Групповое решение задач. 8 класс. уравнение теплового баланса. план-конспект урока по физике (8 класс) на тему

Введение

Что будет, если смешать полстакана холодной воды при температуре  и полстакана горячей при температуре ? Из жизненного опыта нам понятно, что вся вода станет теплой и ее температура будет где-то между  и . Т. к. холодной и горячей воды было поровну, то и температура, скорее всего, будет около .

Если горячей воды будет стакан, а холодной – ведро (см. рис. 1), то после смешивания температура будет точно не , а где-то ближе к

Рис. 1. Смешивание воды разной температуры

Понятно, что если вместо стакана горячей воды будет горячий медный цилиндр, установится другая температура. Сегодня мы научимся решать задачу с таким вопросом: что будет, если смешать несколько разных жидкостей или привести их в контакт с разными твердыми телами, при разных температурах? Какая температура при этом установится?

В любом случае горячие тела будут отдавать теплоту, холодные – принимать, пока система не придет к такому состоянию, когда тепло уже не передается. Об этом состоянии сегодня и пойдет речь.

Итак, у нас есть нагретое тело. Как количественно измерить, как сильно оно нагрето? Если поместим над раскаленным камнем вертушку из бумаги, то она начнет крутиться из-за восходящего потока теплого воздуха (см. рис. 2).

Рис. 2. Раскаленный камень и вертушка

Если мы наполним воздушный шар горячим воздухом, то он легко поднимет корзину с несколькими людьми! Получается, что в нагретом теле есть какая-то энергия, которую, в принципе, можно превратить в механическую работу. Эта энергия называется внутренней, и измерить ее можно по работоспособности. Логично, что измеряется она, как и работа, в джоулях.

Какая температура установилась в сосуде? (8 июня 2011)

Эльнур1996 — 8 июня, 2011 — 21:18

В теплоизолированном сосуде с ничтожно малой теплоёмкостью находится кусок льда при температуре 0° С. В сосуд впустили тонкой струйкой такое количество пара при температуре 100° С, что при его конденсации выделившейся теплоты в точности хватило на плавление льда. Какая температура установилась в сосуде после того, как система пришла в термодинамическое равновесие? Известно, что удельная теплота плавления льда ? = 340 кДж/кг, а удельная теплота парообразования воды r = 2300 кДж/кг.

XLIV Всероссийская олимпиада по физике. Региональный этап 2011 года. 8 класс.

Теги:

ВСЕ УРОКИ ФИЗИКИ 8 КЛАСС

2-й семестр

Урок 8/50

Тема. Лабораторная работа № 12 «Изучение теплового баланса при смешивании воды разной температуры»

Цель урока: проверить на опыте справедливость уравнения теплового баланса в случае смешивания воды различной температуры.

Тип урока: урок контроля и оценивания знаний.

Оборудование: калориметр, термометр лабораторный, измерительный цилиндр (мензурка), стакан, сосуды с холодной и теплой водой.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Используя мензурку, налейте в стакан воду комнатной температуры массой т1 и измерьте ее температуру t1.

2. Используя мензурку, налейте в калориметр горячую воду массой т2 и измерьте ее температуру t2.

3. Добавьте в калориметр воду из стакана и после установления теплового равновесия измерьте температуру смеси t.

4. Результаты измерений запишите в таблицу.

m1, кг

t1, ° С

m2, кг

t2, ° С

t, ° С

5. Вычислите количество теплоты Q1, которую получила холодная вода:

6. Вычислите количество теплоты Q2, которое отдала горячая вода:

7. Сравните Q1и Q2.

Домашнее задание-1

1. В-1: § 24.

2. Сб-1:

ров1 — № 27.7, 27.8, 27.13, 27.14.

рів2 — № 27.19, 27.20, 27.26.

ров3 — № 27.31, 27.35, 27.36.

Домашнее задание-2.

1. В-2: § 42.

2. Сб-2:

ров1 — № 29.1, 29.2, 29.3, 29.4, 29.5.

рів2— № 29.6, 29.7, 29.8, 29.9.

ров3 — № 29.10, 29.11, 29.12, 29.13.

3. Подготовиться к самостоятельной работе № 20 «Количество теплоты. Удельная теплоемкость».

Задачи для самостоятельной работы № 20 «Количество теплоты. Удельная теплоемкость»

Начальный уровень

1. Выберите правильное утверждение. Массы льда и воды, образовавшейся из него, равны. Или на одинаковое число градусов они нагреются, если передать им одинаковое количество теплоты?

А На одинаковое.

Бы Лед нагреется на большее число градусов.

В Вода нагреется на большее число градусов.

2. Выберите правильное утверждение. Двум брускам (медном и стальном) одинаковой массы передали одну и ту же количество теплоты.

А Температура стального бруска будет выше.

Бы Оба бруска нагреются до одинаковой температуры.

В Температура медного бруска будет выше.

Средний уровень

1. Какова масса железной детали, если на ее нагревание от 20 °С до 200 °С пошло 20,7 кДж теплоты?

2. На сколько градусов остыл кипяток в питьевом баке емкостью 27 л, если он отдал окружающей среде 1500 кДж теплоты?

