Wie groß ist die Wärmemenge? Das Konzept der Wärmemenge

Die innere Energie eines Körpers verändert sich, wenn Arbeit verrichtet oder Wärme übertragen wird. Beim Phänomen der Wärmeübertragung wird innere Energie durch Leitung, Konvektion oder Strahlung übertragen.

Jeder Körper gewinnt oder verliert beim Erhitzen oder Abkühlen (durch Wärmeübertragung) eine gewisse Energiemenge. Aus diesem Grund ist es üblich, diese Energiemenge als Wärmemenge zu bezeichnen.

Also, Die Wärmemenge ist die Energie, die ein Körper bei der Wärmeübertragung abgibt oder aufnimmt.

Wie viel Wärme wird zum Erhitzen von Wasser benötigt? Anhand eines einfachen Beispiels können Sie verstehen, dass das Erhitzen unterschiedlicher Wassermengen unterschiedlich viel Wärme erfordert. Nehmen wir an, wir nehmen zwei Reagenzgläser mit 1 Liter Wasser und 2 Liter Wasser. In welchem ​​Fall wird mehr Wärme benötigt? Im zweiten Fall befinden sich 2 Liter Wasser in einem Reagenzglas. Das Aufheizen des zweiten Reagenzglases dauert länger, wenn wir es mit derselben Feuerquelle erhitzen.

Somit hängt die Wärmemenge von der Körpermasse ab. Je größer die Masse, desto mehr Wärme wird zum Erhitzen benötigt und desto länger dauert es dementsprechend, den Körper abzukühlen.

Wovon hängt die Wärmemenge sonst noch ab? Natürlich aufgrund der unterschiedlichen Körpertemperaturen. Aber das ist noch nicht alles. Denn wenn wir versuchen, Wasser oder Milch zu erhitzen, benötigen wir unterschiedlich viel Zeit. Das heißt, es stellt sich heraus, dass die Wärmemenge von der Substanz abhängt, aus der der Körper besteht.

Daraus ergibt sich, dass die Wärmemenge, die zum Erhitzen benötigt wird bzw. die Wärmemenge, die beim Abkühlen eines Körpers freigesetzt wird, von seiner Masse, von der Temperaturänderung und von der Art der Substanz, aus der der Körper besteht, abhängt zusammengesetzt.

Wie wird die Wärmemenge gemessen?

Hinter Einheit der Wärme es wird allgemein akzeptiert 1 Joule. Vor der Einführung der Maßeinheit für Energie betrachteten Wissenschaftler die Wärmemenge als Kalorien. Diese Maßeinheit wird üblicherweise mit „J“ abgekürzt.

Kalorie– das ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erhitzen. Die abgekürzte Form der Kalorienmessung ist „cal“.

1 Kal. = 4,19 J.

Bitte beachten Sie, dass es bei diesen Energieeinheiten üblich ist, den Nährwert von Lebensmitteln in kJ und kcal anzugeben.

1 kcal = 1000 cal.

1 kJ = 1000 J

1 kcal = 4190 J = 4,19 kJ

Was ist die spezifische Wärmekapazität?

Jeder Stoff in der Natur hat seine eigenen Eigenschaften und das Erhitzen jedes einzelnen Stoffes erfordert eine unterschiedliche Menge an Energie, d. h. Wärmemenge.

Spezifische Wärmekapazität eines Stoffes- Dies ist eine Menge, die der Wärmemenge entspricht, die auf einen Körper mit einer Masse von 1 Kilogramm übertragen werden muss, um ihn auf eine Temperatur von 1 Kilogramm zu erhitzen 0 C

Die spezifische Wärmekapazität wird mit dem Buchstaben c bezeichnet und hat einen Messwert von J/kg*

Die spezifische Wärmekapazität von Wasser beträgt beispielsweise 4200 J/kg* 0 Das heißt, dies ist die Wärmemenge, die auf 1 kg Wasser übertragen werden muss, um es um 1 zu erhitzen 0 C

Es ist zu beachten, dass die spezifische Wärmekapazität von Stoffen in verschiedenen Aggregatzuständen unterschiedlich ist. Das heißt, das Eis um 1 zu erhitzen 0 C erfordert eine andere Wärmemenge.

So berechnen Sie die Wärmemenge, die zum Erhitzen eines Körpers erforderlich ist

Beispielsweise muss die Wärmemenge berechnet werden, die aufgewendet werden muss, um 3 kg Wasser von einer Temperatur auf 15 °C zu erhitzen 0 C bis Temperatur 85 0 C. Wir kennen die spezifische Wärmekapazität von Wasser, also die Energiemenge, die benötigt wird, um 1 kg Wasser um 1 Grad zu erhitzen. Das heißt, um die Wärmemenge in unserem Fall herauszufinden, müssen Sie die spezifische Wärmekapazität von Wasser mit 3 und mit der Gradzahl multiplizieren, um die Sie die Wassertemperatur erhöhen möchten. Das sind also 4200*3*(85-15) = 882.000.

In Klammern berechnen wir die genaue Gradzahl, indem wir das Anfangsergebnis vom endgültigen erforderlichen Ergebnis abziehen

Also, um 3 kg Wasser von 15 auf 85 zu erhitzen 0 C benötigen wir 882.000 J Wärme.

Die Wärmemenge wird mit dem Buchstaben Q bezeichnet, die Formel zu ihrer Berechnung lautet wie folgt:

Q=c*m*(t 2 – t 1).

Analyse und Lösung von Problemen

Problem 1. Wie viel Wärme wird benötigt, um 0,5 kg Wasser von 20 auf 50 zu erhitzen? 0 C

Gegeben:

m = 0,5 kg.,

s = 4200 J/kg* 0 C,

t 1 = 20 0 C,

t 2 = 50 0 C.

