Теплообмен и уравнение теплового баланса

1. Теплообмен и уравнение теплового баланса

2.

Способы изменения
внутренней энергии тела
Совершение
механической работы
Теплопередача
Конвекция
Теплопроводность
Излучение
2

3. Количество теплоты

Теплопередача – это передача внутренней
энергии от одного тела к другому в процессе
взаимодействия беспорядочно движущихся
атомов и молекул.
Теплопередача идёт от более
нагретого тела к менее нагретому.
Количество теплоты Q –
это энергия, передаваемая путём
теплопередачи.

4. Количество теплоты. Единицы количества теплоты.

Энергия, которую получает или
теряет тело при теплопередаче
называется количеством
теплоты.

5.

Q – количество теплоты –
мера энергии, переданной телу или
отданной телом.
Основной единицей измерения ее является
джоуль (Дж)
[Q] = [Дж]

6.

Калория –
это количество теплоты, которое
необходимо передать 1г воды для ее
нагревания на 10С.
1 кал=4,2Дж

7.

От чего зависит количество теплоты?
Нагреем
на
двух
одинаковых спиртовках
разное количество воды,
имеющей
одинаковую
начальную температуру.
Одинаковое
ли
количество теплоты Q
требуется
для
нагревания
разных
масс
воды
на
одинаковое количество
градусов?
Количество теплоты,
необходимое
для
нагревания
жидкости зависит от
ее массы.
Чем больше масса
вещества m, тем
больше требуется Q.

8.

От чего зависит количество теплоты?
Нагреем на двух одинаковых
спиртовках
равное
количество воды, взятой при
разных
начальных
температурах.
Одинаковое
ли
количество теплоты Q
требуется для нагревания
равного количества воды,
взятой
при
разных
начальных температурах.
Для нагревания изначально
более холодной жидкости до
определенной температуры
понадобиться
больше
времени, а значит и большее
количество теплоты.
Чем
больше
разность
температур Δt, тем больше
требуется Q.

9.

От чего зависит количество теплоты?
Нагреем на двух одинаковых
спиртовках
одинаковое
количество воды и масла,
взятых
при
равных
начальных температурах.
Одинаковое ли количество
теплоты Q требуется для
нагревания равных масс
воды и масла на одинаковое
количество градусов?
Масло
нагревается
быстрее, чем вода, а значит,
на количество теплоты,
переданное жидкостям для
нагревания
их
на
одинаковое число градусов,
влияет род жидкости.
Количество теплоты Q
зависит от рода вещества

10.

Количество теплоты Q зависит:
1. От массы вещества m,
2. От изменения температуры Δt
3. От рода вещества

11. Табличные данные

12. При каких процессах тело получает энергию? При каких процессах тело отдает энергию?

13.

• Известные вам три состояния вещества (твёрдое,
жидкое, газообразное) называются агрегатными
состояниями.
• Молекулы одного и того же вещества в различных
агрегатных состояниях ничем не отличаются друг от
друга.
• Вещество можно перевести из одного агрегатного
состояние в другое (фазовый переход)

14.

Фазовый переход вещества:
сублимация (возгонка)
плавление (Q ↑)
ТВЁРДОЕ ТЕЛО
парообразование (Q↑)
ЖИДКОСТЬ
кристаллизация (Q↓)
ГАЗ
конденсация (Q↓)
десублимация

15.

Примеры фазового
перехода вещества
в природе:

16.

• Круговорот воды в природе:

17.

• Образование осадков:
ТУМАН

18.

•Образование осадков:
СНЕЖИНКИ, СНЕГ, ГРАД

19.

•Образование осадков:

20. Сублимация - переход из твердого вещества в газообразное.

Другое название сублимации – вазгонка.

21. Что такое сублимация?

Сублимация (возгонка) —
переход вещества из
твёрдого состояния сразу в
газообразное, минуя жидкое. При
возгонке изменяется удельный
объём вещества и
поглощается энергия (теплота
сублимации).
Обратным
процессом
является десублимация. Примером
десублимации
являются
такие атмосферные явления, как
иней на поверхности земли
и изморозь на ветвях деревьев и
проводах.

