Главная
Начало темы
Задачи
Помощь

Количество теплоты

Количество теплоты- это количественная мера теплообмена. Теплообмен - это передача тепловой энергии без совершения работы. Существуют три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция, лучистый теплообмен.

2

Демонстрация понятия "количество теплоты" представлена в следующей Flash анимации.

Теплопроводность - это явление переноса тепловой энергии от горячего тела холодному при непосредственном контакте. Физический смысл теплопроводности заключается в соударениях быстрых (горячих) молекул одного тела с медленными (холодными) молекулами другого тела. Большую роль в передаче тепловой энергии играют свободные электроны, поэтому металлы, имеющие свободные электроны обладают наилучшей теплопроводностью. Скорость теплопроводности пропорциональна разности температур. В результате тела приходят в тепловое равновесие. Тепловое равновесие – равенство температур всех контактируемых тел, не зависимо от их агрегатных состояний. Теплопередача прекращается, когда температуры контактируемых тел сравняются.

Понятие "тепловое равновесие" экспериментально демонстрируется в следующей Flash анимации.

Конвекция - это передача тепловой энергии за счет потоков жидкостей и газов. При этом теплый газ, имеющий меньшую плотность, поднимается вверх, а холодный опускается вниз.

Лучистый теплообмен - это передача тепловой энергии за счет электромагнитных волн. Чем больше частота волн, тем больше переносимая энергия (например, СВЧ печи). Все тела, нагретые до температуры, большей температуры окружающей среды, излучают тепловые (инфракрасные) лучи.

Опыт Джоуля представлен на следующей итерактивной модели. Опыт показывает преобразование механической работы в тепловую энергию и доказывает о единстве работы и тепловой энергии. Опыт позволил определить связь между джоулем и внесистемной единицей количества теплоты - каллорией. (Нажать "GO").

 

Изменения агрегатного состояния вещества.
Три агрегатных состояния вещества отличаются  молекулярной структурой и внутренней энергией. При переходе из твердого состояния  в жидкое и из жидкого в газообразное увеличиваются  расстояния между молекулами, а, значит, увеличивается и потенциальная энергия   молекулярного взаимодействия и внутренняя энергия вещества.
 

Плавление – переход из твердого состояния в жидкое, осуществляемый при температуре плавления и при поступлении количества теплоты  
m, масса вещества и удельная теплота плавления ( по справочнику).
Теплота плавления Q идет на разрушение кристаллической решетки твердого тела.
Процесс плавления ( участок 2-3) происходит при постоянной температуре, участок
1 – 2-процесс нагревания до температуры плавления.
Кристаллизация - процесс обратный плавлению, для обеспечения которого необходимо охладить жидкость до температуры плавления и отвести количество теплоты  .
Парообразование – процесс перехода вещества из жидкого состояния  в газообразное при температуре кипения, при поступлении количества теплоты     .
Эта энергия идет на увеличение расстояния между молекулами против сил молекулярного притяжения.  Процесс 3 – 4  нагревание жидкости до температуры кипения, а процесс 4 –5-парообразование.
Конденсация – это процесс, обратный процессу парообразованию, для обеспечения которого необходимо охладить газ до температуры кипения и отвести теплоту  

1. Рассмотрим пример: два тела приведены в контакт, первое в твердом состоянии при температуре Тн1  и второе тело в жидком состоянии при большей температуре Тн2.

Tпл  - температура плавления первого тела.
Первое тело получает энергию ( т.к. более холодное), а второе тело отдает энергию (остывает).
1 тело :   - нагревание до температуры плавления.
                      -   плавление первого тела.
               -нагревание первого вещества в жидком состоянии     до установившейся температуры.
2 тело - охлаждение второго тела до установившейся температуры – синий график на рисунке.
Для определения конечного состояния системы необходимо построить график зависимости температуры от подведенной теплоты ( для тела, получающего энергию) и график изменения температуры от отведенной теплоты (для тела, отдающего энергию).
В т.А наступает тепловое равновесие, температуры тел сравнялись, значит, дальнейшая теплопередача становится невозможной. ТА – конечная установившаяся температура.
В зависимости от масс, теплоемкостей и температур точка пересечения графиков (т.А) может быть как на отрезке 3-4 , как на отрезке 2-3, так и на отрезке 1-2 .
Поскольку система замкнутая , т.е. тепловая энергия никуда не уходит и не поступает в систему, механическая работа не совершается , значит, по закону сохранения энергии алгебраическая сумма количества теплоты равна нулю.
      - уравнение теплового баланса.
Из уравнения теплового баланса следует, что количество теплоты полученное одними телами ( по модулю) равно количеству теплоты отданное другими телами ( по модулю).
В уравнении теплового баланса, если тело получает энергию, то  , а если тело отдает энергию то .

Для закрепления изучаемого материала по фазовым переходам предлагается следующая итерактивная модель.