ciepło notatka dla dzieci

PRZEMIANY ENERGII W ZJAWISKACH CIEPLNYCH
1. Energia wewnętrzna Ew ciała to suma energii kinetycznych chaotycznego ruchu wszystkich jego
cząsteczek oraz ich energii potencjalnych wynikających z wzajemnego oddziaływania
międzycząsteczkowego.
Jednostką energii jest dŜul: [Ew] = 1J
Wzrost średniej energii kinetycznej chaotycznego ruchu cząsteczek ciała przejawia się wzrostem jego
temperatury.
2. Zmiana energii wewnętrznej ciała
a) Energię wewnętrzną ciała moŜemy zwiększyć, wykonując pracę W np. przy pokonywaniu tarcia
lub przy odkształcaniu tego ciała.
Wówczas
∆Ew = W
Przykłady zwiększania energii wewnętrznej przez wykonanie pracy:
Pocierając zbiorniczek z rtęcią w termometrze, spowodujemy podniesienie się słupka rtęci.
Oznacza to, Ŝe temperatura rtęci wzrosła.
Rozgrzewanie zmarzniętych dłoni przez ich wzajemne pocieranie.
Wiercenie za pomocą wiertarki otworu w twardym drewnie. Końcówka wiertła oraz drewno
w miejscu, gdzie wykonano otwór mają wyŜszą temperaturę niŜ przed wierceniem.
b) Innym sposobem zmiany energii wewnętrznej ciała jest przekazywanie ciepła Q ciału o niŜszej
temperaturze przez ciało o temperaturze wyŜszej.
Wówczas
∆Ew = Q
Cieplny przepływ energii trwa do chwili wyrównania się temperatur obu ciał.
Przykłady zwiększania energii wewnętrznej przez przekazanie ciepła:
ŁyŜeczka włoŜona do szklanki z gorącą herbatą bardzo szybko się rozgrzewa.
Metalowy garnek postawiony na gazie równieŜ szybko się nagrzewa.
Ogrzewanie jednego końca metalowego pręta powoduje, Ŝe po pewnym czasie cały pręt jest
gorący.
Wśród substancji moŜemy wyróŜnić:
- dobre przewodniki ciepła (np. diament, metale m. in. srebro, miedź, aluminium)
- złe przewodniki ciepła (izolatory) (np. styropian, futra zwierząt, gazy, drewno, tworzywa
sztuczne, parafina)
3. Pierwsza zasada termodynamiki.
Energię wewnętrzną ciała moŜemy zmienić albo przez wykonanie pracy W, albo przez przekazanie ciepła
Q. MoŜe równieŜ takŜe nastąpić równoczesne wykonanie pracy i przekazanie ciepła.
∆Ew = W + Q
Cieplny przepływ energii moŜe odbywać się przez przewodzenie, konwekcję (prądy konwekcyjne
w gazach, cieczach) i promieniowanie (tak np. dociera na Ziemię energia ze Słońca).
1
4. Ciepło właściwe
Ciepło właściwe c informuje nas, ile ciepła naleŜy dostarczyć, aby ogrzać 1 kg substancji o 1 K (lub 1oC).
c=
Q
m ⋅ ∆T
Oczywiście, jeśli taką ilość ciepła odbierzemy 1 kg substancji, to jej temperatura zmaleje o 1 K (lub 1oC).
Jednostką ciepła właściwego:
J
J
lub
kg ⋅ K
kg ⋅o C
KaŜda substancja ma inne ciepło właściwe. Wartość ciepła właściwego uzaleŜniona jest równieŜ od stanu
skupienia substancji.
J
J
J
, woda - 4190
, para wodna - 1020
.
Np. lód - 2100
kg ⋅ K
kg ⋅ K
kg ⋅ K
5. Rozpatrzmy przypadek zmiany energii wewnętrznej ciała tylko przez przekazanie ciepła.
Oznacza to, Ŝe W = 0.
Wówczas wzór pozwalający obliczyć ilość ciepła Q potrzebną do ogrzania ciała o masie m tak, aby
nastąpił przyrost temperatury o ∆T, wygląda następująco:
Q = c ⋅ m ⋅ ∆T
6. Bilans cieplny
Jeśli zetkniemy ze sobą dwa ciała o róŜnej temperaturze, to następuje między nimi wymiana ciepła.
Ciało o wyŜszej temperaturze oddaje (traci) ciepło, a ciało o niŜszej temperaturze pobiera (zyskuje)
ciepło. Wymiana ciepła kończy się, gdy temperatury obu ciał wyrównają się.
Jeśli ilość ciepła pobranego przez ciało o niŜszej temperaturze jest równa ilości ciepła oddanego przez
ciało o wyŜszej temperaturze, to mówimy, Ŝe zachodzi bilans cieplny.
Zysk ciepła = strata ciepła
Przykład:
W termosie znajduje się 0,2 kg wody o temperaturze 20oC. Do tej wody dolano 0,5 kg wody o
temperaturze 60oC. Termos zamknięto i przez potrząsanie wymieszano wodę. Posługując się zasadą
zachowania energii, oblicz temperaturę końcową x wody w termosie.
(
)
= 0,5kg ⋅ c(60 C − x )
Ilość ciepła pobrana przez zimną wodę (zysk ciepła) Q pobrane = 0,2kg ⋅ c x − 20 o C
Ilość ciepła oddana przez gorącą wodę (strata ciepła) Qoddane
(
o
)
Q pobrane = 0,2kg ⋅ c x − 20 o C = Qoddane = 0,5kg ⋅ c(60 o C − x )
po przekształceniach równania, otrzymujemy:
2
0,2kg ⋅ 20 o C + 0,5kg ⋅ 60 o C
≈ 48,5 o C
0,7kg
o
Odp. Temperatura końcowa wody wynosi 48,5 C.
x=
7. Zmiany stanu skupienia ciał
sublimacja
topnienie
Ciało
stałe
parowani
Ciało
lotne
ciecz
krzepnię
skraplani
resublimac
3