22.

1-2
Нагревание
твёрдого тела

23.

2-3
Плавление
твёрдого тела

24.

3-4
Нагревание
жидкости

25.

4-5
Парообразование

26.

Поглощение теплоты
5-6
Нагревание пара

27.

7
Поглощение теплоты
6-7
Охлаждение пара

28.

7
Поглощение теплоты
7-8
Конденсация

29.

7
Поглощение теплоты
8-9
Охлаждение
жидкости

30.

7
Поглощение теплоты
9-10
Кристаллизация

31.

7
Поглощение теплоты
10-11
Выделение теплоты
Охлаждение
твердого тела

32. Уравнение теплового баланса. Если в изолированной системе происходит теплообмен между несколькими телами, то

Q₁+Q₂+Q₃+…+Qn=0

33. Закон сохранения массы

Масса веществ в начальном
состоянии равна массе
веществ в конечном.

34.

Калориметр
– прибор для
измерения
количества
теплоты.

35. Алгоритм решения задач на уравнение теплового баланса

Записать краткое условие задачи.
Определить, какие вещества участвуют в
теплообмене.
Определить, какие тепловые процессы
происходят с этими веществами, и написать
формулы для этих тепловых процессов.
Используя записанные формулы, составить
уравнение теплового баланса, из которого
выразить искомую величину и вычислить ее.

36. ЗАДАЧА

Какое количество теплоты
необходимо, чтобы из льда массой
2 кг, взятого при температуре 10°C, получить пар при 100°C?

37.

38. Какие процессы происходят и с какой последовательностью?

1.Кристаллизация
2.Плавление
3.Нагревание
4.Конденсация
5.Сублимация
6.Охлаждение
7.Возгонка
8.Парообразование

39. Процессы

1.Нагревание (чего?) льда
….от-10°C до 0°C
2.Плавление(чего?) льда при 0°C
3.Нагревание(чего?) воды
….от 0°C до100°C
4.Парообразование или кипение воды
….при 100°C

40. 1-ый процесс

нагревание
2 кг
2 кг
лед
лед
- 10°C
С
0°C
Q1= m с (tпл – t1)
Л

41. 2-ой процесс

плавление
2кг
2кг
лед
вода
0°C
λ
Q2= λ m
0°C

42. 3-ий процесс

нагревание
2кг
2кг
вода
вода
0°C
C
100°С
Q3 = cв m (tк - tпл)

43. 4-ый процесс

2кг
кипение
вода
100°
C
2кг
пар
r
Q4 = r m
100°
C

44. Уравнение теплового баланса (Пренебрегая теплоемкостью сосуда и считая систему теплоизолированной) Q = Q1+Q2+Q3+Q4

Q4
Q
Q1
Q2
Q3

45.

46.

47.

Важнейшей проблемой в обучении
физике является развитие
самостоятельности учащихся при
решении задач, т. к. умение решать
задачи является одним из основных
показателей не только глубины
усвоения учебного материала по
физике, но и уровня развития
мышления учащихся.

48.

Среди законов физики, есть такие, которые очень
широко применяются в описании поведения тех или
иных систем. Одним из таких законов и является закон
сохранения энергии в тепловых процессах: то есть
энергия в природе не возникает из ничего и не
исчезает: количество энергии неизменно. Она только
переходит из одной формы в другую и если
теплообмен и совершаемая работа происходит только
между телами данной системы, то эта система
называется изолированной. Для такой системы
изменение внутренней энергии равно нулю и
суммарная работа в системе тоже равна нулю,
соответственно равно нулю и суммарное количество
отданного и полученного телами тепла. Для любой
изолированной системы при любых изменениях внутри
нее внутренняя энергия остается неизменной.

49.