Die spezifische Wärmekapazität haben wir anhand der Tabelle ermittelt.

Lösung:

2 -t 1 ).

Ersetzen Sie die Werte:

Q=4200*0,5*(50-20) = 63.000 J = 63 kJ.

Antwort: Q=63 kJ.

Aufgabe 2. Welche Wärmemenge ist erforderlich, um einen Aluminiumbarren mit einem Gewicht von 0,5 kg um 85 zu erhitzen? 0 °C?

Gegeben:

m = 0,5 kg.,

s = 920 J/kg* 0 C,

t 1 = 0 0 C,

t 2 = 85 0 C.

Lösung:

die Wärmemenge wird durch die Formel Q=c*m*(t) bestimmt 2 -t 1 ).

Ersetzen Sie die Werte:

Q=920*0,5*(85-0) = 39.100 J = 39,1 kJ.

Antwort: Q= 39,1 kJ.

In dieser Lektion lernen wir, wie man die Wärmemenge berechnet, die zum Erhitzen eines Körpers erforderlich ist oder von ihm beim Abkühlen abgegeben wird. Dazu fassen wir das in den vorangegangenen Lektionen erworbene Wissen zusammen.

Darüber hinaus lernen wir, anhand der Wärmemengenformel die aus dieser Formel verbleibenden Mengen auszudrücken und in Kenntnis anderer Größen zu berechnen. Es wird auch ein Beispiel für ein Problem mit einer Lösung zur Berechnung der Wärmemenge betrachtet.

In dieser Lektion geht es um die Berechnung der Wärmemenge, die ein Körper beim Erhitzen bzw. beim Abkühlen abgibt.

Die Fähigkeit, die benötigte Wärmemenge zu berechnen, ist sehr wichtig. Dies kann beispielsweise bei der Berechnung der Wärmemenge erforderlich sein, die dem Wasser zum Heizen eines Raums zugeführt werden muss.

Reis. 1. Die Wärmemenge, die dem Wasser zugeführt werden muss, um den Raum zu erwärmen

Oder um die Wärmemenge zu berechnen, die bei der Kraftstoffverbrennung in verschiedenen Motoren freigesetzt wird:

Reis. 2. Die Wärmemenge, die bei der Verbrennung von Kraftstoff im Motor freigesetzt wird

Dieses Wissen wird beispielsweise auch benötigt, um die Wärmemenge zu bestimmen, die von der Sonne abgegeben wird und auf die Erde fällt:

Reis. 3. Die von der Sonne abgegebene und auf die Erde fallende Wärmemenge

Um die Wärmemenge zu berechnen, müssen Sie drei Dinge wissen (Abb. 4):

• Körpergewicht (das normalerweise mit einer Waage gemessen werden kann);
• die Temperaturdifferenz, um die ein Körper erwärmt oder gekühlt werden muss (normalerweise gemessen mit einem Thermometer);
• spezifische Wärmekapazität des Körpers (die aus der Tabelle ermittelt werden kann).

Reis. 4. Was Sie zur Bestimmung wissen müssen

Die Formel zur Berechnung der Wärmemenge sieht folgendermaßen aus:

In dieser Formel kommen folgende Größen vor:

Die in Joule (J) gemessene Wärmemenge;

Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes wird gemessen in;

- Temperaturunterschied, gemessen in Grad Celsius ().

Betrachten wir das Problem der Berechnung der Wärmemenge.

Aufgabe

Ein Kupferglas mit einer Masse von Gramm enthält Wasser mit einem Litervolumen bei einer Temperatur. Wie viel Wärme muss auf ein Glas Wasser übertragen werden, damit seine Temperatur gleich wird?

Reis. 5. Darstellung der Problembedingungen

Zuerst schreiben wir eine kurze Bedingung auf ( Gegeben) und alle Größen in das Internationale System (SI) umrechnen.

Lösung:

Bestimmen Sie zunächst, welche anderen Größen wir zur Lösung dieses Problems benötigen. Mithilfe der Tabelle der spezifischen Wärmekapazität (Tabelle 1) ermitteln wir (spezifische Wärmekapazität von Kupfer, da das Glas bedingt aus Kupfer besteht), (spezifische Wärmekapazität von Wasser, da sich bedingt Wasser im Glas befindet). Darüber hinaus wissen wir, dass wir zur Berechnung der Wärmemenge eine Wassermasse benötigen. Je nach Bedingung erhalten wir nur die Lautstärke. Daher entnehmen wir der Tabelle die Dichte von Wasser: (Tabelle 2).

Tisch 1. Spezifische Wärmekapazität einiger Stoffe,

Tisch 2. Dichten einiger Flüssigkeiten

Jetzt haben wir alles, was wir brauchen, um dieses Problem zu lösen.

Beachten Sie, dass sich die endgültige Wärmemenge aus der Summe der Wärmemenge, die zum Erhitzen des Kupferglases erforderlich ist, und der Wärmemenge, die zum Erhitzen des Wassers darin erforderlich ist, zusammensetzt:

Berechnen wir zunächst die Wärmemenge, die zum Erhitzen eines Kupferglases erforderlich ist:

Bevor wir die zum Erhitzen von Wasser erforderliche Wärmemenge berechnen, berechnen wir die Wassermasse mit einer Formel, die uns aus der 7. Klasse bekannt ist:

Jetzt können wir berechnen:

Dann können wir berechnen:

Erinnern wir uns daran, was Kilojoule bedeuten. Das Präfix „Kilo“ bedeutet .

Antwort:.

Um die Probleme bei der Ermittlung der Wärmemenge (die sogenannten direkten Probleme) und der mit diesem Konzept verbundenen Mengen einfacher zu lösen, können Sie die folgende Tabelle verwenden.