Достаточный уровень

1. а) На что расходуется больше энергии: на нагревание воды или алюминиевой кастрюли, если их массы одинаковы?

б) В алюминиевый калориметр массой 140 г налили 250 г воды при температуре 15 °С. После того как брусок из свинца массой 100 г, нагретый до 100 °С, поместили в калориметр с водой, там установилась температура 16 °С. Составить уравнение теплового баланса и определить удельную теплоемкость свинца.

2. а) Почему вода в море нагревается солнечными лучами медленнее, чем суша?

б) Стальную деталь массой 300 г нагрели до высокой температуры, а затем погрузили для закалки в 3 кг машинного масла, имеющего температуру 10 °С. Определить начальную температуру детали, если температура при постоянном тепловом равновесии была 30 °С.

Высокий уровень

1. а) 3 одной и той же высоты на асфальт упали стальная и алюминиевая шары одинаковой массы. Какая из этих шаров при ударе сильнее нагрелся?

б) Стальной ударник пневматического молота массой 1,2 кг во время работы в течение 1,5 мин. нагрелся на 20 °С. Полагая, что на нагревание ударника пошло 40 % всей энергии молота, определите произведенную работу и мощность, развиваемую при этом.

2. а) Почему тормозные колодки самолетов делают из материалов с высокой температурой плавления и большой удельной теплоемкостью?

б) В прозрачный калориметр, содержащий 650 см3 воды, погружают электрическую лампочку накаливания мощностью 60 Вт. За три минуты вода нагревается на 3,5 °С. Какая часть затрачиваемой энергии пропускается калориметром наружу в виде лучистой энергии?

Презентация на тему: » Задачи на составление уравнения теплового баланса.» — Транскрипт:

1

Задачи на составление уравнения теплового баланса

2

Проведите анализ условия: 1. Определите все тела, о которых идет речь в задаче 2. Какие тепловые процессы происходят в задаче? Назовите процессы, которые происходят с каждым из этих тел. 3. Выясните, между какими телами происходит теплообмен. В каком направлении? 4. Есть ли потери теплоты?

3

Определите все тела, о которых идет речь в задаче Пример: В углубление, сделанное во льду, взятом при температуре 0°С, положили кусок металла массой 3 кг, прогретый в кипящей воде. Под ним расплавилось 360 г льда. Какова удельная теплоемкость металла? Тела: ЛедМеталл Вода

4

Какие еще могут встречаться тепловые явления в подобных задачах? Какие тепловые процессы происходят в задаче? Назовите процессы, которые происходят с каждым из этих тел Пример: В углубление, сделанное во льду, взятом при температуре 0°С, положили кусок металла массой 3 кг, прогретый в кипящей воде. Под ним расплавилось 360 г льда. Какова удельная теплоемкость металла? Металл Охлаждение Лед Плавление МеталлКипящая вода Тепловое равновесие Подумайте сами или нажмите на вопросительный знак выше

5

Какие тепловые процессы происходят в задаче? Назовите процессы, которые происходят с каждым из этих тел Пример: В углубление, сделанное во льду, взятом при температуре 0°С, положили кусок металла массой 3 кг, прогретый в кипящей воде. Под ним расплавилось 360 г льда. Какова удельная теплоемкость металла? Металл Охлаждение Лед Плавление МеталлВода Тепловое равновесие Металл отдает тепло льду Металл и вода приобретают одинаковую температуру

6

Есть ли потери теплоты? Пример: В углубление, сделанное во льду, взятом при температуре 0°С, положили кусок металла массой 3 кг, прогретый в кипящей воде. Под ним расплавилось 360 г льда. Какова удельная теплоемкость металла? Поскольку нет слов о наличии потерь тепла (например: тепло отдается окружающей среде или КПД установки равно…) То мы считаем, что в этой задаче потерь теплоты нет. Это значит, что выполняется закон сохранения энергии в виде:

7

Учет потерь тепла Если в условии говорится о том, что часть тепла уходит на нагревание окружающей среды; часть тепла уходит на нагревание окружающего воздуха; часть тепла уходит на нагревание других тел; потери тепла составляют….; коэффициент полезного действия установки равен …. и так далее, то: Это можно записать: η – коэффициент полезного действия (кпд). ВСЕГДА: η

8

Учет потерь тепла Нет потерь теплаЕсть потери теплы Иначе: Пример 1Пример 2 Чугунную гирю массой m 1, нагретую до температуры, поместили в воду массой m 2, имеющую температуру. Какая температура установится в сосуде. Чугунную гирю массой m 1, нагретую до температуры, поместили в воду массой m 2, имеющую температуру. Какая температура установится в сосуде, если 30% теплоты ушло на нагревание сосуда и воздуха.

