37. Тепловой баланс (основной урок)

Теплота сгорания топлива

Для функционирования многих механизмов, широко используемых человечеством, необходима энергия. Один из способов получения механической энергии – это получение тепловой энергии с последующим преобразованием в механическую. Процесс получения тепловой энергии представляет собой её выделение из определённых веществ. Само вещество, способное выделять энергию, называется топливо. Тепловая энергия образуется при сгорании топливной смеси, т.е. из химической энергии горючего – бензина, угля, природного газа и т.п. – и окислителя – кислорода.

Рассмотрим пример реакции сгорания топлива. Возьмём реакцию горения метана: энергия (тепло). Так вот, энергия химических связей 1 моля и 2 молей меньше энергии химических связей в 1 моле и 2 молях . Разница этих энергий и выделяется при протекании этой химической реакции в тепловую энергию (то есть кинетическую энергию движения молекул).

Для удобного расчёта количества теплоты, которое выделяется при сгорании некоторого количества определённого вещества, введена специальная величина – удельная теплота сгорания топлива. Удельная теплота сгорания топлива – это количество энергии, выделяющееся при сгорании 1 кг топлива , размерность . Для определения удельной теплоты сгорания различных сортов топлива можно использовать простой эксперимент. Сжигая небольшую порцию топлива в закрытом сосуде, помещенном в калориметр, определяем количество выделившейся теплоты и делим на массу сгоревшего топлива.

К счастью, подсчёты удельной теплоты сгорания различных веществ давно проведены, и мы можем просто посмотреть её в специальной таблице. Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива, которая понадобится нам при решении задач, приведена в этой таблице.

Итак, давайте решим задачу про процесс горения топлива.

Задача

Найти количество теплоты, выделяющееся при сгорании 3 кг древесного угля.

Рассуждения

Древесный уголь – это топливо, а количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива, рассчитывается по следующей формуле: , где  – удельная теплота сгорания топлива. Масса нам дана в условии, а удельную теплоту сгорания древесного угля мы можем узнать из специальной таблицы, она равна .

Подставим числовые данные в формулу и рассчитаем ответ. Теплота, выделившаяся при сгорании древесного угля, равна .

Ответ: .

Уравнение теплового баланса

На прошлом уроке мы рассмотрели процессы нагревания и охлаждения вещества, а также его переходы между агрегатными состояниями. Эти процессы являются результатом перехода тепловой энергии либо к веществу либо от него. В первом пункте этого урока мы узнали о методе получения тепловой энергии – процессе горения топлива. В природе для тепловой энергии, также как и для других её видов, выполняется закон сохранения. Сейчас мы разберемся, какой вид имеет закон сохранения тепловой энергии и как с его помощью можно решать задачи о тепловых явлениях.

Рассмотрим пример.

Нальём в теплоизолированный сосуд некоторое количество воды при температуре , а затем добавим вторую, такую же порцию воды при температуре . Слово «теплоизолированный» означает отсутствие теплообмена воды в этом сосуде с окружающей средой. Например, в термосе. Что будет происходить дальше? Из жизненного опыта мы легко можем предположить, что через некоторое время значение температуры воды примет некоторое среднее значение между 10 и . Но как это объяснить с физической точки зрения? Очень просто! После помещения в сосуд второй порции воды начнётся процесс теплопередачи – от тёплого вещества к холодному. Вода, имеющая большую температуру, будет отдавать энергию, а имеющая меньшую – получать эту энергию. В результате температура нагретой воды снизится, а холодной – возрастёт. Теплообмен будет происходить до тех пор, пока температуры обеих порций воды не примут одно и то же значение.

Если  – это количество теплоты, получаемое холодным объектом (положительное), а  – количество теплоты, отдаваемое горячим объектом (отрицательное), то закон сохранения энергии можно записать так:  или . Последнее выражение называется уравнением теплового баланса и может быть обобщено для произвольного количества объектов и для разных их фаз. Важно, чтобы эти объекты образовывали замкнутую теплоизолированную систему. Итак, в замкнутой теплоизолированной системе сумма количеств теплоты, отданных (отрицательных) или полученных (положительных) всеми объектами системы, равна нулю: . Давайте рассмотрим применение уравнения теплового баланса на примере решения нескольких задач.

