На практике часто пользуются тепловыми расчётами. Например, при строительстве зданий необходимо учитывать, какое количество теплоты должна отдавать зданию вся система отопления. Следует также знать, какое количество теплоты будет уходить в окружающее пространство через окна, стены, двери. Покажем на примерах, как нужно вести простейшие расчёты.
Итак, необходимо узнать, какое количество теплоты получила при нагревании медная деталь. Её масса 2 кг, а температура увеличивалась от 20°С до 280°С. Вначале по таблице определим удельную теплоёмкость меди см = 400 Дж/кг* °С"
Это означает, что на нагревание детали из меди массой 1 кг на 1°С потребуется 400 Дж. Для нагревания медной детали массой 2 кг на 1°С необходимо в 2 раза большее количество теплоты — 800 Дж. Температуру медной детали необходимо увеличить не на 1°С, а на 260°С, значит, потребуется в 260 раз большее количество теплоты, т. е. 800 Дж. 260 = 208 000 Дж.
Определить, какое количество теплоты необходимо сообщить куску свинца массой 2 кг для его нагревания на 10 °С.
По таблице находим для свинца: 
(Ответ: Q = 2800 Дж.)
Какое количество теплоты отдает 5 л воды при охлаждении с 50 °С до 10 °С?
Так как плотность воды ρ = 1000 кг/м3, то масса воды равна:
(Ответ: Q = -840 кДж.)
Знак «-» в ответе указывает на то, что вода отдает тепло.
Домашняя работа.
Задание 1. Ответь на вопросы.
1.Что нужно знать, чтобы вычислить количество теплоты, полученное телом при нагревании?
2. Объясните на примере, как рассчитывают количество теплоты, сообщённое телу при его нагревании или выделяющееся при его охлаждении.
3. Напишите формулу для расчёта количества теплоты.
4. Какой вывод можно сделать из опыта по смешиванию холодной и горячей воды? Почему на практике эти энергии не равны?
Задание 2. Реши задачи.
Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры.
Цель работы: определить количество теплоты, отданное горячей водой и полученное холодной при теплообмене. Объяснить полученный результат.
Из учебника мы знаем, что при теплопередаче происходит переход энергии от одних тел к другим путем теплопроводности, излучения или конвекции. Энергия, которую получает или отдает тело при теплопередаче, называется количеством теплоты. Мы знаем также, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела (или выделяемое им при остывании), зависит от рода вещества, из которого оно состоит, от массы этого тела и от изменения его температуры.
Итак, понятно, что в процессе теплопередачи между двумя телами их температуры стремятся уравняться. Тело с более высокой температурой отдает некоторое количество теплоты, а тело с более низкой температурой получает это количество теплоты. Причем в идеальных условиях, когда два этих тела абсолютно изолированы от всего на свете, переданное количество теплоты должно быть равно полученному согласно закону сохранения энергии.
Однако, условия проводимого нами эксперимента безусловно далеки от идеальных. От горячей воды тепло передается не только холодной воде, но и калориметру, термометру, окружающему воздуху. Тем не менее, хотя мы и не получим входе эксперимента полного соответствия отданного количества теплоты полученному, эти показатели, если эксперимент выполнен аккуратно, должны быть близки. Ход работы описан в учебнике.
Пример выполнения работы.
Вычисления:
Количество теплоты, отданное горячей водой - 12600Дж.
Количество теплоты, полученное холодной водой - 10920Дж.
Вывод: Количество теплоты, полученное холодной водой близко к количеству теплоты, отданному горячей водой, что, с учетом далеких от идеальных условий эксперимента, можно считать равенством.
Контрольные вопросы:
1) Как определялась в эксперименте масса воды?
Через плотность по формуле m=pV, т.е. косвенно, без использования весов. Так как плотность воды 1 г/см 3 , то масса 100 мл = 100 см 3 будет 100г = 0,1 кг
2) Почему калориметр имеет двойные стенки?
Чтобы меньше терялась теплота в окружающую среду
3) Почему холодную воду надо брать комнатной температуры?
Чтобы её температура не изменялась из-за влияния воздуха в кабинете, т.к. она же не в калориметре
4) Будут ли равными изменения температуры и количество отданной и принятой теплоты, если использовать неравные массы теплой и холодной воды?
