Energia_w_zjawiskach..

Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej
Portalu www.szkolnictwo.pl
Wszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu www.szkolnictwo.pl mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie
w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie
i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania
w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.
Spis treści:
Energia wewnętrzna
Temperatura a energia wewnętrzna
Zmiana energii wewnętrznej ciała
Cieplny przepływ energii
I zasada termodynamiki
Podział ciał ze względu na właściwości cieplne
Ciepło właściwe
Od czego zależy ilość energii potrzebnej do ogrzania substancji ?
Bilans cieplny
Kalorymetr
Zjawiska cieplne zachodzące podczas zmian stanu skupienia materii
Podsumowanie
Cząsteczki, atomy czy jony substancji są w ciągłym chaotycznym ruchu.
Drgają wokół swoich położeń równowagi. Poruszają się od zderzenia do zderzenia
Na skutek wzajemnych zderzeń różne cząsteczki mają różne prędkości, więc i
również różną wartość energii kinetycznej.
Każda cząsteczka przyciąga inne cząsteczki i sama jest przez nie przyciągana.
Gdy natomiast działając z zewnątrz chcemy zbytnio zbliżyć do siebie cząsteczki,
wtedy pojawiają się siły wzajemnego odpychania.
Siły międzycząsteczkowe są siłami wzajemnego przyciągania lub
odpychania.
W związku z istnieniem sił międzycząsteczkowych cząsteczki posiadają energię
potencjalną Ep. Jej wartości zależy od wielkości tych sił, co jest związane z
rodzajem cząsteczek oraz odległościami miedzy nimi.
Energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznej cząstek ciała i
energii ich wzajemnego oddziaływania ( energii potencjalnej).
Ew  Ek śr  Epśr
1. W wyższej temperaturze zachodzi bardziej intensywny ruch bezładny
cząsteczek.
2. Wzrost energii kinetycznej cząsteczek powoduje wzrost temperatury ciała.
3. Jeśli ciała maja taką samą temperaturę, to średnia energia kinetyczna cząstek,
z których są zbudowane, dla obu ciał jest taka sama.
Temperatura jest miarą energii kinetycznej cząstek materii (atomów,
cząsteczek, jonów itp. ).
Im wyższa jest jej wartość, tym większą średnią energię kinetyczną
posiadają cząstki budujące dane ciało.
Do określenia temperatury używamy najczęściej skali Celsjusza i skali
Kelvina. Kelvin[K] jest jednostką układu SI
Między obiema skalami zachodzą więc następujące zależności:
T( Kelvin)  273  T(Celsjusz)
T(Celsjusz)  T( Kelvin)  273
Temperatura 0[K] to zero absolutne, najniższa możliwa temperatura, w której
cząsteczki nie wykonują żadnych drgań. Zero absolutne nigdy nie zostało
osiągnięte
Wartość energii wewnętrznej jest trudna do ustalenia. Istotniejsza i łatwiejsza do
określenia jest zmiana energii wewnętrznej, dlatego określając energię
wewnętrzną układu pomija się te rodzaje energii, które nie zmieniają się w
rozpatrywanym układzie termodynamicznym.
Praca na pokonanie siły tarcia
F
Wzrost energii ruchu cząsteczek trących się ciał
Wzrost energii wewnętrznej ciał
T
s
Przykłady: rozgrzewanie się opon podczas hamowania, wierteł podczas pracy, metalu podczas
piłowania
Kosztem wykonania pracy nad ciałem (układem ciał) wzrosła ich energia
wewnętrzna.
Wykonanie pracy przez ciało (układ ciał) powoduje zmniejszenie jego energii
wewnętrznej.
Przykład: rozprężanie gazów
Cieplny przepływ energii
Oddziaływanie między cząsteczkami ciał o różnych temperaturach
Wymiana energii kinetycznej miedzy cząsteczkami tych ciał
Wzrost energii wewnętrznej jednego z ciał, a zmniejszenie energii wewnętrznej drugiego
Przy bezpośrednim kontakcie ciał o różnych Ek ruchu cząsteczek (różne
temperatury ciał), następuje przekazywanie Ek od cząsteczek o jej większej wartości
do cząsteczek o mniejszej wartości energii kinetycznej.
Jeżeli EK1 > EK2 (T1 > T2) to proces przebiega od ciała 1 do ciała 2.
