількість теплоти, що виділяється під час конденсації пари, визначається за формулою (1.6).
Кипіння- процес, при якому тиск насиченої парирідини одно атмосферному тиску, Тому випаровування відбувається не тільки з поверхні, але і по всьому об'єму (в рідині завжди є бульбашки повітря, при кипінні тиск пари в них досягає атмосферного, і бульбашки піднімаються вгору).
Теплоємність- Це кількість теплоти, що поглинається тілом при нагріванні на 1 градус.
Теплоємність тіла позначається великою латинською літерою З.
Від чого залежить теплоємність тіла? Насамперед, від його маси. Зрозуміло, що для нагріву, наприклад, 1 кілограм води потрібно більше тепланіж для нагрівання 200 грамів.
А від роду речовини? Зробимо досвід. Візьмемо дві однакові судини і, наливши в одну з них воду масою 400 г, а в іншій - рослинна оліямасою 400 г, почнемо їх нагрівати за допомогою однакових пальників. Спостерігаючи за показаннями термометрів, ми побачимо, що олія нагрівається швидке. Щоб нагріти воду та олію до однієї і тієї ж температури, воду слід нагрівати довше. Але чим довше ми нагріваємо воду, тим більше теплоти вона отримує від пальника.
Таким чином, для нагрівання однієї і тієї ж маси різних речовиндо однакової температури потрібна різна кількість теплоти. Кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла і, отже, його теплоємність залежить від роду речовини, з якого складається це тіло.
Так, наприклад, щоб збільшити на 1°С температуру води масою 1 кг, потрібна кількість теплоти, що дорівнює 4200 Дж.
Фізична величина, Що показує, скільки теплоти потрібно для нагрівання 1 кг речовини на 1 ºС, називається питомою теплоємністю цієї речовини.
У кожної речовини своя питома теплоємність, яка позначається латинською літерою с і вимірюється в джоулях на кілограм-градус (Дж/(кг · ° С)).
Питома теплоємність однієї і тієї ж речовини в різних агрегатних станах(твердому, рідкому та газоподібному) різна. Наприклад, питома теплоємність води дорівнює 4200 Дж/(кг · ºС), а питома теплоємність льоду 2100 Дж/(кг · °С); алюміній у твердому стані має питому теплоємність, що дорівнює 920 Дж/(кг - °С), а в рідкому - 1080 Дж/(кг - °С).
Зауважимо, що вода має дуже велику питому теплоємність. Тому вода в морях та океанах, нагріваючись улітку, поглинає з повітря велику кількість тепла. Завдяки цьому в тих місцях, які розташовані поблизу великих водойм, літо не буває таким спекотним, як у місцях віддалених від води.
Розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла або виділеного ним при охолодженні.
З вищевикладеного ясно, що кількість теплоти, необхідне нагрівання тіла, залежить від роду речовини, з якого складається тіло (тобто його питомої теплоємності), і зажадав від маси тіла. Зрозуміло також, що кількість теплоти залежить від того, скільки градусів ми збираємося збільшити температуру тіла.
Отже, щоб визначити кількість теплоти, необхідну для нагрівання тіла або виділене ним при охолодженні, потрібно питому теплоємність тіла помножити на його масу і на різницю між кінцевою і початковою температурами:
Q= cm (t 2 -t 1),
де Q- кількість теплоти, c- питома теплоємність, m- маса тіла, t 1- Початкова температура, t 2- Кінцева температура.
При нагріванні тіла t 2> t 1і, отже, Q >0 . При охолодженні тіла t 2і< t 1і, отже, Q< 0 .
Якщо відома теплоємність всього тіла З, Qвизначається за формулою: Q = C (t 2 - t 1).
22) Плавання: визначення, розрахунок кількості теплоти на плавлення чи затвердіння, питома теплота плавлення, графік залежності t 0 (Q).
Термодинаміка
Розділ молекулярної фізики, що вивчає передачу енергії, закономірності перетворення одних видів енергії на інші. На відміну від молекулярно-кінетичної теорії, у термодинаміці не враховується внутрішня будоваречовин та мікропараметри.
