Внутренняя энергия вещества и способы ее изменения | теория по физике 🧲 термодинамика

Определение

Внутренняя энергия сосредоточена «внутри» вещества и складывается из потенциальной энергии взаимодействующих молекул (атомов) и кинетической энергии их движения:

$U = \sum E_{k 0} + \sum E_{p 0}$

$\sum E_{k 0}$ — кинетическая энергия молекул (атомов), которая зависит от скорости их движения. Она изменяется только при изменении температуры. В процессе агрегатных переходов кинетическая энергия молекул остается неизменной.

$\sum E_{p 0}$ — потенциальная энергия взаимодействия молекул, которая зависит от расстояния между ними. Она изменяется при изменении температуры и объема. Например, в процессе агрегатных переходов изменяется именно потенциальная энергия молекул.

Способы изменения внутренней энергии:

Совершение работы (за счет трения или ударов).
Испарение (в процессе испарения внутренняя энергия жидкости понижается).
Теплопередача (приведение в соприкосновение с более холодным или более нагретым телом).

Виды теплопередачи

Выделяют три вида теплопередачи: теплопроводность, конфекцию и излучение.

Теплопроводность

Определение

Теплопроводность — способность тел переносить внутреннюю энергию без переноса вещества от более нагретых участков тела к более холодным.

При теплопроводности происходит постепенное увеличение скорости движения молекул. Это возможно только благодаря межмолекулярному взаимодействию. Поэтому теплопроводность в твердых телах происходит быстрее, чем в жидкостях. В газах она осуществляется еще медленнее. Для сохранения тепла используют пористые материалы, в которых много воздуха. Воздух — это смесь газов, поэтому он плохо переводит тепло.

Важно! В вакууме теплопроводность невозможна.

Конвекция

Определение

Конвекция — это перенос внутренней энергии, сопровождающийся переносом вещества.

При конвекции теплые слои жидкости или газа поднимаются, а холодные опускаются. Конвекция осуществляется только в жидкостях и газах.

Важно! В твердых телах и в вакууме конвекция невозможна.

Излучение

Определение

Излучение — это перенос теплоты в пространстве, осуществляемый в результате распространения электромагнитных волн, энергия которых при взаимодействии с веществом переходит в тепло.

Энергию излучают все нагретые тела. Чем больше нагрето тело, тем сильнее излучение. Теплопередача за счет излучения возможна в любой среде, в том числе и в вакууме.

Темные поверхности хорошо поглощают излучение, но быстро отдают энергию при охлаждении. Зеркальные и светлые поверхности отражают часть излучения и медленно остывают.

Количество теплоты

Определение

Количество теплоты Q (Дж) — физическая величина, которая показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия вещества в процессе теплопередачи:

$Q = \pm U$

Если внутренняя энергия вещества увеличивается, то Q > 0. Это происходит при нагревании, плавлении и кипении.

Если внутренняя энергия вещества уменьшается, Q < 0. Это происходит при охлаждении, отвердевании и конденсации.

Нагревание и охлаждение вещества

Формула теплоты при нагревании или охлаждении

При нагревании или охлаждении вещество получает (отдает) количество теплоты, определяемое по формуле:

$Q = c m Δ t = c m (t - t_{0})$

∆t — изменение температуры вещества (в ^оС или К), t₀ — начальная температура вещества, t — конечная температура вещества, m — его масса (кг), c — удельная теплоемкость вещества (Дж/(кг∙К)).

Удельная теплоемкость вещества показывает, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 градус. Такое же количество теплоты выделится при охлаждении 1 кг этого вещества на 1 градус.

Внимание! Удельная теплоемкость вещества — табличная величина.

Количество теплоты также определяется формулой:

$Q = C Δ T$

∆T — изменение температуры в Кельвинах, а C — теплоемкость вещества.

Теплоемкость вещества показывает, сколько теплоты поглощает тело при нагревании на 1 К. Измеряется в Дж/кг. Численно теплоемкость равна произведению массы вещества на его удельную теплоемкость:

$C = c m$

Пример №1. Температура медного образца массой 100 г увеличилась на 40 ^оС. Какое количество теплоты получил образец? Удельная теплоемкость меди равна 380 Дж/(кг∙К).

