Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. В 2 частях. Ч.2. Молекулярная физика. Термодинамика. Электродинамика. Учебное пособие
.pdf
31
КкгДж
Cкг
Дж
Cкг
Дж
Cкг
Дж
Cкг
Дж
Cкг
Дж
Соотношение между единицами: 1 кал = 4,19 Дж.
Процесс, при котором происходит увеличение температуры тела в
результате получения некоторого количества теплоты, называется
нагреванием.
Процесс, при котором происходит уменьшение температуры тела в
результате отдачи некоторого количества теплоты, называется
охлаждением.
При нагревании тело получает энергию, температура
увеличивается, полученное телом количество теплоты положительное.
При охлаждении тело отдаёт энергию, температура уменьшается,
количество теплоты, отданное телом, отрицательно.
При нагревании или охлаждении тела количество теплоты,
поглощаемое или выделяемое им, рассчитывается по формуле:
где m – масса тела; (
Q = с·m·(t
t
−
t
) – разность температур тела; t1 – начальная
2
1
− t
) , (8)
2
1
температура тела, t2 – конечная температура тела; c – удельная
теплоёмкость вещества, из которого состоит тело.
Удельная теплоёмкость вещества – это физическая величина,
численно равная количеству теплоты, которое получает или отдаёт
вещество массой 1 кг при изменении его температуры на 1°C .
Она характеризует тепловые свойства вещества по его
способности к изменению температуры.
Единица измерения удельной теплоёмкости вещества в СИ –
1
или 1
. Например, c
воды
= 4200
, c
= 2100
льда
,
c
меди
= 400
, c
алюм
= 920
.
Тела, участвующие в теплообмене, представляют собой
термодинамическую систему. Термодинамическая система
называется теплоизолированной, если она не получает энергию
32
получотд
QQ
извне и не отдаёт её, теплообмен происходит только между телами,
входящими в эту систему (рис. 12).
Рис. 12
При передаче тепла от одних тел к другим всегда выполняется
уравнение теплового баланса (9): при теплообмене сумма количеств
теплоты, отданных всеми телами, у которых внутренняя энергия
уменьшается, равна сумме количеств теплоты, полученных всеми
телами, у которых внутренняя энергия увеличивается:
. (9)
Уравнение теплового баланса можно записать и в таком виде:
Q1 + Q2 +…+ Qn = 0,
где n – количество тел системы; Q1, Q
, …, Q
2
– это количество
n
теплоты, поглощаемое или выделяемое участниками теплообмена.
Алгебраическая сумма всех количеств теплоты (поглощённых
и выделенных) в теплоизолированной системе равна нулю.
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
количество теплоты
удельная теплоёмкость
нагревание
охлаждение
вещества
уравнение теплового баланса
теплоизолированная система
??? Ответьте на вопросы.
1. Что называется количеством теплоты?
2. Чему равно количество теплоты?
33
3. В каких единицах измеряется количество теплоты?
4. Какой процесс называется нагреванием? Охлаждением?
5. Как изменяется внутренняя энергия при нагревании?
Охлаждении?
6. Что называется удельной теплоёмкостью вещества?
7. Какая термодинамическая система называется
теплоизолированной?
8. Сформулируйте закон сохранения и превращения энергии в
тепловых процессах.
Упражнение 8. Решите задачи.
1. Определить, какое количество теплоты необходимо сообщить
куску свинца массой 2 кг для его нагревания на 10°C. Удельная
теплоёмкость свинца – 140 Дж/К·кг.
2. Удельная теплоёмкость тела равна 400 Дж/К·кг, масса – 5 кг.
При нагревании оно получило 8 кДж тепла. Определить изменение
температуры тела.
3. Какое количество теплоты отдаёт 5 л воды при охлаждении с
50°C до 10°C?
4. При нагревании куска меди от 20°C до 170°C было затрачено
140000 Дж тепла. Определить массу меди.
§ 9. Фазовые переходы
Вещества могут находиться в трёх агрегатных состояниях –
газообразном, жидком и твёрдом. Изменение температуры и давления
могут привести к изменению агрегатного состояния вещества.
Например, твёрдое тело может перейти в жидкость, жидкость – в газ.