Задача

В калориметр с холодной водой погрузили алюминиевый цилиндр, нагретый до . В результате в калориметре установилась температура . Если вместо алюминиевого цилиндра опустить в калориметр медный цилиндр такой же массы при температуре , то конечная температура в калориметре будет:

1) ниже ,

2) выше ,

3) ,

4) зависеть от отношения массы воды и цилиндров и в данном случае не поддаётся никакой оценке.

Рассуждения

1. В соответствии с уравнением теплового баланса разность количества теплоты, отданной цилиндром, и количества теплоты, принятой водой, будет равна нулю. То есть теплота, отданная цилиндром, по модулю будет равна теплоте, принятой водой, и пойдёт на её нагревание.

2. На сколько охладится цилиндр, отдавая определённое количество теплоты, зависит от теплоёмкости вещества цилиндра. Ведь удельная теплоемкость – это количество энергии, которое надо затратить, чтобы нагреть 1 кг вещества на , либо которое отдаёт 1 кг вещества, теряя .

3. Удельная теплоемкость алюминия cа больше удельной теплоемкости меди см. В этом мы можем убедиться, посмотрев необходимые значения в таблицах.

4. Следовательно, при охлаждении алюминиевого цилиндра на выделится больше теплоты, чем при охлаждении такого же цилиндра из меди.

5. Вся выделяющаяся при охлаждении металлического цилиндра теплота идет на нагревание воды (из уравнения теплового баланса).

6. А значит, так как при охлаждении алюминиевого цилиндра на каждый градус выделялось больше тепла, чем при охлаждении медного, в первом случае вода получала больше тепла, чем во втором.

7. Если при охлаждении алюминиевого цилиндра вода нагрелась до , то при охлаждении медного цилиндра вода получит меньше тепла и нагреется до меньшей температуры.

Ответ: ниже .

ВЕТКА. Переход от шкалы Кельвина к шкале Цельсия

Из уроков по молекулярно-кинетической теории мы помним, что системной единицей измерения температуры является градус Кельвина. При решении задач на прошлых уроках нам, как правило, требовались абсолютные значения температуры. Это вызывало необходимость обязательного перевода температуры из шкалы Цельсия в шкалу Кельвина.

В задачах на тепловой баланс, исследуя процессы нагревания и охлаждения тел, мы имеем дело не с абсолютными значениями температур, а с их перепадами. Напомню, что по величине градусы Цельсия и Кельвина равны, отличается лишь начало отсчёта этих шкал. . Благодаря этому, в задачах на тепловой баланс перевод температуры из шкалы Цельсия в шкалу Кельвина вовсе необязателен. Наоборот, как правило, проще работать именно в шкале Цельсия, так как температуры плавления и кипения, в большинстве таблиц указаны именно в градусах Цельсия.

Рассмотрим пример. Какое количество теплоты необходимо потратить для нагревания 1 кг воды с температуры до температуры ?

Количество теплоты для процесса нагревания рассчитывается по формуле . Если рассчитать разность температур в градусах Цельсия она будет равна .

Теперь давайте переведем температуры в градусы Кельвина.

Как мы видим, в обоих случаях перепад температур составил 10 градусов. Так как это относительное, а не абсолютное значение, в подобных задачах мы можем использовать любую из этих двух шкал измерения температуры.

Решим ещё одну задачу.

Мальчик наполнил стакан на  кипятком и дополнил его холодной водой. Определите, какая установилась температура воды, если температура холодной воды равна . Теплоемкость стакана и потери тепла не учитывайте.

Проанализируем условие

В задаче идёт речь о смешивании горячей и холодной воды. Когда это произойдёт, тепловая энергия посредством теплопередачи начнёт переходить от более нагретого объёма воды к менее нагретому.

1. Смешали 2 массы воды  и , первая имела температуру  (кипяток), вторая – .