Proces przekazywania energii trwa tak długo, aż stany energii kinetycznej
cząsteczek obu ciał będą jednakowe ( T1 = T2)
Cieplny przepływ energii – proces fizyczny polegający na zderzaniu się
cząsteczek ciał o różnej temperaturze, w wyniku czego dochodzi do
wyrównania temperatur
Ilość energii przekazywaną w cieplnym przepływie energii oznacza się literą Q
i nazywa się ciepłem.
Podczas wymiany ciepła nie jest wykonana praca mechaniczna, a przekazywanie
energii odbywa się na drodze przewodzenia, konwekcji lub promieniowania
Formy wymiany ciepła:
konwekcja - przekazywanie energii w gazach i cieczach przez przemieszczanie
się większych ilości cząsteczek, typowym przykładem jest obieg powietrza w
pokoju w którym źródło ciepła umieszczone jest na podłodze, nagrzane powietrze
uniesie się do sufitu (jest lżejsze niż powietrze chłodniejsze) i zajmie miejsca
powietrza chłodniejszego , które opadnie i nagrzeje się,
przewodzenie - ciała pomiędzy którymi zachodzi wymiana ciepła są ze sobą w
bezpośrednim kontakcie,
promieniowanie - energia jest przekazywana przez promieniowanie
elektromagnetyczne, które może być wytworzone przez drgania elektronów i
protonów w innym ciele.
Energię wewnętrzną (Ew) można zmienić przez wykonanie pracy lub przez cieplny
przepływ energii (Q), albo obydwoma sposobami naraz (przykład: rozgrzane
kowadło uderzane młotem).
Zmiana energii wewnętrznej jest równa sumie pracy (W) wykonanej przez
układ bądź nad układem i ciepła (Q)dostarczonego lub oddanego przez układ.
ΔE  W  Q
Umowa dotycząca znaku
•Jeśli praca lub ciepło są dostarczane do ciała (układu ciał), to są one liczone
ze znakiem plus - są dodatnie.
•Jeżeli są odbierane od ciała (układu ciał) , czyli jeśli to ciało/układ wykonuje
jakąś pracę, to odpowiednie wartości będą ujemne.
Jeśli wzrost energii wewnętrznej ciała odbywa się tylko na skutek pobierania
ciepła, to
∆E = Q
przykład
Podczas prasowania żelazko podgrzało tkaninę energią 200 J, a w wyniku tarcia
została do niego dodatkowo dostarczona energia 10 J (zakładamy, że nie było
ubytków ciepła). W rezultacie energia wewnętrzna tkaniny wzrosła o:
∆E= Q + W = 200 J + 10 J = 210 J
Przewodniki cieplne – ciała które dobrze przewodzą ciepło.
Do najlepszych przewodników należą metale: srebro, miedź aluminium,
Dobrym przewodnikiem ciepła jest także diament.
Izolator cieplne – ciała, które źle cieplnie przewodzą energię.
Dobrymi izolatorami cieplnymi są: tworzywa sztuczne, drewno, szkło, tłuszcze,
futro, pierze, próżnia, unieruchomione powietrze.
Zastosowanie przewodników i izolatorów:
Przewodniki i izolatory będą miały zupełnie inne zastosowania.
Wszelkiego rodzaju elementy urządzeń grzewczych wykonamy z materiałów dobrze
przewodzących ciepło np. kaloryfer.
Wszędzie tam gdzie chcemy zapobiec przewodzeniu stosujemy izolatory np.:
w mroźne zimowe dni siedzące nieruchomo ptaki stroszą pióra, aby utworzyć
między nimi jak, najgrubszą warstwę powietrza, która stanowi dobrą izolację przed
wymianą ciepła z otoczeniem.
Eskimosi budują igloo, gdyż własności izolujące lodu nie pozwalają aby ciepło
wydostawało się na zewnątrz.
Najlepszym izolatorem jest próżnia. W próżni nie ma cząsteczek.
Wiemy, że jedne substancje ogrzewają się szybciej np. ołów, stal, a inne wolniej
np woda.
Oczywiście związane jest to z ich budową wewnętrzną.
Aby dokładnie opisać tą właściwość wprowadzono pojęcie ciepła właściwego.