Термодинамічна система
Це сукупність тіл, які обмінюються енергією (у формі роботи або теплоти) один з одним або з довкіллям. Наприклад, вода в чайнику остигає, відбувається обмін теплотою води з чайником та чайника з навколишнім середовищем. Циліндр з газом під поршнем: поршень виконує роботу, внаслідок чого газ отримує енергію, і змінюються його макропараметри.
Кількість теплоти
Це енергія, що отримує або віддає система в процесі теплообміну. Позначається символом Q, вимірюється, як і будь-яка енергія, в Джоулях.
Внаслідок різних процесів теплообміну енергія, що передається, визначається по-своєму.
Нагрівання та охолодження
Цей процес характеризується зміною температури системи. Кількість теплоти визначається за формулою
Питома теплоємність речовини звимірюється кількістю теплоти, яка необхідна для нагрівання одиниці масицієї речовини на 1К. Для нагрівання 1 кг скла або 1 кг води потрібно різна кількістьенергії. Питома теплоємність - відома, вже обчислена всім речовин величина, значення дивитися у фізичних таблицях.
Теплоємність речовини С- це кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла без урахування його маси на 1К.
Плавлення та кристалізація
Плавлення - перехід речовини з твердого стану рідке. Зворотний перехід називається кристалізацією.
Енергія, що витрачається на руйнування кристалічних ґрат речовини, визначається за формулою
Питома теплота плавлення відома кожної речовини величина, значення дивитися у фізичних таблицях.
Пароутворення (випар або кипіння) та конденсація
Пароутворення - це перехід речовини з рідкого (твердого) стану газоподібне. Зворотний процесназивається конденсацією.
Питома теплота пароутворення відома кожної речовини величина, значення дивитися у фізичних таблицях.
Горіння
Кількість теплоти, що виділяється при згорянні речовини
Питома теплота згоряння відома кожної речовини величина, значення дивитися у фізичних таблицях.
Для замкнутої та адіабатично ізольованої системи тіл виконується рівняння теплового балансу. Алгебраїчна сума кількостей теплоти, відданих та отриманих усіма тілами, що беруть участь у теплообміні, дорівнює нулю:
Q 1 +Q 2 +...+Q n =0
23) Будова рідин. Поверхневий шар. Сила поверхневого натягу: приклади прояву, розрахунок, коефіцієнт поверхневого натягу.
Іноді будь-яка молекула може переміститися у сусіднє вакантне місце. Такі перескоки у рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрів, як у кристалах, і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Через сильну взаємодію між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) упорядковані групи, що містять декілька молекул. Це явище називається ближнім порядком(Рис. 3.5.1).
Коефіцієнт β називають температурним коефіцієнтомоб'ємного розширення . Цей коефіцієнт у рідин у десятки разів більший, ніж у твердих тіл. У води, наприклад, при температурі 20 °С ? - 1 .
Теплове розширення води має цікаву та важливу для життя на Землі аномалію. За температури нижче 4 °С вода розширюється при зниженні температури (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
При замерзанні вода розширюється, тому лід залишається плавати на поверхні замерзаючої водойми. Температура води, що замерзає, під льодом дорівнює 0 °С. У більш щільних шарах води біля дна водоймища температура виявляється близько 4 °С. Завдяки цьому життя може існувати у воді водойм, що замерзають.
Найбільш цікавою особливістюрідин є наявність вільної поверхні . Рідина, на відміну від газів, не заповнює весь обсяг посудини, в яку вона налита. Між рідиною та газом (або парою) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовахСлід мати на увазі, що внаслідок вкрай низької стисливості наявність більш щільно упакованого поверхневого шару не призводить до скільки-небудь помітної зміни об'єму рідини. Якщо молекула переміститься із поверхні всередину рідини, сили міжмолекулярної взаємодії зроблять позитивну роботу. Навпаки, щоб витягнути деяку кількість молекул із глибини рідини на поверхню (тобто збільшити площу поверхні рідини), зовнішні сили повинні здійснити позитивну роботу Δ Aзовніш, пропорційну зміні Δ Sплощі поверхні:
Із механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення її потенційної енергії. Звідси випливає, що вільна поверхня рідини прагне скоротити свою площу. З цієї причини вільна крапля рідини набуває кулястої форми. Рідина поводиться так, ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу .
Наявність сил поверхневого натягу робить поверхню рідини схожою на пружну розтягнуту плівку, з тією різницею, що пружні сили в плівці залежать від площі її поверхні (тобто від того, як плівка деформована), а сили поверхневого натягу не залежатьвід площі поверхні рідини.
Деякі рідини, як, наприклад, мильна вода, мають здатність утворювати тонкі плівки. Всім добре відомі мильні бульбашки мають правильну сферичну форму - у цьому також проявляється дія сил поверхневого натягу. Якщо мильний розчин опустити дротяну рамку, одна зі сторін якої рухома, то вся вона затягнеться плівкою рідини (рис. 3.5.3).
Сили поверхневого натягу прагнуть скоротити поверхню плівки. Для рівноваги рухомої сторони рамки до неї потрібно докласти зовнішню силу. Якщо під дією сили поперечина переміститься на Δ x, то буде проведена робота Δ Aвн = Fвн Δ x = Δ E p = σΔ S, де Δ S = 2LΔ x- Збільшення площі поверхні обох сторін мильної плівки. Оскільки модулі сил і однакові, можна записати:
|
Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу σ може бути визначений як модуль сили поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини лінії, що обмежує поверхню.
Через дії сил поверхневого натягу в краплях рідини та всередині мильних бульбашоквиникає надлишковий тиск Δ p. Якщо подумки розрізати сферичну краплю радіусу Rна дві половинки, кожна з них повинна перебувати в рівновазі під дією сил поверхневого натягу, прикладених до межі розрізу довжиною 2π Rі сил надлишкового тиску, що діють на площу R 2 перерізи (рис. 3.5.4). Умова рівноваги записується як
Якщо ці сили більші за сили взаємодії між молекулами самої рідини, то рідина змочуєПоверхня твердого тіла. У цьому випадку рідина підходить до поверхні твердого тіла під деяким гострим кутомθ, характерним для цієї пари рідина – тверде тіло. Кут θ називається крайовим кутом . Якщо сили взаємодії між молекулами рідини перевершують сили їхньої взаємодії з молекулами твердого тіла, то крайовий кут θ виявляється тупим (рис. 3.5.5). У цьому випадку кажуть, що рідина не змочуєПоверхня твердого тіла. При повному змочуванніθ = 0, при повному незмочуванніθ = 180 °.
Капілярними явищаминазивають підйом чи опускання рідини в трубках малого діаметра – капілярах. Змочують рідини піднімаються по капілярах, незмочують - опускаються.
На рис. 3.5.6 зображено капілярну трубку деякого радіусу r, опущена нижнім кінцем у змочуючу рідину щільності ρ. Верхній кінець капіляра відкрито. Підйом рідини в капілярі триває до тих пір, поки сила тяжіння, що діє на стовп рідини в капілярі, не стане рівною по модулю результуючої. Fн сил поверхневого натягу, що діють уздовж межі зіткнення рідини з поверхнею капіляра: Fт = Fн, де Fт = mg = ρ hπ r 2 g, Fн = σ2π r cos θ.
Звідси випливає:
При повному незмочуванні θ = 180 °, cos θ = -1 і, отже, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Вода майже повністю змочує чисту поверхню скла. Навпаки, ртуть не змочує скляну поверхню. Тому рівень ртуті у скляному капілярі опускається нижче рівня судини.
24) Пароутворення: визначення, види (випаровування, кипіння), розрахунок кількості теплоти на пароутворення та конденсацію, питома теплота пароутворення.
Випаровування та конденсація. Пояснення явища випаровування на основі уявлень про молекулярну будову речовини. Питома теплота пароутворення. Її одиниці.
Явище перетворення рідини на пару називається пароутворенням.
Випаровування -процес пароутворення, що відбувається з відкритої поверхні.
Молекули рідини рухаються із різними швидкостями. Якщо якась молекула опиниться біля поверхні рідини, вона може подолати тяжіння сусідніх молекул і вилетіти з рідини. молекули, Що Вилетіли, утворюють пару. У молекул рідини, що залишилися, при зіткненні змінюються швидкості. Деякі молекули при цьому набувають швидкості, достатньої для того, щоб вилетіти з рідини. Цей процес продовжується, тому рідини випаровуються повільно.
