Что называют теплопередачей?
Теплопередачей называют процесс передачи внутренней энергии от более тёплого тела к более холодному в результате их теплового взаимодействия.
Какие существуют виды теплопередачи?
Существуют три вида теплопередачи. Первый, теплопроводность, при котором энергия передаётся внутри или между твёрдыми телами и внутри покоящихся сред за счёт взаимодействия частиц. Второй, конвекция, когда перенос энергии осуществляется макроскопическим перемещением тёплых слоёв жидкости или газа. Третий, излучение, когда энергия переносится электромагнитными волнами, это не требует вещества и происходит, в том числе, от нагретых тел в вакууме.
1. Какую физическую величину называют количеством теплоты?
Количеством теплоты называют физическую величину, равную количеству переданной или полученной телом энергии при теплопередаче. Обозначается Q.
2. Какова единица количества теплоты?
Единица количества теплоты в СИ это джоуль, обозначение J.
3. От каких величин зависит количество теплоты, переданное телу при нагревании?
При нагревании количество теплоты, переданное телу, зависит от массы тела m, удельной теплоёмкости вещества c и величины изменения температуры ΔT. При отсутствии фазовых переходов взаимосвязь записывают так, Q = m · c · ΔT. Если в процессе происходит фазовый переход, количество теплоты зависит также от соответствующей удельной теплоты плавления или парообразования и массы переходящей части.
4. Телу при нагревании передано количество теплоты 100 Дж. Как изменилась при этом его внутренняя энергия? Какое количество теплоты отдаст это тело, если при остывании его температура изменится на столько же градусов, что и при нагревании? Как при остывании изменится его внутренняя энергия?
Если телу при нагревании передано количество теплоты 100 джоулей, и при этом не совершалась работа системой и не происходило фазовых превращений, внутренняя энергия тела возросла на 100 дж. При остывании на ту же величину температуры тело отдаст 100 джоулей, и его внутренняя энергия уменьшится на 100 джоулей.
5. Какую физическую величину называют удельной теплоёмкостью вещества?
Удельной теплоёмкостью вещества называют физическую величину, равную количеству теплоты, которое нужно передать единице массы вещества, чтобы изменить его температуру на 1 градус. Обозначают c, единица СИ джоуль на килограмм на кельвин, J/(kg·K).
6. Сравните удельную теплоёмкость стали и алюминия. Сравните количество теплоты, которое необходимо затратить для нагревания стальной и алюминиевой деталей одинаковой массы при одинаковом изменении температуры.
Удельная теплоёмкость стали примерно вдвое меньше удельной теплоёмкости алюминия. Типичные значения: сталь около 460 J/(kg·K), алюминий около 900 J/(kg·K). Следовательно, для нагревания стальной и алюминиевой деталей одинаковой массы при одинаковом изменении температуры потребуется разное количество теплоты, и для алюминиевой детали его будет примерно вдве больше, чем для стальной, потому что Q = m · c · ΔT и у алюминия c значительно больше.
1. Почему в радиаторах водяного отопления используется вода?
В радиаторах водяного отопления используется вода потому, что она обладает большой удельной теплоёмкостью: на единицу массы вода запасает и переносит гораздо больше тепла, чем большинство строительных материалов и металлов. Это даёт возможность аккумулировать и передавать тепло эффективно, требуя меньше массы теплоносителя. Кроме того, вода доступна, недорога, нетоксична, имеет хорошую теплопроводность и при рабочих температурах систем отопления остаётся в жидком состоянии (в припореном контуре можно повысить давление и увеличить температуру кипения), а её вязкость и свойства удобны для перекачки насосами.
2. Представьте значения удельной теплоёмкости серебра, меди, стали, графита и алюминия в виде столбчатой диаграммы.
3. Какое количество теплоты необходимо сообщить 5 л воды при нагревании её от комнатной температуры (20 °С) до кипения (100 °С)?
Для нагревания 5 л воды (5,0 кг) от 20 °C до 100 °C (ΔT = 80 K) требуется Q = m·c·ΔT = 5·4186·80 = 1 674 400 Дж (приблизительно 1,67·10^6 Дж).
4. Какое количество теплоты выделяется при остывании стальной детали массой 500 кг от 300 до 50 °С?
При остывании стальной детали массой 500 кг от 300 до 50 °C (ΔT = 250 K) выделяется Q = m·c·ΔT = 500·460·250 = 57 500 000 Дж, то есть 5,75·10^7 Дж.
5. Чему равна удельная теплоёмкость серебра, если при охлаждении серебряной ложки массой 50 г от 80 до 30 °С выделилось количество теплоты 625 Дж?
Удельная теплоёмкость серебра по данным задачи находится из c = Q/(m·ΔT). Подставляя Q = 625 Дж, m = 0,05 кг, ΔT = 50 K, получаем c = 625/(0,05·50) = 250 J/(kg·K).
6. Чему равна масса куска меди, если на его нагревание от 10 до 210 °С было затрачено количество теплоты 16 000 кДж?
Масса куска меди при Q = 16 000 кДж = 1,6·10^7 Дж, ΔT = 200 K и c(медь) ≈ 385 J/(kg·K) равна m = Q/(c·ΔT) = 16 000 000/(385·200) ≈ 207,8 кг.