2. Так как их объемы были равны  и  стакана, можно обозначить массу, соответствующую меньшему объему, как , и записать следующее соотношение: .

3. Через некоторое время после смешения установится некоторая равновесная температура .

4. Обозначим количество теплоты, отданное горячей водой, , а количество теплоты, полученное холодной, . – удельная теплоемкость воды, которую мы можем легко узнать из таблицы.

5. В соответствии с уравнением теплового баланса .

Решение

Подставим выражения для  и  в записанное уравнение теплового баланса: . Разделим обе части на теплоёмкость воды :. А также вспомним, что , и перепишем уравнение в следующем виде: .

Теперь можно сократить и : .

Решаем уравнение.

Подставляем температуры, которые нам известны из условия задачи.

Ответ: равновесная температура воды в сосуде будет равна .

Задача

В алюминиевый калориметр массой 140 г налили 250 г воды при температуре . После того как брусок из свинца массой 100 г, нагретый до , поместили в калориметр с водой, там установилась температура . Составьте уравнение теплового баланса и определите удельную теплоемкость свинца.

Рассуждение

Нагретый брусок из свинца помещают в калориметр с водой, имеющей меньшую температуру. Значит, сразу после погружения начнётся процесс теплопередачи от бруска к воде и калориметру.

1. Изолированная система в данном случае состоит из трех тел:

а) калориметр;

б) вода;

в) свинец.

2. После установления теплового равновесия температуры всех трех тел равны .

3. Температуры воды и калориметра при этом увеличились, а температура свинца уменьшилась. Следовательно, свинец отдал теплоту, а вода и алюминий ее получили.

4. Следовательно, уравнение теплового баланса будет иметь следующий вид , где  будет положительной, так как он отдавал тепло, а  и  будут отрицательными, так как принимали тепло.

Решение

1. Количество теплоты, полученное калориметром, .

Масса калориметра и его температура известны из условий и равны , . 

Вещество, из которого изготовлен калориметр, – алюминий, его удельную теплоемкость смотрим по таблице. Она равна .

2. Количество теплоты, полученное водой, .

Масса воды и её температура также известны из условий и равны , , удельная теплоемкость, которую легко найти в таблице, .

3. Количество теплоты, отданное свинцом, .

Масса и температура свинца, по условиям задачи, равны , , удельная теплоемкость свинца – это и есть искомая в данной задаче величина.

4. Подставим в уравнение теплового баланса выражения для отданных и полученных количеств теплоты.

Из этого выражения нетрудно выразить искомую теплоёмкость свинца:

.

Остаётся подставить числа и вычислить ответ:

.

Ответ: .

КПД нагревателя

В реальных бытовых ситуациях тепло, затрачиваемое на нагревание тела или на фазовый переход, часто вырабатывается некоторым специальным устройством (например, электрический нагреватель, газовая или спиртовая горелка и т.п.). Эти устройства обычно не идеальны, т.е. при их работе существуют некоторые потери тепла и не вся энергия, вырабатываемая нагревателем, передается в рассматриваемую систему. Для того чтобы учитывать этот фактор введен специальный коэффициент, называемый коэффициентом полезного действия, или сокращённо КПД.

КПД нагревателя численно равен отношению полезной теплоты к теплоте, выделенной нагревателем. Полезная теплота – это теплота, которая идёт непосредственно на нагревание вещества. А выделенная теплота или теплота нагревателя – это вся теплота, выделенная в устройстве. В зависимости от типа устройства это может быть, например, теплота сгорания топлива или теплота, выделенная при протекании тока в нагревательном элементе электроприбора и т.д. Обозначается КПД греческой буквой \"эта\" – .

Часто КПД выражается в процентах. Для этого необходимо полученное отношение умножить на 100%. Обычно учет КПД нагревателя очень прост: полученное системой тепло равно произведению теплоты нагревателя и КПД.

Таким образом, в некоторых задачах на тепловой баланс одним из начальных условий может быть приведена неидеальность нагревателя. Значит, рассчитывая количество полезной тепловой энергии нагревателя для подстановки в уравнение теплового баланса, нужно учесть его КПД и воспользоваться рассмотренной выше формулой.