При этом химический состав вещества во всех агрегатных состояниях
не изменяется. Эти состояния отличаются друг от друга характером
движения молекул и плотностью их расположения.
34
Различают и фазовое состояние веществ. Фаза – это однородная
часть термодинамической системы, отличающаяся от других
частей физическими свойствами и отделенная от них чётко
выраженной границей.
С точки зрения структуры фазы различаются порядком во
взаимном расположении молекул. В зависимости от этого порядка
различают три фазовых состояния: кристаллическое, жидкое и
газообразное. Например, если в закрытом сосуде находится вода, то
эта система является двухфазной: жидкая фаза – вода; газообразная
фаза – водяные пары. Если в воду бросить кусочки льда, то эта
система станет трёхфазной, в которой лёд является твёрдой фазой.
Раствор одного вещества в другом представляет собой одну фазу.
Могут быть фазовые переходы из одной кристаллической
модификации в другую, например, графит – алмаз.
Если система является однокомпонентной, т.е. состоящей из
химически однородного вещества, то понятие фазы совпадает с
понятием агрегатного состояния вещества.
Фазовыми переходами называются переходы из одного фазового
состояния в другое, т.е. переходы, связанные с изменением взаимного
расположения молекул и термодинамических свойств вещества.
Практика показывает, что существуют следующие фазовые
переходы (рис. 13):
1) из твёрдой фазы – в жидкую;
2) из жидкой фазы – в газообразную;
3) из газообразной фазы – в жидкую;
4) из жидкой фазы – в твёрдую;
5) из твёрдой фазы – в газообразную;
6) из газообразной фазы – в твёрдую.
35
Рис. 13
Плавление и кристаллизация
Плавлением называют переход вещества из твёрдой фазы в
жидкую.
Чтобы расплавить тело, нужно сначала нагреть его до
определённой температуры. Температуру, при которой вещество
плавится, называют температурой плавления вещества. При
нагревании кристаллического тела (рис. 14, а) возрастает его
внутренняя энергия, увеличивается кинетическая энергия теплового
движения (Eк) его частиц и потенциальная энергия (Eп) их
взаимодействия. В точке B начинается процесс плавления. При
температуре плавления (отрезок BC) вещество переходит в жидкое
состояние, Eк не меняется, Eп увеличивается, кристаллическая
решётка разрушается. Температура тела не меняется до окончания
процесса плавления (точка C). При дальнейшем нагревании жидкости
Eк увеличивается, температура жидкости увеличивается.
Рис. 14
36
m
кг
Дж
кг
кДж
кг
кДж
Количество теплоты, поглощаемое телом при плавлении,
рассчитывается по формуле:
Q =
,
где m – масса тела; – удельная теплота плавления, измеряется в
джоулях на килограмм (
льда = 330
.
). Например, для свинца = 25
, для
Количество теплоты, необходимое для плавления вещества,
равно произведению удельной теплоты плавления на массу
данного вещества.
Удельная теплота плавления – это физическая величина, численно
равная количеству теплоты, необходимому для полного превращения
1 кг вещества из твёрдого состояния в жидкое, взятого при
температуре плавления.
Кристаллизацией (отвердеванием) называют переход
вещества из жидкой фазы в твёрдую.
График процесса кристаллизации тела показан на рис. 14, б.
Температура, при которой вещество отвердевает (кристаллизуется),
называют температурой отвердевания или кристаллизации.
Опыты показывают, что вещества отвердевают при той же
температуре, при которой плавятся. Например, вода кристаллизуется
(лёд плавится) при 0°C, железо плавится и кристаллизуется при
температуре 1539°C.
Испарение и конденсация
Переход вещества из жидкой фазы в газообразную называется
парообразованием.
Совокупность молекул, вылетевших из вещества, называется
паром этого вещества.
Переход из жидкой фазы в газообразную возможен двумя
различными процессами: испарением и кипением.
37
Испарение – это парообразование, происходящее только со
свободной поверхности жидкости, граничащей с газообразной средой
или с вакуумом при любой температуре (рис. 15).
Рис. 15
Экспериментально установлены следующие закономерности:
1. При одинаковых условиях различные вещества испаряются
с различной скоростью (скорость испарения определяется числом
молекул, переходящих в пар с поверхности вещества за 1 с).