Die innere Energie eines Körpers kann sich durch die Wirkung äußerer Kräfte verändern. Um die Änderung der inneren Energie während der Wärmeübertragung zu charakterisieren, wird eine Größe eingeführt, die als Wärmemenge bezeichnet wird und mit Q bezeichnet wird.

Im internationalen System ist die Einheit für Wärme sowie Arbeit und Energie das Joule: = = = 1 J.

In der Praxis wird manchmal eine nicht systemische Einheit der Wärmemenge verwendet – die Kalorie. 1 Kal. = 4,2 J.

Es ist zu beachten, dass der Begriff „Wärmemenge“ unglücklich ist. Es wurde zu einer Zeit eingeführt, als man glaubte, dass Körper eine schwerelose, schwer fassbare Flüssigkeit enthielten – Kalorien. Der Prozess des Wärmeaustauschs besteht angeblich darin, dass Kalorien, die von einem Körper zum anderen fließen, eine bestimmte Wärmemenge mit sich führen. Wenn wir nun die Grundlagen der molekularkinetischen Theorie der Struktur der Materie kennen, verstehen wir, dass es in Körpern keine Kalorien gibt, der Mechanismus zur Veränderung der inneren Energie eines Körpers ist ein anderer. Die Kraft der Tradition ist jedoch groß und wir verwenden weiterhin einen Begriff, der auf der Grundlage falscher Vorstellungen über die Natur der Wärme eingeführt wurde. Gleichzeitig sollte man, wenn man die Natur der Wärmeübertragung versteht, Missverständnisse darüber nicht völlig ignorieren. Im Gegenteil, indem man eine Analogie zwischen dem Wärmefluss und dem Fluss einer hypothetischen Kalorienflüssigkeit, der Wärmemenge und der Kalorienmenge zieht, ist es bei der Lösung bestimmter Problemklassen möglich, die ablaufenden Prozesse korrekt zu visualisieren Die Probleme lösen. Letztendlich wurden die richtigen Gleichungen zur Beschreibung von Wärmeübertragungsprozessen einst auf der Grundlage falscher Vorstellungen über Kalorien als Wärmeträger ermittelt.

Betrachten wir die Prozesse, die durch den Wärmeaustausch ablaufen können, genauer.

Gießen Sie etwas Wasser in das Reagenzglas und verschließen Sie es mit einem Stopfen. Wir hängen das Reagenzglas an einen in einem Ständer befestigten Stab und stellen eine offene Flamme darunter. Das Reagenzglas erhält von der Flamme eine gewisse Wärmemenge und die Temperatur der darin befindlichen Flüssigkeit steigt. Mit zunehmender Temperatur nimmt die innere Energie der Flüssigkeit zu. Es kommt zu einem intensiven Verdampfungsprozess. Expandierende Flüssigkeitsdämpfe leisten mechanische Arbeit, um den Stopfen aus dem Reagenzglas zu drücken.

Führen wir ein weiteres Experiment mit einem Modell einer Kanone durch, die aus einem Stück Messingrohr besteht und auf einem Wagen montiert ist. Auf einer Seite ist das Rohr mit einem Ebonitstopfen fest verschlossen, durch den ein Stift geführt wird. An den Stift und die Röhre sind Drähte angelötet, die in Klemmen enden, an die Spannung vom Beleuchtungsnetz geliefert werden kann. Das Kanonenmodell ist somit eine Art Elektrokessel.

Gießen Sie etwas Wasser in das Kanonenrohr und verschließen Sie das Rohr mit einem Gummistopfen. Schließen wir die Waffe an eine Stromquelle an. Elektrischer Strom, der durch Wasser fließt, erwärmt es. Das Wasser kocht, was zu einer starken Dampfbildung führt. Der Wasserdampfdruck erhöht sich und schließlich übernehmen sie die Aufgabe, den Stopfen aus dem Waffenlauf zu drücken.

Durch den Rückstoß rollt die Waffe entgegen der Auswurfrichtung des Stopfens weg.

Beide Erfahrungen werden durch folgende Umstände vereint. Beim Erhitzen der Flüssigkeit auf verschiedene Weise erhöhte sich die Temperatur der Flüssigkeit und dementsprechend ihre innere Energie. Damit die Flüssigkeit intensiv kochen und verdampfen konnte, musste sie weiter erhitzt werden.

Flüssigkeitsdämpfe verrichteten aufgrund ihrer inneren Energie mechanische Arbeit.

Wir untersuchen die Abhängigkeit der zum Erhitzen eines Körpers erforderlichen Wärmemenge von seiner Masse, Temperaturänderungen und der Art des Stoffes. Um diese Abhängigkeiten zu untersuchen, werden wir Wasser und Öl verwenden. (Um die Temperatur im Experiment zu messen, wird ein elektrisches Thermometer verwendet, das aus einem Thermoelement besteht, das mit einem Spiegelgalvanometer verbunden ist. Eine Thermoelementverbindung wird in ein Gefäß mit kaltem Wasser abgesenkt, um eine konstante Temperatur sicherzustellen. Die andere Thermoelementverbindung misst die Temperatur der Flüssigkeit im Studium).

Das Erlebnis besteht aus drei Serien. In der ersten Serie wird für eine konstante Masse einer bestimmten Flüssigkeit (in unserem Fall Wasser) die Abhängigkeit der zu ihrer Erwärmung erforderlichen Wärmemenge von Temperaturänderungen untersucht. Wir beurteilen die Wärmemenge, die die Flüssigkeit vom Heizgerät (Elektroherd) erhält, anhand der Heizzeit, unter der Annahme, dass zwischen ihnen ein direkt proportionaler Zusammenhang besteht. Damit das Versuchsergebnis dieser Annahme entspricht, muss ein stationärer Wärmefluss vom Elektroherd zum erhitzten Körper gewährleistet sein. Dazu wurde der Elektroherd vorab eingeschaltet, so dass sich die Temperatur seiner Oberfläche zu Beginn des Experiments nicht mehr änderte. Um die Flüssigkeit während des Experiments gleichmäßiger zu erhitzen, rühren wir sie mit dem Thermoelement selbst um. Wir zeichnen die Thermometerwerte in regelmäßigen Abständen auf, bis der Lichtfleck den Rand der Skala erreicht.