Процессы
теплообмена
в
замкнутой
системе
тел
могут
приводить
к
охлаждению
одних
тел,
нагреванию
других, изменению фазового состояния
тел системы. Однако при любых процессах
в таких системах полное количество тепла
остается
неизменным.
Поэтому
выполняется закон сохранения энергии,
называемой в этом случае тепловым
балансом: количество тепла, отданное
всеми
остывшими
телами,
равно
количеству тепла, полученному всеми
нагревающимися телами.

50.

При решении такого рода задач следует:
1. Из анализа условия задачи установить какие тела в ходе каких
процессов обмена теплом образуют изолированную систему.
2. Определить какие тела, в ходе каких процессов отдают тепло.
Вычислить отданные теплоты для каждого тела, используя формулы:
Q1 = -r m
- при конденсации;
Q2 = с m (t2 — t1)
- при охлаждении;
Q3 = -λm
- при затвердении.
3. Определить какие тела, в ходе каких процессов получают тепло.
Вычислить полученные теплоты для каждого тела, используя
формулы:
Q4 =λm
- при плавлении;
Q5 = с m (t2-t1)
- при нагревании;
Q6 =rm
- при кипении.
4. На основании закона сохранения тепловой энергии в замкнутой
системе приравнять всю отданную телами теплоту всей полученной
теплоте и составить уравнение теплового баланса:
Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=0
5.Решить это уравнение, выражая побочные неизвестные из
дополнительных данных задачи.

51.

В латунный сосуд массой 0,2 кг содержащий 0,4 кг анилина при
температуре 10 С долили о,4 кг анилина при температуре 31 С. Найти
удельную теплоемкость анилина, если в сосуде установилась
температура 20 С. Удельная теплоемкость латуни 0,4 кДж/ кг С.

52.

В сосуд объемом V с теплонепроницаемыми стенками заполненный газом с
молярной массой м и температурой Т и давлением р, внесен медный
шарик массой m и температурой Т меди. Какая температура установится в
сосуде?

53.

В стеклянный сосуд массой 120 г и температурой 20 С налили горячую воду массой
200 г при температуре 100 С. Спустя 5 минут установилась температура 40 С.
Теряемое в единицу времени количество теплоты постоянно. Какое количество
теплоты терялось в единицу времени?

54.

Ванну объемом 100 л необходимо заполнить водой, имеющей
температуру 30 С, имея воду при температуре 80 С и лед при
температуре -20 С. Найти массу льда, который придется положить в
ванну.

55.

1.Кусок свинца массой 1 кг расплавили наполовину при сообщении ему
количества теплоты 54,5 кДж. Какова была начальная температура свинца.
Удельная теплоемкость свинца 130 Дж/кг С. Удельная теплота плавления
24 кДж/кг. Температура плавления свинца 600К.

56.

Итак, можно выделить следующий
алгоритм решения задач на «тепловой
баланс»:
-по данным задачи составить общее
уравнение теплового баланса;
-записать соответствующие равенства для
каждой из величин теплоты, входящих в
общее уравнение теплового баланса;
-подставить правые части записанных
равенств в уравнение теплового баланса;
-поменять местами слагаемые в скобках,
перед которыми стоит знак «минус»;
-выразить искомую величину из
полученного уравнения.

57.

Важное замечание. Предложенные в
настоящем разделе алгоритмы
можно освоить только в ходе
решения задач при неторопливом
применении «шаг за шагом».
шагом
за
шаг

58.

1. В конкретных задачах происходят не все типы
процессов, поэтому ряд слагаемых в уравнении
теплового баланса может отсутствовать.
2. Нужно помнить, что в процессе фазового перехода
температура тела не изменяется до тех пор, пока
переход не закончен.
3. Если конечной температурой является температура
фазового перехода, то в окончательном состоянии
могут сосуществовать две фазы(твердое тело и
жидкость, жидкость и пар).
4.Если кроме обмена теплом система совершает
механическую работу (или работа совершается над
системой), то следует от уравнения теплового баланса
перейти к I закону термодинамики в более общем
виде: Qотданное-Qполученное=A
где работа А подставляется с учетом знака.