Задача

Чему равен КПД нагревателя, если при нагревании на нем 150 г воды от 20 до 80 градусов израсходовано 4 г спирта?

Рассуждения

Процесс теплопередачи в данной задаче будет проходить от нагревателя к воде. Принцип выделения теплоты нагревателем в данном случае является  процесс горения спирта.

1. Уравнение теплового баланса в данном случае будет содержать количество теплоты, которое приняла вода, и количество полезной теплоты нагревателя. То есть той теплоты, которая пошла непосредственно на нагрев воды. Обозначим их  и  соответственно.

2. Так как нагреватель отдаёт теплоту, то в уравнении теплового баланса она должна учитываться со знаком минус, то есть , или

3. На нагревание массы воды  от температуры  до температуры  необходимо количество теплоты , где  – удельная теплоемкость воды.

4. При сжигании массы спирта  выделяется количество теплоты , где - удельная теплота сгорания спирта. С учётом неидеальности нагревателя количество теплоты, которое пойдет на нагревание воды , будет равно . Или, если учесть, что в соответствии с уравнением теплового баланса .

Выразим из этого уравнения КПД. Он будет равен .

Подставляя выражения для  и , получим: .

Удельную теплоёмкость воды и удельную теплоту сгорания спирта смотрим по таблицам.

Они равны  и .

Теперь подставим все числа в полученные выражения и найдём численное значение КПД нагревателя: . Значит, КПД нагревателя равен 35%.

Ответ: 35%.

Задача

Найдите мощность электрического нагревателя, если с его помощью можно за 20 минут нагреть 1 кг воды с температуры до температуры . Известно, что КПД нагревателя равен 60%.

Рассуждения

В этой задаче тепловая энергия будет передаваться от электрического нагревателя к воде.

1. Из курса механики мы знаем, что мощность – это, по определению, отношение совершённой работы к времени, за которое она совершена: .

2. Время нам известно из условия задачи, а работу, которую совершил нагреватель, будем искать из уравнения теплового баланса.

3. Нам известен коэффициент полезного действия нагревателя, значит, для нахождения количества теплоты, которое пошло непосредственно на нагревание воды (обозначим её ), нужно совершенную им работу умножить на КПД.

.

4. С другой стороны, уравнение теплового баланса будет содержать количество теплоты, которая принимает вода при нагревании (обозначим его ): .  – удельная теплоёмкость воды, которую мы можем посмотреть в таблице, она равна .

Решение

С учётом того что за  мы приняли количество теплоты, непосредственно отданное нагревателем (то есть по факту – положительное), а в уравнении теплового баланса отданная теплота должна иметь знак минус, запишем: . Значит, . Подставим в уравнение теплового баланса выраженные ранее значения: . Выразим из этого уравнения работу, совершенную нагревателем, и подставим в формулу для мощности.

Остаётся перевести время в единицы СИ и посчитать ответ.

Ответ: .

Переход механической энергии в теплоту

В предыдущих пунктах мы рассмотрели процессы теплообмена с помощью теплопередачи. Но это не единственный способ передать телу тепловую энергию. Тело может получить её и за счет производимой над ним работы. Например, за счет рассеяния механической энергии при трении, неупругих столкновениях и других необратимых процессах. С этим явлением мы уже сталкивались в курсе механики! Изменение полной механической энергии системы тел равно работе неконсервативных сил. Помните?

Напомню, что неконсервативные силы – это те силы, работы которых на замкнутой траектории не равны нулю. К числу таких сил относятся, например, сила трения и сила вязкого сопротивления. Во время работы таких сил полная механическая энергии системы тел уменьшается. И это происходит именно потому, что часть механической энергии переходит в тепловую. Часть этого тепла может передаться рассматриваемому телу, а часть – внешней среде. Поскольку обычно нас интересуют тепловые изменения в рассматриваемом теле, то мы должны знать, какая именно часть тепла передана телу.

Рассмотрим случай, когда работа совершается за счет потенциальной энергии.