Lassen Sie uns schlussfolgern: Es besteht ein direkter proportionaler Zusammenhang zwischen der Wärmemenge, die zum Erhitzen eines Körpers erforderlich ist, und der Änderung seiner Temperatur.

In der zweiten Versuchsreihe vergleichen wir die Wärmemengen, die erforderlich sind, um identische Flüssigkeiten unterschiedlicher Masse zu erhitzen, wenn sich ihre Temperatur um den gleichen Betrag ändert.

Um den Vergleich der erhaltenen Werte zu erleichtern, wird die Wassermasse für das zweite Experiment doppelt so groß angenommen wie für das erste Experiment.

Wir werden die Thermometerwerte erneut in regelmäßigen Abständen aufzeichnen.

Beim Vergleich der Ergebnisse des ersten und zweiten Experiments können die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden.

In der dritten Versuchsreihe vergleichen wir die Wärmemengen, die erforderlich sind, um gleiche Massen verschiedener Flüssigkeiten zu erhitzen, wenn sich ihre Temperatur um den gleichen Betrag ändert.

Wir werden Öl auf einem Elektroherd erhitzen, dessen Masse gleich der Wassermasse im ersten Experiment ist. In regelmäßigen Abständen zeichnen wir die Thermometerwerte auf.

Das Ergebnis des Experiments bestätigt die Schlussfolgerung, dass die zum Erhitzen eines Körpers erforderliche Wärmemenge direkt proportional zur Änderung seiner Temperatur ist und weist darüber hinaus auf die Abhängigkeit dieser Wärmemenge von der Art des Stoffes hin.

Da für das Experiment Öl verwendet wurde, dessen Dichte geringer ist als die Dichte von Wasser, und das Erhitzen des Öls auf eine bestimmte Temperatur weniger Wärme erforderte als das Erhitzen von Wasser, kann davon ausgegangen werden, dass die zum Erhitzen eines Körpers erforderliche Wärmemenge von seiner Temperatur abhängt Dichte.

Um diese Annahme zu testen, erhitzen wir gleichzeitig gleiche Mengen Wasser, Paraffin und Kupfer auf einem Heizgerät mit konstanter Leistung.

Nach der gleichen Zeit ist die Temperatur von Kupfer etwa zehnmal und die von Paraffin etwa doppelt so hoch wie die Temperatur von Wasser.

Allerdings hat Kupfer eine höhere Dichte und Paraffin eine geringere Dichte als Wasser.

Die Erfahrung zeigt, dass die Größe, die die Geschwindigkeit der Temperaturänderung der Stoffe charakterisiert, aus denen die am Wärmeaustausch beteiligten Körper bestehen, nicht die Dichte ist. Diese Größe wird als spezifische Wärmekapazität eines Stoffes bezeichnet und mit dem Buchstaben c bezeichnet.

Mit einem speziellen Gerät werden die spezifischen Wärmekapazitäten verschiedener Stoffe verglichen. Das Gerät besteht aus Gestellen, in denen eine dünne Paraffinplatte und ein Streifen mit hindurchgeführten Stäben befestigt sind. An den Enden der Stangen sind Zylinder aus Aluminium, Stahl und Messing gleicher Masse befestigt.

Erhitzen wir die Zylinder auf die gleiche Temperatur, indem wir sie in ein Gefäß mit Wasser tauchen, das auf einem heißen Herd steht. Wir befestigen die heißen Zylinder an den Gestellen und lösen sie von der Befestigung. Gleichzeitig berühren die Zylinder die Paraffinplatte und beginnen beim Schmelzen des Paraffins darin einzusinken. Die Eintauchtiefe von Zylindern gleicher Masse in eine Paraffinplatte fällt bei gleicher Temperaturänderung unterschiedlich aus.

Die Erfahrung zeigt, dass die spezifischen Wärmekapazitäten von Aluminium, Stahl und Messing unterschiedlich sind.

Nachdem wir entsprechende Experimente mit dem Schmelzen von Feststoffen, der Verdampfung von Flüssigkeiten und der Verbrennung von Brennstoffen durchgeführt haben, erhalten wir die folgenden quantitativen Abhängigkeiten.

Um Einheiten spezifischer Mengen zu erhalten, müssen diese aus den entsprechenden Formeln ausgedrückt und in die resultierenden Ausdrücke Wärmeeinheiten - 1 J, Masse - 1 kg und für die spezifische Wärmekapazität - 1 K eingesetzt werden.

Wir erhalten folgende Einheiten: spezifische Wärmekapazität – 1 J/kg·K, andere spezifische Wärmekapazitäten: 1 J/kg.

Die Veränderung der inneren Energie durch Arbeitsleistung wird durch die Arbeitsmenge charakterisiert, d.h. Arbeit ist ein Maß für die Veränderung der inneren Energie in einem bestimmten Prozess. Die Änderung der inneren Energie eines Körpers während der Wärmeübertragung wird durch eine Größe charakterisiert, die als Wärmemenge bezeichnet wird.

ist eine Änderung der inneren Energie eines Körpers beim Prozess der Wärmeübertragung ohne Arbeitsleistung. Die Wärmemenge wird durch den Buchstaben angegeben Q .