100 г = 0,1 кг

$Q = c m Δ t = 380 \cdot 0, 1 \cdot 40 = 1520 (Д ж)$

Сгорание топлива

Формула теплоты при сгорании топлива

При сгорании топлива выделяется количество теплоты, определяемое формулой:

$Q = q m$

m — масса сгоревшего топлива (кг), q — удельная теплота сгорания топлива (Дж/кг).

Удельная теплота сгорания показывает, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг данного вида топлива.

Внимание! Удельная теплота сгорания — табличная величина.

Пример №2. Сгорело 5 сухих березовых поленьев. Каждый весил 1 кг. Определить, количество выделенной теплоты, если удельная теплота сгорания березовых дров составляет 15 МДж/кг.

15МДж = 15∙10⁹ Дж

Так как сгорело 5 поленьев по 1 кг, то всего сгорело 5 кг сухих березовых дров. Отсюда:

$Q = q m = 5 \cdot 15 \cdot 10^{9} = 75 \cdot 10^{9} (Д ж) = 75 (М Д ж)$

Текст: Алиса Никитина, 7.2k 👀

Задание ЕГЭ-Ф-ДВ2023-8

Температура куска металла с удельной теплоёмкостью 900 Дж/(кг∙К) понизилась со 120 °С до 40 °С. При этом выделилось количество теплоты, равное 108 кДж. Чему равна масса этого куска металла? Ответ дайте в кг.

Алгоритм решения:

Записать исходные данные.
Перевести единицы измерения величин в СИ.
Записать формулу количества теплоты для описанного в задаче процесса.
Выразить искомую величину (массу вещества).
Подставить известные величины и сделать вычисления.

Решение:

Запишем исходные данные:

Удельная теплоемкость куска металла: c = 900 Дж/(кг∙К).
Начальная температура куска металла: t₁ = 120 ^оС.
Конечная температура куска металла: t₂ = 40 ^оС.
Выделенное количество теплоты: Q = 108 кДж.

Так как нас будет интересовать только изменение температуры, переводить градусы Цельсия в Кельвины нет необходимости. Но выделенное количество теплоты необходимо преобразовать в Джоули:

Q = 108 кДж = 108∙10³ Дж

В описанном процессе кусок металла находится в твердом состоянии и не испытывает фазовых переходов. Он лишь остывает, высвобождая некоторое количество теплоты. Следовательно, количество теплоты определяется формулой:

Тогда:

Отсюда масса равна:

Подставляем известные данные и делаем вычисления:

Ответ: 1,5

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF17492

Четыре металлических бруска положили вплотную друг к другу, как показано на рисунке. Стрелки указывают направление теплопередачи от бруска к бруску. Температуры брусков в данный момент 100°С, 80°С, 60°С, 40°С. Температуру 40°С имеет брусок

Алгоритм решения

Определить тип теплопередачи.
Вспомнить, как происходит этот тип теплопередачи.
Сделав анализ рисунка, установить, какой брусок имеет указанную в задаче температуру.

Решение

Так как это твердые тела, поверхности которых соприкасаются друг с другом, и перенос тепла происходит без переноса вещества, то этот вид теплопередачи является теплопроводностью. Тепло всегда направлено от более нагретого тела к менее нагретому.

На рисунке видно, что самым нагретым телом является нижний брусок, так как он только отдает тепло, но не принимает его. Средний брусок справа менее нагрет, чем нижний, так как принимает от него тепло. Но он более теплый по сравнению со средним бруском слева, так как он делится с ним теплом. И оба этих бруска отдают свою энергию верхнему бруску, который сам только принимает тепло, но не отдает его. Следовательно, именно он имеет температуру +40 ^оС.

Ответ: A

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF17563

Какую массу воды можно нагреть до кипения при сжигании в костре 1,8 кг сухих дров, если в окружающую среду рассеивается 95% тепла от их сжигания? Начальная температура воды 10 ^оС, удельная теплота сгорания сухих дров λ = 8,3

\cdot

10⁶ Дж/кг.

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.

2.Записать формулу для расчета количества теплоты, необходимого для нагревания вещества.

3.Записать формулу для расчета количества теплоты, выделенного при сгорании топлива.

4.Сделать общее решение.