9

Тепловые явления Нагревание Охлаждение Испарение Конденсация Кипение Плавление Кристаллизация (отвердевание) Сгорание топлива Тепловое равновесие

10

Расчет количества теплоты в различных процессах Тело отдает тепло (Q0) Изменение температуры: — охлаждение Изменение температуры: — нагревание Кристаллизация (отвердевание) Q=- m 0 Конденсация Q=-Lm 0 Сгорание топлива Q=qm Помним! 1.Процессы плавления и отвердевания идут при постоянной температуре (температура плавления (кристаллизации)). 2.Процессы парообразования (кипения) и конденсации идут при постоянной температуре (температура кипения (конденсации)). 3.Величины с, λ, L, q – табличные!

Уравнение теплового баланса

Ключевые слова конспекта: количество теплоты, уравнение теплового баланса, закон сохранения энергии в тепловых процессах.

Для механических явлений при определённых условиях выполняется закон сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы тел сохраняется, если они взаимодействуют силами тяготения или упругости. Если действуют силы трения, то полная механическая энергия тел не сохраняется, часть её (или вся) превращается в их внутреннюю энергию.

При изменении состояния тела (системы) меняется его внутренняя энергия. Состояние тела и соответственно его внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: в процессе теплопередачи или путём совершения внешними силами работы над телом (работа, например, силы трения). Мерой изменения внутренней энергии тела в процессе теплообмена выступает количество теплоты (Q).

Уравнение теплового баланса

В изолированной системе при смешивании горячей и холодной воды, количество теплоты Q1, отданное горячей водой, равно количеству теплоты Q2, полученному холодной водой, т.е.: |Q1|= |Q2|.  Q1 (выделенное) ,  Q2 (полученное) > 0. 

Qотданное + Qполученное = 0

Записанное равенство называется уравнением теплового баланса (эта формула и уравнение, используемое в 8 классе!). Определение: суммарное количества теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе равно суммарному количеству теплоты, которое в этой системе поглощается.

Уравнение теплового баланса связывает количество теплоты, полученное одним телом, и количество теплоты, отданное другим телом при теплообмене. При этом в теплообмене могут участвовать не два тела, а три и более: Q1 + Q+ Q+ … = 0

Уравнение теплового баланса – это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах. Оно даёт возможность определить те или иные величины. В частности, значения удельной теплоёмкости веществ определяют из уравнения теплового баланса.

◊◊◊ Обратите внимание! В более старших классах используется следующее определение «уравнения теплового баланса»: Если в изолированной системе тел не происходит никаких превращений энергии кроме теплообмена, то количество теплоты, отданное телами, внутренняя энергия которых уменьшается, равно количеству теплоты, полученному телами, внутренняя энергия которых увеличивается. При этом суммарная энергия системы не изменяется«

А также используется другая формула уравнения (с учетом интегральной формы Первого начала термодинамики):

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Закон сохранения энергии в тепловых процессах выполняется при нагревании тел за счёт энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Топливо — это природный газ, дрова, уголь, нефть. При его сгорании происходит химическая реакция окисления — атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе, и образуется молекула оксида углерода (углекислого газа) С02. При этом выделяется энергия.

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива.

Конспект урока «Уравнение теплового баланса».

Следующая тема: «Испарение. Конденсация».

Задача 7: смеситель горячей и холодной воды

«Смеситель». Водопроводный смеситель холодной (T1 = 10 °С) и горячей (T2 = 70 °С) воды состоит из двух одинаковых труб AB и CB, переходящих в удлинитель BD (рис.). Краны K1 и К2 регулируют расход q (т.е. объем воды, проходящий через трубу в единицу времени) и температуру T воды, выходящей из смесителя.

Опыт показывает, что расход воды через трубу AB (или CB) пропорционален разности гидростатических давлений pA и pB на ее концах q = αC(pA − pB), где α — некоторый безразмерный коэффициент «открытия крана», принимающий значение от нуля (кран закрыт) до единицы (кран полностью открыт), а C — некоторый постоянный размерный коэффициент для данной трубы.

Расход воды через удлинитель BD также пропорционален разности давлений жидкости на его концах q = αC(pA − pB) , где po – нормальное атмосферное давление на выходе из трубы в точке D (см. рис.).

Давления в магистралях холодной p1 = pA = 3,0 атм. и горячей p2 = pС = 2,6 атм. труб поддерживаются постоянными. Воду будем считать несжимаемой жидкостью, а потери теплоты при прохождении смесителя — пренебрежимо малыми. Если полностью открыть (α1 =1,0) кран холодной воды при полностью закрытом кране горячей воды, то расход воды будет равен q1 = 1,4 л/с.

  1. Вычислите значение коэффициента C и укажите его размерность.
  2. Найдите расход q2 воды при полном открытии крана с горячей водой (при закрытом втором кране).
  3. Вычислите расход воды q3 и ее температуру T3 в случае, когда два крана открыть полностью (α1 = α2 =1,0).
  4. Найдите расход воды q4 и ее температуру T4, в случае, когда один кран холодной воды открыт на α1 = 0,30, а кран горячей — на α2 = 0,70.
  5. В «час пик» при большом количестве пользователей давление p2 в магистрали горячей воды может значительно упасть. При каком давлении pmin подача горячей воды в смеситель полностью прекратится, если кран холодной воды открыт на α1 = 0,30, а кран горячей — на α2 = 0,70?

Теги:

Ссылка на основную публикацию