Arbeit, innere Energie und Wärme werden in den gleichen Einheiten gemessen – Joule ( J), wie jede Art von Energie.

Bei thermischen Messungen wurde früher als Einheit der Wärmemenge eine spezielle Energieeinheit verwendet – die Kalorie ( Kot), gleich die Wärmemenge, die erforderlich ist, um 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erhitzen (genauer gesagt von 19,5 bis 20,5 °C). Insbesondere diese Einheit wird derzeit bei der Berechnung des Wärmeverbrauchs (Wärmeenergie) in Mehrfamilienhäusern verwendet. Das mechanische Äquivalent von Wärme wurde experimentell ermittelt – der Zusammenhang zwischen Kalorien und Joule: 1 Kal. = 4,2 J.

Wenn ein Körper eine bestimmte Wärmemenge überträgt, ohne Arbeit zu verrichten, erhöht sich seine innere Energie; wenn der Körper eine bestimmte Wärmemenge abgibt, verringert sich seine innere Energie.

Wenn Sie 100 g Wasser in zwei identische Gefäße mit der gleichen Temperatur gießen, in das eine und 400 g in das andere, und diese auf identische Brenner stellen, kocht das Wasser im ersten Gefäß früher. Je größer also die Körpermasse, desto mehr Wärme benötigt sie zum Aufwärmen. Dasselbe gilt auch für die Kühlung.

Die zum Erhitzen eines Körpers erforderliche Wärmemenge hängt auch von der Art der Substanz ab, aus der der Körper besteht. Diese Abhängigkeit der zum Erhitzen eines Körpers erforderlichen Wärmemenge von der Art des Stoffes wird durch eine physikalische Größe namens charakterisiert spezifische Wärmekapazität Substanzen.

ist eine physikalische Größe, die der Wärmemenge entspricht, die 1 kg eines Stoffes zugeführt werden muss, um ihn um 1 °C (oder 1 K) zu erhitzen. 1 kg Stoff setzt bei Abkühlung um 1 °C die gleiche Wärmemenge frei.

Die spezifische Wärmekapazität wird mit dem Buchstaben bezeichnet Mit. Die Einheit der spezifischen Wärmekapazität ist 1 J/kg °C oder 1 J/kg °K.

Die spezifische Wärmekapazität von Stoffen wird experimentell bestimmt. Flüssigkeiten haben eine höhere spezifische Wärmekapazität als Metalle; Wasser hat die höchste spezifische Wärme, Gold hat eine sehr kleine spezifische Wärme.

Da die Wärmemenge gleich der Änderung der inneren Energie des Körpers ist, können wir sagen, dass die spezifische Wärmekapazität angibt, wie stark sich die innere Energie ändert 1 kg Substanz, wenn sich ihre Temperatur ändert 1 °C. Insbesondere erhöht sich die innere Energie von 1 kg Blei um 140 J, wenn es um 1 °C erhitzt wird, und verringert sich um 140 J, wenn es abgekühlt wird.

Q = c ∙ m (t 2 - t 1)

Die gleiche Formel wird verwendet, um die Wärmemenge zu berechnen, die ein Körper beim Abkühlen abgibt. Nur in diesem Fall sollte die Endtemperatur von der Anfangstemperatur abgezogen werden, d. h. Subtrahieren Sie die kleinere Temperatur von der größeren Temperatur.

Dies ist eine Zusammenfassung des Themas „Wärmemenge. Spezifische Wärme". Wählen Sie die nächsten Schritte aus:

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Wärmekapazität- Dies ist die Wärmemenge, die der Körper bei einer Erwärmung um 1 Grad aufnimmt.

Die Wärmekapazität eines Körpers wird durch einen lateinischen Großbuchstaben angegeben MIT.

Wovon hängt die Wärmekapazität eines Körpers ab? Zunächst einmal von seiner Masse. Es ist klar, dass das Erhitzen von beispielsweise 1 Kilogramm Wasser mehr Wärme erfordert als das Erhitzen von 200 Gramm.

Was ist mit der Art der Substanz? Machen wir ein Experiment. Nehmen wir zwei identische Gefäße und gießen wir in eines davon Wasser mit einem Gewicht von 400 g und in das andere Pflanzenöl mit einem Gewicht von 400 g und beginnen wir, sie mit identischen Brennern zu erhitzen. Anhand der Thermometerwerte können wir erkennen, dass sich das Öl schnell erwärmt. Um Wasser und Öl auf die gleiche Temperatur zu erhitzen, muss das Wasser länger erhitzt werden. Aber je länger wir das Wasser erhitzen, desto mehr Wärme erhält es vom Brenner.

Um die gleiche Masse unterschiedlicher Stoffe auf die gleiche Temperatur zu erhitzen, sind also unterschiedliche Wärmemengen erforderlich. Die zum Erhitzen eines Körpers erforderliche Wärmemenge und damit seine Wärmekapazität hängen von der Art der Substanz ab, aus der der Körper besteht.

Um beispielsweise die Temperatur von 1 kg schwerem Wasser um 1 °C zu erhöhen, ist eine Wärmemenge von 4200 J erforderlich, und um dieselbe Masse Sonnenblumenöl um 1 °C zu erhitzen, ist eine Wärmemenge von 4200 J erforderlich 1700 J sind erforderlich.

Eine physikalische Größe, die angibt, wie viel Wärme erforderlich ist, um 1 kg eines Stoffes um 1 ºС zu erhitzen, wird genannt spezifische Wärmekapazität dieser Substanz.

Jeder Stoff hat seine eigene spezifische Wärmekapazität, die mit dem lateinischen Buchstaben c bezeichnet und in Joule pro Kilogramm Grad (J/(kg °C)) gemessen wird.