5.Подставить известные данные и произвести вычисления.

Решение

Запишем исходные данные:

• Начальная температура воды: t₀ = 10 ^oC.

• Конечная температура воды: t_кип = 100 ^oC.

• Масса дров: m_д = 1,8 кг.

• Удельная теплота сгорания дров: λ = 8,3∙10⁶ Дж/кг.

• Удельная теплоемкость воды: c = 4200 Дж/(кг∙К).

• Процент рассеивания тепла от горящих дров в окружающую среду: 95%.

Вода при нагревании до температуры кипения получит следующее количество теплоты:

$Q_{1} = c m_{в} (t_{к и п} - t_{0})$

При полном сгорании дров выделится следующее количество теплоты:

$Q_{2} = λ m_{д}$

Так как в окружающую среду выделится 95% тепла, то вода получит лишь 5%. Следовательно:

$Q_{1} = 0, 05 Q_{2}$

Отсюда:

$c m_{в} (t_{к и п} - t_{0}) = 0, 05 λ m_{д}$

$m_{в} = \frac{0, 05 λ m_{д}}{c (t_{к и п} - t_{0})}$

$m_{в} = \frac{0, 05 \cdot 8, 3 \cdot 10^{6} \cdot 1, 8}{4200 (100 - 10)} \approx 1, 98 (к г)$

Округлим ответ до целых и получим 2 кг воды.

Ответ: 2

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF17701

На рисунке изображён график зависимости температуры тела от подводимого к нему количества теплоты. Удельная теплоёмкость вещества этого тела равна 500 Дж/(кг⋅К). Чему равна масса тела?

Ответ:

а) 1 кг

б) 2 кг

в) 3 кг

г) 4 кг

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения величин в СИ.

2.По графику определить начальную температуру вещества.

3.Выбрать любую точку графика для определения количества теплоты и конечной температуры вещества.

4.Записать количество теплоты, которое получает тело при нагревании.

5.Выполнить решение в общем виде.

6.Вычислить массу, подставив данные, полученные из графика.

Решение

Запишем исходные данные и те данные, что получится выделить из графика:

• Удельная теплоемкость вещества: c = 500 Дж/(кг∙К).

• Начальная температура вещества: t₀ = 320 К.

• Конечная температура вещества: t = 380 К.

• Количество полученной теплоты: Q = 60 кДж.

60 кДж = 60∙10³ Дж

Количество теплоты вычисляется по формуле:

$Q = c m (t - t_{0})$

Отсюда масса вещества равна:

$m = \frac{Q}{c (t - t_{0})} = \frac{60 \cdot 10^{3}}{500 (380 - 320)} = 2 (к г)$

Ответ: б

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

ЕГЭ по физике

Вся теория

• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

2 комментариев

Konstantin Shvetski

04.12.2020 в 08:15 Войдите, чтобы ответить

Существенная ошибка: [color=blue][/color]
[color=blue]C=cm — теплоемкость [/color][color=red]вещества.[/color]
Правильно: [color=blue]C=cm — теплоемкость тела.[/color]
У вещества может быть только [i]удельная теплоемкость[/i] (т.е., в расчете на 1 кг).
А у тела, изготовленного из этого вещества — просто [i]теплоемкость[/i].
- Алиса Никитина
  
  05.12.2020 в 04:09 Войдите, чтобы ответить
  
  Здравствуйте, Константин. Вы правы, теплоемкостью обладает тело. Еще теплоемкостью обладает вещество, которое имеет массу m. Еще теплоемкостью обладает система.
  
  Удельная теплоемкость — понятие, применимое к единичной массе вещества. Теплоемкость — понятие, применимое к любым веществам, телам и системам, масса которых отличается от единичной.
  
  Все зависит от контекста. К примеру, если говорить о воде как веществе вообще, то теплоемкости у нее нет. Но если говорить о воде, которая налита в чашку, то, говоря «теплоемкость воды», мы будем иметь в виду теплоемкость воды, налитой в чашку.
  
  В материале идет речь о веществе массы m. И если вы будете использовать вместо этого понятие «тело» — это тоже будет правильно.
  
  Понятие «теплоемкость вещества» используется Громцевой О.И., Иродовым И.Е.

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.