*Швидкість випаровування залежить від роду рідини. Швидше випаровуються ті рідини, у яких молекул притягуються з меншою силою.
*Випар може відбуватися за будь-якої температури. Але при високих температурахвипаровування відбувається швидше .
*Швидкість випаровування залежить від площі її поверхні.
*При вітрі (потоку повітря) випаровування відбувається швидше.
При випаровуванні внутрішня енергія зменшується, т.к. при випаровуванні рідина залишають швидкі молекули, отже, середня швидкість інших молекул зменшується. Значить, якщо немає припливу енергії ззовні, то температура рідини зменшується.
Явище перетворення пари на рідину називається конденсацією.
Вона супроводжується виділенням енергії.
Конденсацією пари пояснюється утворення хмар. Пари води, що піднімаються над землею, утворюють у верхніх холодних шарах повітря хмари, які складаються з найдрібніших крапель води.
Питома теплота пароутворення - Фіз. величина, що показує яку кількість теплоти необхідно, щоб звернути рідину масою 1 кг у пару без зміни температури.
Уд. теплоту пароутворення позначають буквою L і вимірюється Дж/кг
Уд. теплоту пароутворення води: L=2,3×10 6 Дж/кг, спирт L=0,9×10 6
Кількість теплоти, необхідне перетворення рідини на пару: Q = Lm
Як відомо, при різних механічних процесах відбувається зміна механічної енергії W meh. Мірою зміни механічної енергії є робота сил, прикладених до системи:
\(~\Delta W_(meh) = A.\)
Під час теплообміну відбувається зміна внутрішньої енергії тіла. Мірою зміни внутрішньої енергії при теплообміні є кількість теплоти.
Кількість теплоти- це міра зміни внутрішньої енергії, яку тіло отримує (або віддає) у процесі теплообміну.
Таким чином, і робота, і кількість теплоти характеризують зміну енергії, але не тотожні енергії. Вони не характеризують сам стан системи, а визначають процес переходу енергії з одного виду до іншого (від одного тіла до іншого) при зміні стану і істотно залежать від характеру процесу.
Основна відмінність між роботою та кількістю теплоти полягає в тому, що робота характеризує процес зміни внутрішньої енергії системи, що супроводжується перетворенням енергії з одного виду на інший (з механічної у внутрішню). Кількість теплоти характеризує процес передачі внутрішньої енергії від одних тіл до інших (від більш нагрітих до менш нагрітих), що не супроводжується перетвореннями енергії.
Досвід показує, що кількість теплоти, необхідна для нагрівання тіла масою mвід температури T 1 до температури T 2 , розраховується за формулою
\(~Q = cm (T_2 - T_1) = cm \Delta T, \qquad(1)\)
де c- Питома теплоємність речовини;
\(~c = \frac(Q)(m (T_2 - T_1)).\)
Одиницею питомої теплоємності СІ є джоуль на кілограм-Кельвін (Дж/(кг·К)).
Питома теплоємність cчисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно повідомити тілу масою 1 кг, щоб нагріти його на 1 К.
Теплоємністьтіла C T чисельно дорівнює кількості теплоти, необхідної зміни температури тіла на 1 К:
\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = cm.\)
Одиницею теплоємності тіла в СІ є Джоуль на Кельвін (Дж/К).
Для перетворення рідини на пару при незмінній температурі необхідно витратити кількість теплоти
\(~Q = Lm, \qquad (2)\)
де L- Питома теплота пароутворення. При конденсації пари виділяється така сама кількість теплоти.
Для того, щоб розплавити кристалічне тіло масою mпри температурі плавлення необхідно тілу повідомити кількість теплоти
\(~Q = \lambda m, \qquad (3)\)
де λ - Питома теплота плавлення. При кристалізації тіла така сама кількість теплоти виділяється.
Кількість теплоти, що виділяється при повному згорянніпалива масою m,
\(~Q = qm, \qquad (4)\)
де q- Питома теплота згоряння.
Одиниця питомих теплот пароутворення, плавлення та згоряння в СІ – джоуль на кілограм (Дж/кг).
Література
Аксенович Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракіна, К. С. Фаріно; За ред. К. С. Фаріно. – Мн.: Адукація i виховування, 2004. – C. 154-155.