Die spezifische Wärmekapazität desselben Stoffes in verschiedenen Aggregatzuständen (fest, flüssig und gasförmig) ist unterschiedlich. Beispielsweise beträgt die spezifische Wärmekapazität von Wasser 4200 J/(kg °C) und die spezifische Wärmekapazität von Eis 2100 J/(kg °C); Aluminium hat im festen Zustand eine spezifische Wärmekapazität von 920 J/(kg - °C) und im flüssigen Zustand - 1080 J/(kg - °C).

Beachten Sie, dass Wasser eine sehr hohe spezifische Wärmekapazität hat. Daher nimmt das Wasser in den Meeren und Ozeanen, das sich im Sommer erwärmt, große Mengen Wärme aus der Luft auf. Dadurch ist der Sommer an Orten, die sich in der Nähe großer Gewässer befinden, nicht so heiß wie an Orten, die weit vom Wasser entfernt sind.

Berechnung der Wärmemenge, die zum Erhitzen eines Körpers erforderlich ist oder von ihm beim Abkühlen abgegeben wird.

Aus dem oben Gesagten wird deutlich, dass die zum Erhitzen eines Körpers erforderliche Wärmemenge von der Art der Substanz abhängt, aus der der Körper besteht (d. h. seiner spezifischen Wärmekapazität) und von der Masse des Körpers. Es ist auch klar, dass die Wärmemenge davon abhängt, um wie viel Grad wir die Körpertemperatur erhöhen.

Um also die Wärmemenge zu bestimmen, die zum Erhitzen eines Körpers erforderlich ist oder von ihm beim Abkühlen abgegeben wird, müssen Sie die spezifische Wärmekapazität des Körpers mit seiner Masse und der Differenz zwischen seiner End- und Anfangstemperatur multiplizieren:

Q= cm (t 2 -t 1),

Wo Q- Wärmemenge, C- spezifische Wärmekapazität, M- Körpermasse, t 1- Anfangstemperatur, t 2- Endtemperatur.

Wenn sich der Körper erwärmt t 2> t 1 und deshalb Q >0 . Wenn der Körper abkühlt t 2i< t 1 und deshalb Q< 0 .

Wenn die Wärmekapazität des gesamten Körpers bekannt ist MIT, Q bestimmt durch die Formel: Q = C (t 2 - t 1).

22) Schmelzen: Definition, Berechnung der Wärmemenge zum Schmelzen oder Erstarren, spezifische Schmelzwärme, Diagramm von t 0 (Q).

Thermodynamik

Ein Zweig der Molekularphysik, der die Energieübertragung untersucht, also die Muster der Umwandlung einer Energieart in eine andere. Im Gegensatz zur molekularkinetischen Theorie berücksichtigt die Thermodynamik nicht die innere Struktur von Stoffen und Mikroparameter.

Thermodynamisches System

Es handelt sich um eine Ansammlung von Körpern, die untereinander oder mit der Umwelt Energie (in Form von Arbeit oder Wärme) austauschen. Beispielsweise kühlt sich das Wasser im Wasserkocher ab und es kommt zu einem Wärmeaustausch zwischen dem Wasser und dem Wasserkocher sowie der Wärme des Wasserkochers mit der Umgebung. Ein Zylinder mit Gas unter dem Kolben: Der Kolben verrichtet Arbeit, wodurch das Gas Energie erhält und sich seine Makroparameter ändern.

Wärmemenge

Das Energie, die das System während des Wärmeaustauschprozesses aufnimmt oder abgibt. Sie wird mit dem Symbol Q bezeichnet und wird wie jede Energie in Joule gemessen.

Durch verschiedene Wärmeaustauschprozesse wird die übertragene Energie auf ihre eigene Weise bestimmt.

Heizung und Kühlung

Dieser Prozess ist durch eine Änderung der Temperatur des Systems gekennzeichnet. Die Wärmemenge wird durch die Formel bestimmt

Spezifische Wärmekapazität eines Stoffes mit gemessen an der zum Aufwärmen erforderlichen Wärmemenge Masseneinheiten dieses Stoffes um 1K. Das Erhitzen von 1 kg Glas oder 1 kg Wasser erfordert unterschiedlich viel Energie. Die spezifische Wärmekapazität ist eine bekannte Größe, die für alle Stoffe bereits berechnet wurde; siehe Wert in physikalischen Tabellen.

Wärmekapazität des Stoffes C- Dies ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um einen Körper zu erwärmen, ohne seine Masse um 1 K zu berücksichtigen.

Schmelzen und Kristallisieren

Beim Schmelzen handelt es sich um den Übergang eines Stoffes vom festen in den flüssigen Zustand. Den umgekehrten Übergang nennt man Kristallisation.

Die Energie, die für die Zerstörung des Kristallgitters eines Stoffes aufgewendet wird, wird durch die Formel bestimmt

Die spezifische Schmelzwärme ist für jeden Stoff ein bekannter Wert; siehe Wert in physikalischen Tabellen.

Verdampfung (Verdunstung oder Sieden) und Kondensation

Unter Verdampfung versteht man den Übergang eines Stoffes vom flüssigen (festen) Zustand in den gasförmigen Zustand. Den umgekehrten Vorgang nennt man Kondensation.

Die spezifische Verdampfungswärme ist für jeden Stoff ein bekannter Wert; siehe Wert in physikalischen Tabellen.

Verbrennung

Die beim Verbrennen eines Stoffes freigesetzte Wärmemenge

Die spezifische Verbrennungswärme ist für jeden Stoff ein bekannter Wert; siehe Wert in physikalischen Tabellen.