Ciepło właściwe jest to wielkość fizyczna, która informuje nas ile ciepła
( energii) należy dostarczyć, aby ogrzać 1 kg danej substancji o 1 K ( 1 oC)
Symbol ciepła właściwego cw
przykład
Ciepło właściwe wody ma wartość
cw  4200
J
kg  K
Oznacza to, że aby ogrzać 1 kilogram wody o 1K (1oC) potrzebne jest
dostarczenie energii o wartości 4200 dżuli.
ołów
130
lód
2100
tlen
916
spirytus
2400
Przykładowe wartości ciepła właściwego
Wiemy, że zmiana temperatury związana jest ściśle z energią kinetyczną
cząsteczek. Im wzrost temperatury większy, tym większa wartość dostarczonego
ciepła - ∆T
Wiemy, że jedne ciała ogrzewają się łatwiej inne trudniej. Zależy, więc od rodzaju
substancji z której wykonane jest ciało – cw
Im większa ilość ogrzewanej substancji, tym więcej energii trzeba dostarczyć - m
Ciepło potrzebne do ogrzania ciała o ∆T można obliczyć ze wzoru na ilość ciepła:
Q= cw· m·∆T
Q– ilość ciepła;
cw– ciepło właściwe;
∆T – różnica temperatur;
m– masa ciała
przykład
Ile energii należy dostarczyć wodzie m=2kg, o temperaturze T1=300K, aby podgrzać ją do
temperatury T2 = 350K.
J
c

4200
Ciepło właściwe wody wynosi: w
kg  K
Dane:
m = 2 kg
Tp = 300K
Tk = 350K
cw = 4200J/kgK
Ew = cw∙m∙∆T
► Ew = cw∙ m∙ (Tk – Tp)
Ew = 4200∙2∙(350 – 300)
Ew = 420000 J
[
J
 kg  K  J ]
kg  K
przykład
Ile ciepła przekaże do otoczenia 250ml wody to temperaturze 80 ºC
pozostawionej w pomieszczeniu o temperaturze 20 ºC do czasu wyrównania
się temperatury wody z otoczeniem.
Dane:
V = 250 ml = 0,25 dm3 → m = 0,25 kg
Tp = 80oC
Q = cw∙m∙∆T ► Q = cw∙ m∙ (Tp – Tk)
Tk = 20oC
Cw = 4200 J/kgoC
Ew = 4200∙0,25∙(80 – 20)
Ew =63000J
[
J
kg  oC
 kg  oC  J ]
Bilansem cieplnym nazywamy zasadę zachowania energii cieplnej dla
stykających sie ciał o różnej temperaturze, między którymi zachodzi wymiana
energii.
Jeżeli nie ma wymiany ciepła z otoczeniem (co jest spełnione w dobrze
izolowanym kalorymetrze) to ilość ciepła traconego przez ciała o wyższej
temperaturze równa jest ilości ciepła pobranego przez ciało o niższej
temperaturze.
Przy założeniu, że nie zachodzi wymiana energii z otoczeniem tzn. układ
jest izolowany.
ciepło oddane = ciepło pobrane
Qoddane = Q pobrane
przykład
Do wanny zawierającej 30l wody o temp. 20oC dolano 10l wody o temp. 80oC. Jaka będzie
temperatura końcowa wody zmieszanej? Nie bierzemy pod uwagę strat energii na ogrzanie
otoczenia.
Dane:
V1 = 30l = 30dm3 ; T1 = 20oC szukane: Tk = ?
m= d∙V → m1 = 30kg; m2 = 10 kg
V2 = 10l = 10 dm3; T2 = 80oC
d wody = 1kg/dm3
Q1 = cw∙m1∙(Tk –T1) ---- ciepło pobrane
o
cw = 4200J/kg C
Q2 = cw∙m2∙( T2 –Tk) ----ciepło oddane
Q1 = Q2
cw∙m1∙(Tk –T1) = cw∙m2∙( T2 –Tk) |: cw
m1(Tk –T1) = m2(T2 – Tk) → m1Tk – m1T1 = m2T2 –m2Tk ( wyznaczamy Tk)
Tk 
m 2T2  m1T1
m1  m 2
10kg  80 o C  30kg  20 o C
Tk 
10kg  30kg
Tk  35 o C
Odp. Końcowa temperatura wody to 35oC.
przykład
Do porcelanowej filiżanki o masie 100g, znajdującej się w pokoju, gdzie
temperatura powietrza wynosi 200C, wlano 200g wrzątku (o temperaturze 1000C).
temperatura wody i filiżanki ustaliła się na 930C. Ile wynosi ciepło właściwe porcelany?