Задача

Высота непрерывного падения воды самого высокого в мире водопада Анхель – 807 метров. На сколько градусов могла бы повыситься температура падающей воды, если считать, что на ее нагревание затрачивается 50% работы, совершаемой силой тяжести?

Справочные данные: удельная теплоемкость воды .

1)

2)

3)

4)

Работу в водопаде совершает сила тяжести. Эта работа A равна изменению потенциальной энергии при падении воды с высоты H, т.е. . Также нам сказано, что на нагревание воды идёт только 50% выделившейся энергии.

Запишем уравнение теплового баланса. С одной стороны равенства будет энергия, выделившаяся при совершении работы , с другой – , то есть энергия, поглощённая водой при нагревании на температуру , где  – удельная теплоемкость воды.

Решение

Запишем уравнение теплового баланса: . Разделим обе части уравнения на : . Остаётся выразить и посчитать ответ: .

Ответ: .

Рассмотрим ещё один пример: переход кинетической энергии в тепловую.

Задача

Свинцовая пуля, летевшая со скоростью 400 м/с, попадает в стальную плиту и отскакивает от нее со скоростью 300 м/с. Какая часть пули при этом расплавится, если ее температура в момент удара была и на внутреннюю энергию пули пошло 80% энергии, выделившейся в момент удара?

Рассуждения

От удара о плиту изменилась скорость и, следовательно, кинетическая энергия пули:  – это энергия, потерянная пулей. 80% изменения кинетической энергии пошло на изменение внутренней энергии пули, т.е. на ее нагревание. Количество теплоты, пошедшее на нагревание пули,  (из уравнения теплового баланса).

Количество теплоты  пошло на нагревание пули массы  от начальной температуры  до температуры плавления свинца (которую мы можем узнать из таблицы) – обозначим это количество теплоты  – и плавление части массы пули – обозначим это количество теплоты .  мы сможем рассчитать, так как данных достаточно, а из неё легко выразим . Зная количество теплоты, которая пошла на плавление свинца, и его удельную теплоту, мы сможем выразить массу расплавленного свинца и рассчитать её отношение к начальной массе.

Решение

1. Дано: , , , , , удельная теплоемкость свинца , удельная теплота плавления свинца  (характеристики свинца из таблиц).

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Ответ: .

Задача

В камере, заполненной азотом, при температуре  находится открытый цилиндрический сосуд. Высота сосуда . Сосуд плотно закрывают цилиндрической пробкой и охлаждают до температуры . В результате расстояние от дна сосуда до низа пробки становится равным . Затем сосуд нагревают до первоначальной температуры . Расстояние от дна сосуда до низа пробки при этой температуре становится равным .

Чему равна температура ? Величину силы трения между пробкой и стенками сосуда считать одинаковой при движении пробки вниз и вверх. Массой пробки пренебречь. Давление азота в камере во время эксперимента поддерживается постоянным.

Рассуждения

1. Масса и количество вещества не меняются, поэтому из уравнения состояния можно связать переменные состояния (давление, объем и температуру): в 1 и 2 положениях; во 2 и 3 положениях. Получим два уравнения.

2. Условия равновесия сил в положениях 2 и 3 дадут еще два уравнения.

3. Итак, имеем 4 уравнения. Все объемы нам известны, так как известны высоты , , . Известна начальная и конечная температуры. Подсчитаем количество неизвестных:  (исходное значение давления),  (давление при температуре ),  (давление в конце процесса), ,  – сила трения. Итак, 4 уравнения с 5 неизвестными.

4. Еще одно соотношение можно получить из того, что значения давления , получаемые двумя независимыми способами (через условие равновесия и уравнение Менделеева – Клапейрона), обязаны совпадать.

Решение

1. С помощью уравнения Менделеева – Клапейрона  и равенства , связываем два состояния 1 и 2: . Следовательно, .

2. Условие равновесия пробки (сумма сил = 0) в положении 2: . Знак минус перед  определяется тем, что  (газ сжат), сила  направлена вниз. Следовательно, .

3. С помощью уравнения Менделеева – Клапейрона связываем состояния 1 и 3: .

Следовательно, .