Für ein geschlossenes und adiabatisch isoliertes Körpersystem ist die Wärmebilanzgleichung erfüllt. Die algebraische Summe der von allen am Wärmeaustausch beteiligten Körpern abgegebenen und aufgenommenen Wärmemengen ist gleich Null:

Q 1 +Q 2 +...+Q n =0

23) Die Struktur von Flüssigkeiten. Oberflächenschicht. Oberflächenspannungskraft: Beispiele für Erscheinungsform, Berechnung, Oberflächenspannungskoeffizient.

Von Zeit zu Zeit kann sich jedes Molekül an einen nahegelegenen freien Ort bewegen. Solche Flüssigkeitssprünge kommen recht häufig vor; Daher sind die Moleküle nicht wie in Kristallen an bestimmte Zentren gebunden und können sich durch das gesamte Flüssigkeitsvolumen bewegen. Dies erklärt die Fließfähigkeit von Flüssigkeiten. Aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen nahe beieinander liegenden Molekülen können sie lokale (instabile) geordnete Gruppen bilden, die mehrere Moleküle enthalten. Dieses Phänomen nennt man Ordnung schließen(Abb. 3.5.1).

Der Koeffizient β heißt Temperaturkoeffizient der Volumenausdehnung . Dieser Koeffizient ist für Flüssigkeiten um ein Vielfaches größer als für Feststoffe. Für Wasser beispielsweise beträgt bei einer Temperatur von 20 °C β in ≈ 2 · 10 – 4 K – 1, für Stahl β st ≈ 3,6 · 10 – 5 K – 1, für Quarzglas β kv ≈ 9 · 10 – 6 K – 1 .

Die thermische Ausdehnung von Wasser weist eine interessante und wichtige Anomalie für das Leben auf der Erde auf. Bei Temperaturen unter 4 °C dehnt sich Wasser mit sinkender Temperatur aus (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Wenn Wasser gefriert, dehnt es sich aus, sodass das Eis auf der Oberfläche eines gefrierenden Gewässers schwimmt. Die Temperatur des gefrierenden Wassers unter dem Eis beträgt 0 °C. In dichteren Wasserschichten am Boden des Stausees beträgt die Temperatur etwa 4 °C. Dadurch kann Leben im Wasser eiskalter Stauseen existieren.

Das interessanteste Merkmal von Flüssigkeiten ist ihre Anwesenheit Freie Oberfläche . Flüssigkeit füllt im Gegensatz zu Gasen nicht das gesamte Volumen des Behälters aus, in den sie gegossen wird. Es bildet sich eine Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas (oder Dampf), die sich im Vergleich zum Rest der Flüssigkeit unter besonderen Bedingungen befindet. Es ist zu berücksichtigen, dass aufgrund der extrem geringen Kompressibilität eine dichter gepackte Oberflächenschicht vorhanden ist führt zu keiner merklichen Volumenänderung der Flüssigkeit. Wenn sich ein Molekül von der Oberfläche in die Flüssigkeit bewegt, entfalten die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung positive Arbeit. Im Gegenteil: Um eine bestimmte Anzahl von Molekülen aus der Tiefe der Flüssigkeit an die Oberfläche zu ziehen (also die Oberfläche der Flüssigkeit zu vergrößern), müssen äußere Kräfte positive Arbeit Δ leisten A extern, proportional zur Änderung Δ S Oberfläche:

Aus der Mechanik ist bekannt, dass die Gleichgewichtszustände eines Systems dem Minimalwert seiner potentiellen Energie entsprechen. Daraus folgt, dass die freie Oberfläche der Flüssigkeit dazu neigt, ihre Fläche zu verringern. Aus diesem Grund nimmt ein freier Flüssigkeitstropfen eine Kugelform an. Die Flüssigkeit verhält sich so, als würden tangential zu ihrer Oberfläche wirkende Kräfte diese Oberfläche zusammenziehen (ziehen). Diese Kräfte werden aufgerufen Oberflächenspannungskräfte .

Das Vorhandensein von Oberflächenspannungskräften lässt die Oberfläche einer Flüssigkeit wie einen elastischen, gedehnten Film aussehen, mit dem einzigen Unterschied, dass die elastischen Kräfte im Film von seiner Oberfläche (d. h. davon, wie der Film verformt wird) und der Oberflächenspannung abhängen Kräfte nicht abhängig machen auf der Oberfläche der Flüssigkeit.

Einige Flüssigkeiten, wie z. B. Seifenlauge, haben die Fähigkeit, dünne Filme zu bilden. Bekannte Seifenblasen haben eine regelmäßige Kugelform – auch hier zeigt sich die Wirkung von Oberflächenspannungskräften. Wird ein Drahtgestell, dessen eine Seite beweglich ist, in eine Seifenlösung getaucht, so wird das gesamte Gestell mit einem Flüssigkeitsfilm bedeckt (Abb. 3.5.3).

Oberflächenspannungskräfte neigen dazu, die Oberfläche des Films zu verringern. Um die bewegliche Seite des Rahmens auszugleichen, muss eine äußere Kraft auf sie ausgeübt werden. Unter Krafteinwirkung bewegt sich die Querstange um Δ X, dann wird die Arbeit Δ verrichtet A vn = F vn Δ X = Δ E p = σΔ S, wobei Δ S = 2LΔ X– Vergrößerung der Oberfläche beider Seiten des Seifenfilms. Da die Moduli der Kräfte und gleich sind, können wir schreiben:

Somit kann der Oberflächenspannungskoeffizient σ definiert werden als: Modul der Oberflächenspannungskraft, die pro Längeneinheit der die Oberfläche begrenzenden Linie wirkt.