Dane:
1. Masa porcelany mp = 100g = 0,1 kg
2. Masa wody
mw = 200g = 0,2 kg
3. Temperatura początkowa porcelany Tpp = 20oC
4. Temperatura początkowa wody
Tpw = 100oC
5. Temperatura końcowa wody i porcelany Tk = 93oC
6. Ciepło właściwe wody cw = 4200 J/kgoC
7. Ciepło właściwe porcelany - ???
Ciepło pobrane przez porcelanę
Ciepło oddane przez wodę
Qod  cw  mw  (T pw  Tk )
Q
c
m
T
T
)
p
p
p(
k
pp
Z zasady zachowania energii wewnętrznej,
otrzymujemy równanie:
Wyznaczamy cp
c p m p (Tk  Tpp )  c w m w (Tpw  Tk )
cp 
c w m w (Tpw  Tk )
m p (Tk  Tpp )
4200
cp 
Ciepło właściwe porcelany wynosi ok.805 J/kgoC
J
 0,2kg 7 0 C
0
J
kg  C

805,5
0,1kg  73 0 C
kg 0 C
Kalorymetr to przyrząd laboratoryjny do pomiaru ciepła wydzielanego lub pobieranego
podczas procesów fizycznych. i chemicznych.
Wykorzystywany jest przede wszystkim do wyznaczania ciepła właściwego cieczy i ciał
stałych, ciepła topnienia i ciepła parowania
Najprostszy kalorymetr, tzw. "szkolny" składa się z
dwóch naczyń, wykonanych najczęściej z aluminium,
umieszczonych jedno wewnątrz drugiego. Wewnętrzne
naczynie spoczywa na drewnianej podstawce (drewno
jest dobrym izolatorem), a od góry przestrzeń między
naczyniami zakrywa pokrywka, gdyż uwięzione
powietrze pełni rolę izolatora. W przykrywce
wewnętrznego naczynia są dwa otwory: z jednego
wystaje mieszadło umożliwiające wyrównanie
temperatur ciał w kalorymetrze, do drugiego można
włożyć termometr.
Tego rodzaju kalorymetr jest skuteczny gdy zmiany
temperatury układu są duże i można go stosować
wyłącznie do układów ciekłych.
W laboratoriach wykorzystuje się kalorymetry o bardzo dużej
dokładności i dobrze izolowane, często połączone z komputerem.
Ciepło może również być wymieniane bez zmiany temperatury !
Prześledźmy proces topnienia lodu. Lód będzie powoli topniał, pobierając ciepło z otoczenia i
tym samym powodując zmniejszenie jego temperatury.
Po stopieniu ostatniej drobiny lodu okazuje się, że powstała woda ma również temperaturę
identyczną z lodem, który topił się. ( temperatura topnienia – temperatura krzepnięcia)
Cóż więc stało się z energią powietrza oddanego topniejącej bryłce lodu?
Nie nastąpiło zwiększenie średniej energii kinetycznej cząsteczek wody
Wraz z przejściem lodu w wodę, zmienił się układ cząsteczek wewnątrz substancji.
Cząsteczki lodu tworzyły uporządkowaną sieć krystaliczną.
Porządek został zniszczony, wbrew siłom chcącym znów zbliżać cząstki do siebie i połączyć
je w zwartą sieć. Oddalenie cząstek i ich „oswobodzenie” wymagało dostarczenia sporej ilości
energii, która została następnie, po rozerwaniu sieci, zmagazynowana w formie
potencjalnej energii.
W czasie topnienia temperatura ciała jest stała,
ponieważ dostarczona energia zostaje zużyta na
wykonanie pracy związanej ze zmianą skupienia.
Ilość energii pobrana przez ciało podczas
topnienia jest równa ilości energii oddanej
podczas krzepnięcia.
(Zgodnie z zasadą zachowania energii)
Ciepło topnienia to ilość energii potrzebna do stopienia 1 kg substancji w
temperaturze topnienia różne (dla różnych substancji)
Ciepło krzepnięcia (równe ciepłu topnienia) czyli ilość energii oddawana podczas
krzepnięcia 1 kg substancji ( w temperaturze krzepnięcia).