4. Условие равновесия пробки в состоянии 3: , откуда .

5. Приравнивая  из п.3 и п.4, получаем . Откуда .

Ответ: .

Графики зависимости температуры веществ от полученного ими тепла

В завершение работы с процессами передачи теплоты рассмотрим графики зависимостей температуры вещества в зависимости от переданной ему теплоты. Если рассматривается нагревание тела, находящегося в определенном агрегатном состоянии (твердом, жидком или газообразном), то при условии отсутствия тепловых потерь (благодаря теплоизоляции) температура тела является линейной функцией подводимого к нему тепла.

Из выражения , где – масса тела,  – удельная теплоемкость его вещества , легко вывести , т.е.  – линейная функция. Так выглядит зависимость  от  для любых веществ и любых агрегатных состояний.

Коэффициент наклона прямой разный для разных веществ и агрегатных состояний (фаз) вещества (твердое, жидкое, газообразное). Как можно увидеть из выведенной функции, он зависит от теплоёмкости  и массы .

Если в процессе передачи теплоты вещество переходит в другое агрегатное состояние (процессы плавления, кристаллизации, парообразования и конденсации) – зависимость перестаёт быть линейной.

В этом случае температура не меняется (). Подводимое или забираемое количество теплоты  затрачивается не на изменение температуры, а на изменение фазового состояния (разрушение или создание межмолекулярных связей, изменение расстояний между молекулами и т.п.).

В этом процессе линейно от количества подведенной теплоты меняется не температура, а масса  вещества, изменившего фазу (растаявшего, испарившегося, сконденсированного и пр.): . Параметр  (еще обозначается как ) – это удельная теплота изменения фазы (плавления, кристаллизации, парообразования, конденсации), его размерность .

Нередко в задачах процесса изменения температуры и фазовых переходов рассматриваются последовательно для одного и того же вещества. При решении таких задач подведенное в систему количество тепла  обычно разделяют на две последовательные части. Например, при нагревании и последующем плавлении:  – теплота, требуемая для нагревания тела до температуры плавления (или кипения), и  – теплота, затрачиваемая на плавление (кипение). Если окажется, что , то второй стадии не будет, при  разница  обеспечит фазовый переход всей массы или ее части.

Процесс фазового перехода обратим, т.е. плавление и кристаллизация отличаются только знаком подводимого количества теплоты . Количество теплоты, затрачиваемое в процессе плавления  (тепло поступает к телу из внешней среды), и количество теплоты, затрачиваемое в процессе кристаллизации  (тепло выделяется во внешнюю среду). Если масса образца неизменна, то .

Давайте подробно рассмотрим описанные зависимости на примере воды.

Этот график описывает передачу тепла в систему – контейнер, содержащий кубик льда массой 1 г при температуре при постоянном давлении. Предположим, что переданной энергии достаточно для перевода льда в водяной пар с температурой . На рисунке указаны экспериментально определенные значения температуры при подводе тепла в систему. Давайте рассмотрим каждый график по отдельности.

Участок A

На этом участке температура льда меняется от до . Поскольку удельная теплоемкость льда нам известна , мы можем вычислить количество переданного тепла по уравнению:

.

Переданное в систему количество теплоты затрачивается на увеличение внутренней энергии льда, связанное с движением его молекул и определяемое по увеличению температуры.

Участок B

Когда температура льда достигает значения , начинается процесс плавления. В контейнере в этот момент образуется смесь льда и воды, температура которой остается неизменной, пока весь лед не превратится в воду с температурой . В соответствии с уравнением , где  – удельная теплота плавления льда, равная , на плавление 1 г льда при будет затрачено количество теплоты:

.

Во время этого процесса переданное тепло превратится во внутреннюю энергию, определяемую увеличением потенциальной энергии межмолекулярных взаимодействий при разрушении связей между молекулами льда.

Участок C

Между температурами и фазовых переходов нет (в системе только вода). Количество теплоты, переданное воде, идет на нагревание (как на участке A). Количество теплоты, необходимое для нагревания 1 г воды на , равно , где  – удельная теплоемкость воды, равная .

