FIZYKA 2
PRZEMIANY ENERGII W ZJAWISKACH CIEPLNYCH
I ENERGIA WEWNĘTRZNA CIAŁA I JEJ ZMIANA PRZEZ WYKONANIE PROCY
Wzrost średniej energii kinetycznej chaotycznego ruchu cząsteczek ciała objawia się wzrostem jego temperatury;
Najważniejsze składniki energii wewnętrznej Ew ciała to:
- energia kinetyczna chaotycznie poruszających się cząsteczek;
- energia potencjalna, która wynika ze wzajemnego oddziaływania siłami międzycząsteczkowymi;
Energię wewnętrzną ciała możemy zwiększyć, wykonując pracę W np. przy pokonywaniu tarcia:
∆ Ew = W Energia wewnętrzna = praca
(pocieranie termometru, wiertnie w drewnie, pocieranie wzajemnie o siebie rąk)
Ze przemianą energii wewnętrznej na pracę spotykamy się np. w silnikach samochodowych, jednak część energii wewnętrznej idzie na straty i praca jest wykonywana jedynie w kilkunastu procentach;
II CIEPLNY PRZEPŁYW ENERGII – PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI
Innym sposobem zmiany energii wewnętrznej ciała, poza wykonywaniem pracy, jest przekazywanie ciepła Q ciału o niższej temperaturze przez ciało o temperaturze wyższej
∆ Ew = Q Zmiana energii wewnętrznej = ciepło
(kuleczki plasteliny umieszczone na metalowym pręcie, ogrzewane z końca pręta)
Pierwsza zasada termodynamiki informuje nas o tym, jak można zmienić energię wewnętrzną ciała i czemu jest równa ta zmiana:
∆ Ew = W + Q
W – wykonana praca
Q – wymienione ciepło
< metalowa łyżeczka w ciepłej herbacie szybko się nagrzewa, a plastikowa nie; próżnia w termosie uniemożliwia wydostanie się ciepła i zimna = przewodnictwo; nowoczesne podwójne szyby, które nie wypuszczają ciepła gdyż znajduje się między nimi rozrzedzony gaz; w pokoju odbywa się wędrówka prądów powietrza – ciepłe unosi się w górę, a na jego miejsce wchodzi zimne które też się ogrzewa = konwokacja; kuchenki mikrofalowe = promieniowanie >
III CIAŁA POD WPŁYWEM WZROSTU TEMPERATURY ROZSZERZAJĄ SIĘ
Doświadczenia:
Ogrzewanie metalowej kulki i przeciskanie jej przez pierścień Gravesanda:
- zimna kulka przechodzi przez większy otwór, a przez mniejszy nie
- ogrzana kulka nie przechodzi przez żaden otwór
- schłodzona kulka znów przechodzi tylko przez większy otwór
- przez ogrzany mniejszy otwór przechodzi kulka
- przez chłodzony mniejszy otwór nie przechodzi kulka
Ogrzewanie wody w kolbie z rurką:
- woda zimna – jej poziom znajduje się tuż pod korkiem
- po ogrzaniu woda wypełnia rurkę a nawet się z niej wylewa
- po schłodzeniu w zimnej wodzie, poziom wody w kolbie znów się obniża
Ogrzewanie powietrza w probówce, z rurką odprowadzającą do naczynia z wodą:
- zimna probówka – brak pęcherzyków powietrza w wodzie
- po ogrzaniu probówki pojawiają się pęcherzyki powietrza
Wnioski:
Wszystkie substancje ze wzrostem temperatury powiększają swoją objętość.
Wykonane z różnych substancji, ciała o jednakowych objętościach, ogrzane o tę samą liczbę stopni, rozszerzają się niejednakowo
Wyjątek stanowi woda w zakresie od 0°C do +4°C (zbiorniki wody = anomalna temperatura wody = na dnie jest największa objętość a największa gęstość)
Zastosowanie:
Ciała stałe a linie wysokiego napięcia (latem zwisają a zimą są napięte), szyny na torach (latem się powiększają i dlatego muszą być między nimi odstępy) = zwiększenie długości, szerokości i wysokości
Ciecze a gotowanie ciepłych potraw, termometry
Gazy – loty balonem
- Połączenie ze sobą dwóch pasków z różnych metali, z których jeden bardziej się rozszerza pod wpływem ciepła, a drugi mniej, powoduje wygięcie paska = taśma bimetalowa;
IV CIEPŁO WŁAŚCIWE
Ciepło właściwe (c) informuje o tym ile ciepła (energii) należy dostarczyć do 1kg substancji, aby ogrzać ją o 1°C (K).