Ciepło parowania (w temperaturze wrzenia) to energią potrzebna do wyparowania
1 kg cieczy
Ciepło skraplania jest równe ciepłu parowania w danej temperaturze
ciepło potrzebne do stopienia ciała (bez
zmiany temperatury)
Qt= ct· m
ciepło oddane przez ciało krzepnące (bez
zmiany temperatury)
Qk= ck· m
ciepło potrzebne do zmiany cieczy w parę
(bez zmiany temperatury)
Qp= cp· m
ciepło oddane przez parę pod- czas
skraplania (bez zmiany temperatury)
Qs= cs· m
1.
2.
3.
1.
2.
3.
1.
2.
3.
1.
2.
3.
Qt– ilość ciepła;
ct– ciepło topnienia;
m– masa ciała
Qk– ilość ciepła;
ck– ciepło krzepnięcia;
m– masa ciała; (ck= ct)
Qp– ilość ciepła;
cp– ciepło parowania;
m– masa cieczy
Qs– ilość ciepła;
cs– ciepło skraplania;
m– masa pary; (cs= cp)
przykład
Oblicz ilość ciepła, które należy dostarczyć 1 litrowi wody o temperaturze 20°C, by się
zagotowała, a następnie wyparowała.
Dla wody ciepło parowania w temp. wrzenia wynosi:2258000 J/kg
Dane:
m=1kg
T1=20stopni C
T2=100 stopni C
cw=4200 J/ kg oC
cp=2258000 J/kg
szukane:
Q1=? Q1=ilość ciepła potrzebna do ogrzania wody do temperatury wrzenia
Q2=? Q2= ilość ciepła potrzebna do wyparowania wody
Q = Q1 + Q2
Q1=cw∙m∙∆T
Q1=4200 J/kg oC ∙1 kg ∙ 80 oC
Q1= 336000J=336kJ
Q2=cp∙m
Q2=2258000J/kg ∙ 1 kg
Q2=2258000J=2258 kJ
Q1 +Q2 = 2594 J
Należy dostarczyć 2594 J energii.
Wielkość
fizyczna
Energia
wewnętrzna
Określenie
Symbol/
wzór
Suma energii kinetycznych
Ew
i potencjalnych cząstek z których
składa się ciało
Jednostka
dżul (J)
Ilość ciepła
Jest to ta energia, która
przepływa od ciała o wyższej do
ciała o niższej temperaturze
Q=cw∙m∆T
dżul (J)
Ciepło
właściwe
Jest to ilość ciepła potrzebna do
ogrzania jednostki masy
substancji o jeden Kelwin
cw= Q/m∆T
dżul na
kilogram
i Kelwin
(J/kg*K)
Temperatura
Jest miarą średniej energii
kinetycznej cząsteczek
tworzących ciało
T
Kelwin (K)
lub stopień
Celsjusza
(°C)
Uwagi
Energię wewnętrzną ciała
można zmienić, wykonując
nad nim pracę (np.
sprężając gaz) lub
dostarczając mu ciepło
Ciepło może być
przekazywane na trzy
sposoby, przez
przewodnictwo, przez
konwekcję i przez
promieniowanie
Ciepło właściwe wody
wynosi 4200 J/(kg∙K)
0 °C = 273 K
Energia wewnętrzna przekazywana jest zawsze z ciała o wyższej temperaturze
do ciała o niższej temperaturze. Przekazywanie energii ustaje, gdy wyrównają się
temperatury ciał.
Dokończ zdania:
A. Temperatura, to wielkość charakteryzująca stan danego ciała- jej miarą jest
.....................................................................................cząsteczek.
B. Energia wewnętrzna ciała, to
suma...............................................................................
wszystkich cząsteczek substancji, z której zbudowane jest ciało.
C. Ciepłem właściwym nazywa się ilość energii cieplnej, jakiej należy
dostarczyć, aby
........................................................................................................................
D. Ciepłem topnienia nazywa się ilość energii cieplnej, jakiej należy dostarczyć,
aby
........................................................................................................................
w temperaturze topnienia
Bibliografia:
„ Nauczanie fizyki” H. Bonecki
„ Fizyka 2” Rozenbajgier
http://pl.wikipedia.org/wiki/
http://www.olimpus.edu.pl
http://fizykon.org/