Участок D

При температуре имеет место еще один фазовый переход. Подобно тому, как это происходило на участке B, смесь вода-пар остается при неизменной температуре (в данном случае при ) до тех пор, пока вся вода не превратится в пар. Энергия (количество теплоты), необходимая для превращения  воды в пар с температурой : , где  – удельная скрытая теплота парообразования, равная .

Эта энергия затрачивается на разрушение связей между молекулами воды.

Участок E

На этом участке, так же как на участках и , нет фазовых переходов, поэтому вся подводимая энергия идет на увеличение температуры пара. Количество тепла, необходимое для нагревания пара до температуры , равно , (здесь  – удельная теплоемкость пара, равная ).

Полная энергия, которую необходимо добавить для превращения 1 г льда при температуре в пар с температурой , является суммой количеств теплоты , полученных нами для всех пяти участков кривой. Эта сумма равна .

И, наоборот, чтобы превратить 1 г пара с температурой в лед с температурой , нужно отнять энергии.

Подведем итоги сегодняшнего урока. Для того чтобы правильно отвечать на вопросы и решать задачи по данному разделу, необходимо следующее.

Знать

1) Формулу для нахождения теплоты сгорания топлива.

2) Уравнение теплового баланса.

3) Определение и формулу КПД нагревателя.

4) Принципы перехода энергии из механической формы в тепловую.

Уметь

1) Находить количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива.

2)  Понимать, какие тела отдают тепло, а какие принимают в процессах, состоящих из нескольких актов теплопередачи.

3) Учитывать количество механической энергии, перешедшей в тепловую, и теплоту, выделяющуюся при сгорании топлива.

4)  Учитывать неидеальность процессов перехода энергии с помощью КПД.

5)  Составлять уравнение теплового баланса.

Понимать

Все процессы теплообмена и получения тепловой энергии связаны друг с другом. В любом процессе некоторые тела получают тепло, а некоторые отдают. Для тепловой энергии, так же как и для других её видов, действует закон сохранения. Он выражается в уравнении теплового баланса изолированных систем. В замкнутой теплоизолированной системе сумма количеств теплоты, отданных (отрицательных) или полученных (положительных) всеми объектами системы, равна нулю. Последовательность процессов, происходящих с веществом при теплообмене, заранее известна и определяется его состоянием и направлением передачи тепла. Например, если нагревать твёрдое тело, то цепочка происходящих с ним тепловых процессов будет такой: нагревание-плавление-нагревание-испарение-нагревание.

Заключение

На этом уроке мы научились:

1) находить теплоту сгорания топлива,

2) описывать процессы теплообмена и переходов энергии с помощью уравнения теплового баланса,

3) учитывать КПД нагревателя,

4) рассматривать переходы механической энергии в теплоту.

5) строить графики зависимости температуры веществ от полученного ими тепла.

Теперь можно смело приступать к решению задач по данной теме.

На следующем уроке мы познакомимся с двумя способами парообразования. Узнаем, что такое насыщенный и ненасыщенный пар, а также познакомимся с такой характеристикой пара, как влажность.

Ссылки на уроки Интернетурока по рассмотренным темам:

1. Три состояния вещества (Физика, 7 класс, раздел «Первоначальные сведения о строении вещества»)

2. Расчёт количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении (Физика, 8 класс, раздел «Тепловые явления»)

3. Лабораторная работа \"Измерение удельной теплоемкости твердого тела\" (Физика, 8 класс, раздел «Тепловые явления»)

4. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания (Физика, 8 класс, раздел «Тепловые явления»)

5. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах (Физика, 8 класс, раздел «Тепловые явления»)

6. Уравнение теплового баланса (Физика, 8 класс, раздел «Тепловые явления»)

7. Плавление и отвердевание кристаллических тел. График плавления и отвердевания (Физика, 8 класс, раздел «Агрегатные состояния вещества»)

8. Решение более сложных задач по теме \"Изменение агрегатных состояний вещества\" (Физика, 8 класс, раздел «Агрегатные состояния вещества»)