2. Скорость испарения тем больше:
– чем больше площадь свободной поверхности жидкости;
– чем меньше плотность паров над поверхностью жидкости.
Скорость увеличивается при движении окружающего воздуха (ветер);
– чем больше температура жидкости.
3. При испарении температура тела понижается.
Механизм испарения можно объяснить с точки зрения MKT:
молекулы, находящиеся на поверхности, удерживаются силами
притяжения со стороны других молекул вещества. Молекула может
вылететь за пределы жидкости лишь тогда, когда её кинетическая
энергия превышает значение той работы, которую необходимо
совершить, чтобы преодолеть силы молекулярного притяжения.
Поэтому покинуть вещество могут только быстрые молекулы. В
результате средняя кинетическая энергия оставшихся молекул
уменьшается, а температура жидкости понижается.
Испарение, происходящее не только с поверхности жидкости,
но и внутри жидкости, называется кипением (рис. 16).
38
кг
Дж
кг
МДж
кг
МДж
Рис. 16
Температура, при которой происходит кипение, называется
температурой кипения. Температура кипения зависит от рода
жидкости и внешнего давления.
Количество теплоты Q, необходимое для превращения
жидкости в пар при постоянной температуре, называется
теплотой парообразования.
Экспериментально установлено, что Q = L
m, где m – масса
испарившейся жидкости; L – удельная теплота парообразования,
измеряется в джоулях на килограмм (
L = 0,85
, для воды L = 2,3
.
). Например, для спирта
Удельная теплота парообразования – это физическая величина,
численно равная количеству теплоты, необходимому для превращения
в пар 1 кг жидкости, взятой при температуре кипения.
Процесс перехода вещества из газообразной фазы в жидкую
называется конденсацией (рис. 17). Конденсация пара
сопровождается нагреванием жидкости. При конденсации выделяется
такое же количество теплоты, которое было затрачено при испарении.
Рис. 17
39
Если при фазовом переходе энергия к телу подводится (плавление,
испарение), то Q > 0; если тело выделяет энергию (кристаллизация,
конденсация), то Q < 0 (рис. 18).
Рис. 18
Сублимация – фазовый переход вещества из кристаллического
(твёрдого) состояния в пар, минуя стадию жидкости. Известны
природные сублимационные процессы, например, образование и
изменение ядер комет. Десублимация, в свою очередь, обратный
процесс: например, появление инея на ветвях деревьев.
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
фаза
фазовый переход
плавление
температура плавления
удельная теплота плавления
кристаллизация
температура отвердевания
испарение
кипение
теплота парообразования
удельная теплота
парообразования
конденсация
сублимация
парообразование
??? Ответьте на вопросы.
1. Что называют фазой?
2. Что называется фазовым переходом?
3. Какой процесс называется плавлением? Кристаллизацией?
5. Что называется удельной теплотой плавления?
6. Что называется парообразованием?
7. Что называется испарением?
8. От чего зависит скорость испарения?
40
№
Название физических величин
Обозначение
физических
величин
Единицы измерения
физических величин
в СИ
1
Количество теплоты
2
Масса
3
Температура
4
Удельная теплоёмкость
5
Удельная теплота плавления
6
Удельная теплота сгорания
топлива
7
Удельная теплота
парообразования
№
Процесс
Формула для расчёта количества теплоты
1
2
3
4
5
Cкг
Дж
кг
Дж
9. Что называется кипением?
10. Что называется удельной теплотой парообразования?
11. Что называется теплотой парообразования?
12. Что называется сублимацией?
Упражнение 9.
1. Заполнить таблицу.
2. Заполнить таблицу.
3. Решите задачи.
1. Сколько энергии нужно затратить, чтобы расплавить лёд массой
4 кг при температуре 0°С?
2. Какое количество теплоты потребуется, чтобы 29 кг воды,
взятой при температуре 20°С, нагреть до кипения и обратить в пар?
Удельная теплоёмкость воды с = 4200
, удельная теплота
парообразования воды L = 2,26
3. Какое количество теплоты выделит 1 кг пара при 100°С, если
его обратить в воду и затем охладить полученную воду до 40°С?
106
.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]