- Oziębianie ciała – spadek temperatury – odbieranie ciepła (energii)
- Ogrzewanie ciała – wzrost temperatury – dostarczanie ciepła (energii)
Q ~ ∆T * m Dostarczanie ciepła (jest wprost proporcjonalne do) zmiana temperatury * masa
c = Q / ∆T * m [c] = [J / kg * °C]
Ciepło właściwe = dostarczanie ciepła / masę * zmiana temperatury
Q = m * c * ∆T Dostarczone ciepło = masa * ciepło właściwe * zmiana temperatury
Każda substancja ma inne ciepło właściwe
Ciepło właściwe wody wynosi 4200 [J/kg*`C)
32 ZADANIA:
1. Ile energii trzeba dostarczyć, aby ogrzać szklankę wody (m=250g) od temp. 2O`C do 50`c?
∆t = 50`C – 20`C = 30`C = 30K
m = 250g = 0,25kg
c H2O = 4200 [J/kg*`C]
Q = c * m * ∆t = 4200 [J/kg*K] * 0,25 [kg] * 30 [K] = 31500 [J]
2. Ile energii należy dostarczyć, aby ogrzać 0,5l wody od temp. 20`C do 80`C?
∆t = 80`C – 20`C = 60`C
m = 0,5 kg
Q = c * m * ∆t = 4200 [J/kg*K] * 0,5 [kg] * 60 [`C] = 126000 [J] = 126 [kJ]
3. Ile wynosi cieplny przepływ energii, przy ogrzewaniu masy 1kg wody od temp. 20`C do 40`C?
∆t = 40`C – 20`C = 20`C
m = 1 kg
Q = c * m * ∆t = 4200 [J/kg*K] * 1 [kg] * 20 [`C] = 84000 [J] = 84 [kJ]
V-VI TOPNIENIE I KRZEPNIĘCIE, PAROWANIE I SKRAPLANIA, RESUBLIMACJA I SUBLIMACJA
Topnienie to przejście ze stanu stałego w stan ciekły
Ciepło topnienia (Ct) informuje jaką ilość energii (ciepła) należy dostarczyć ciału o masie 1kg, aby bez zmiany temperatury, całkowicie ciało stopić;
Ct = O / m [J / kg] Q = Ct * m
(lód z wodą w szklance – zaczęło się ogrzewać dopiero po całkowitym stopnieniu lodu, łyżeczka położona na lodach; podczas topnienia wosku, temp. wzrasta)
Krzepnięcie to przejście ze stanu ciekłego w stan stały
Ciepło krzepnięcia (Ck) informuje jaką ilość energii (ciepła) należy odebrać cieczy o masie 1kg, aby bez zmiany temperatury, zakrzepła;
Ck = O / m [J / kg] Q = Ct * m Ct = CK
(lód z wodą w szklance w lodówce – temp. zaczęła spadać dopiero po całkowitym zakrzepnięciu)
Parowanie to przejście ze stanu ciekłego w stan gazowy
Ciepło parowania (Cp) informuje jaką ilość energii (ciepła) należy dostarczyć cieczy o masie 1kg, aby bez zmiany temperatury, wyparowała;
Cp = O / m [J / kg] Q = Ct * m
(temperatura wrzącej wody pozostaje taka sama; parowanie zachodzi w każdej temperaturze)
Skraplanie to przejście ze stanu gazowego w stan ciekły
Ciepło skraplania (Cs) informuje jaką ilość energii (ciepła) należy odebrać od gazu o masie 1kg, aby bez zmiany temperatury, całkowicie się skroplił;
Cs = O / m [J / kg] Q = Ct * m Cp = Cs
Sublimacja to bezpośrednie przejście ze stanu stałego w stan lotny
(kostki zapachowe w WC, naftalina tzn. kule na mole, mokra bielizna na mrozie)
Resublimacja to bezpośrednie przejście ze stanu gazowego w stan stały
(szron na drzewach – para wodna zamarzła)
Gosha7