Durch die Einwirkung von Oberflächenspannungskräften in Flüssigkeitstropfen und im Inneren von Seifenblasen entsteht ein Überdruck Δ P. Wenn Sie im Geiste einen kugelförmigen Tropfen mit Radius schneiden R in zwei Hälften, dann muss jede von ihnen unter der Wirkung von Oberflächenspannungskräften, die auf die Schnittgrenze der Länge 2π wirken, im Gleichgewicht sein R und überschüssige Druckkräfte, die auf die Fläche π wirken R 2 Abschnitte (Abb. 3.5.4). Die Gleichgewichtsbedingung wird geschrieben als

Wenn diese Kräfte größer sind als die Wechselwirkungskräfte zwischen den Molekülen der Flüssigkeit selbst, dann ist die Flüssigkeit macht nass Oberfläche eines Festkörpers. In diesem Fall nähert sich die Flüssigkeit der Oberfläche des Festkörpers in einem bestimmten spitzen Winkel θ, der für ein bestimmtes Flüssigkeit-Feststoff-Paar charakteristisch ist. Der Winkel θ heißt Kontaktwinkel . Übersteigen die Wechselwirkungskräfte zwischen flüssigen Molekülen die Kräfte ihrer Wechselwirkung mit festen Molekülen, so erweist sich der Kontaktwinkel θ als stumpf (Abb. 3.5.5). In diesem Fall sagen sie, dass die Flüssigkeit nasst nicht Oberfläche eines Festkörpers. Bei vollständige Benetzungθ = 0, bei völlige Nichtbenetzungθ = 180°.

Kapillarphänomene wird als Anstieg oder Abfall einer Flüssigkeit in Röhren mit kleinem Durchmesser bezeichnet. Kapillaren. Benetzende Flüssigkeiten steigen durch die Kapillaren auf, nicht benetzende Flüssigkeiten steigen ab.

In Abb. In Abb. 3.5.6 zeigt ein Kapillarrohr mit einem bestimmten Radius R, am unteren Ende in eine benetzende Flüssigkeit der Dichte ρ abgesenkt. Das obere Ende der Kapillare ist offen. Der Anstieg der Flüssigkeit in der Kapillare setzt sich fort, bis die auf die Flüssigkeitssäule in der Kapillare wirkende Schwerkraft die gleiche Größe wie die Resultierende erreicht F n Oberflächenspannungskräfte, die entlang der Kontaktgrenze der Flüssigkeit mit der Oberfläche der Kapillare wirken: F t = F n, wo F t = mg = ρ Hπ R 2 G, F n = σ2π R cos θ.

Dies impliziert:

Bei vollständiger Nichtbenetzung θ = 180° ist cos θ = –1 und daher H < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

Wasser benetzt die saubere Glasoberfläche nahezu vollständig. Im Gegenteil: Quecksilber benetzt die Glasoberfläche nicht vollständig. Daher sinkt der Quecksilbergehalt in der Glaskapillare unter den Pegel im Gefäß.

24) Verdampfung: Definition, Arten (Verdampfung, Sieden), Berechnung der Wärmemenge für Verdampfung und Kondensation, spezifische Verdampfungswärme.

Verdunstung und Kondensation. Erklärung des Phänomens der Verdunstung anhand von Vorstellungen über die molekulare Struktur der Materie. Spezifische Verdampfungswärme. Seine Einheiten.

Das Phänomen, eine Flüssigkeit in Dampf umzuwandeln, nennt man Verdampfung.

Verdunstung - der Prozess der Verdampfung, der von einer offenen Oberfläche aus erfolgt.

Flüssige Moleküle bewegen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Wenn ein Molekül an der Oberfläche einer Flüssigkeit landet, kann es die Anziehungskraft benachbarter Moleküle überwinden und aus der Flüssigkeit herausfliegen. Die ausgestoßenen Moleküle bilden Dampf. Die verbleibenden Moleküle der Flüssigkeit ändern bei der Kollision ihre Geschwindigkeit. Gleichzeitig erreichen einige Moleküle eine Geschwindigkeit, die ausreicht, um aus der Flüssigkeit herauszufliegen. Dieser Vorgang setzt sich fort, sodass die Flüssigkeiten langsam verdunsten.

*Die Verdunstungsgeschwindigkeit hängt von der Art der Flüssigkeit ab. Flüssigkeiten, deren Moleküle mit geringerer Kraft angezogen werden, verdampfen schneller.

*Verdunstung kann bei jeder Temperatur auftreten. Bei hohen Temperaturen erfolgt die Verdunstung jedoch schneller .

*Die Verdunstungsrate hängt von der Oberfläche ab.

*Bei Wind (Luftströmung) erfolgt die Verdunstung schneller.

Bei der Verdunstung nimmt die innere Energie ab, weil Beim Verdampfen hinterlässt die Flüssigkeit schnelle Moleküle, daher nimmt die Durchschnittsgeschwindigkeit der verbleibenden Moleküle ab. Das heißt, wenn keine Energie von außen zugeführt wird, sinkt die Temperatur der Flüssigkeit.

Das Phänomen, dass sich Dampf in Flüssigkeit verwandelt, nennt man Kondensation. Es geht mit der Freisetzung von Energie einher.

Dampfkondensation erklärt die Bildung von Wolken. Über dem Boden aufsteigender Wasserdampf bildet in den oberen kalten Luftschichten Wolken, die aus winzigen Wassertröpfchen bestehen.

Spezifische Verdampfungswärme – körperlich ein Wert, der angibt, wie viel Wärme nötig ist, um eine 1 kg schwere Flüssigkeit in Dampf umzuwandeln, ohne dass sich die Temperatur ändert.

Ud. Verdampfungswärme wird mit dem Buchstaben L bezeichnet und in J/kg gemessen

Ud. Verdampfungswärme von Wasser: L=2,3×10 6 J/kg, Alkohol L=0,9×10 6

Erforderliche Wärmemenge, um Flüssigkeit in Dampf umzuwandeln: Q = Lm