Изменения температуры не будут одинаковыми, а количество отданной и принятой теплоты будут равны
Суперзадание: объясните, как влияет на полученные результаты участие в теплообмене калориметра. Всегда ли можно этим влиянием пренебречь?
Ответ: Уравнение теплового баланса строго выполняется только в том случае, если система теплоизолирована. Хотя калориметр снижает потери энергии, связанные с теплопередачей в окружающую среду, тем не менее они остаются. Кроме того, есть потери за счёт теплообмена между водой и калориметром. Поэтому количество теплоты, одданное теплой водой, будет всегда больше, чем количество теплоты, полученное холодной водой. Если тёплую воду вливать в холодную, то различие между Q отд и Q пол будет больше, чем в случае, когда холодную воду добавляют в тёплую. Это обусловлено тем, что в первом случае потери энергии в окружающую среду будут частично скомпенсированы за счёт количества теплоты, которое холодной воде передают калориметр и термометр.
Учитель МОУ СОШ №8 г.Моздока РСО-Алания Сарахман И.Д. Решение задач на расчет количества теплоты Уроки физики в 8 классе
Проверим домашнее задание: Что называют количеством теплоты? Как зависит количество теплоты, необходимое для нагревания тела, от его массы? Как зависит количество теплоты, выделяющееся при охлаждении тела, от изменения температуры? Что называют удельной теплоёмкостью вещества? Удельная теплоёмкость льда 2100 Дж/кг.°С Что означает это выражение?
Лёд, вода и водяной пар – это одно и то же вещество, находящееся в разных агрегатных состояниях. Одинаковой ли удельной теплоёмкостью обладает вещество в разных агрегатных состояниях? Приведите формулу для расчёта количества теплоты. Посмотрите опыт и объясните его. Массы цилиндров одинаковы. Начальная температура одинакова. Почему же парафин неодинаково плавится под цилиндрами?
Подведём итог: Количество теплоты: Определяется по формуле Q = c m (t2 – t1) Q зависит от m Q зависит от?t 4. При охлаждении на?t выделяется такое же количество теплоты, какое затрачивается на нагревание тела на?t
Алгоритм решения задачи на расчет количества теплоты Запишите условие, задачи: а) обозначьте, какое вещество нагревается (охлаждается); б) заданные физические величины; в) сформулируйте вопрос задачи. Выразите, если необходимо, все величины в единицах СИ. Запишите формулу для расчёта количества теплоты. Выразите из неё искомую величину. Обозначьте полученную формулу (1).
Проанализируйте, все ли величины, входящие в формулу, известны. При необходимости, запишите формулы, по которым можно вычислить недостающие величины, обозначьте их цифрами (2), (3) и т.д. Подставьте формулы (2), (3) и т.д. в выражение (1). Получите окончательную формулу для расчёта искомой величины. Запишите под условием задачи все постоянные величины (удельная теплоёмкость, плотность и т.п.).
Выполните действие с размерностью физических величин. Если вы получили необходимую единицу измерения величины, переходите к расчёту. Если нужная единица измерения не получилась, проверьте, правильно ли вы вывели формулу. Сделайте расчёт искомой величины. Выразите ответ, используя кратные (или дольные) приставки (к, М, м, мк и т.п.) Запишите ответ, указав, какую именно величину вы определяли. Проверьте ответ «на глупость».
Решите задачи: 1. Какое количество теплоты необходимо для нагревания 2 кг воды в алюминиевом чайнике, масса которого 500 г, от 20 °С до кипения? 2. Сколько энергии выделяется при остывании от 70 °С до 20 °С кирпичной печи, сложенной из 500 кирпичей, если масса одного кирпича 1 кг? 3. Сколько литров кипятка нужно охладить до 20 °С, чтобы выделилось 1680 кДж теплоты?
Домашнее задание: § 9, упр.4
Цель урока: способствовать закреплению знаний учащихся по теме «Количество теплоты» через решение задач.
Задачи урока:
Образовательные: закрепить понятие количества теплоты, удельной теплоемкости вещества, формулу на расчет количества теплоты при теплообмене;
Развивающие: способствовать развитию умения работать с расчетными формулами, таблицами, выводить искомую величину из формулы при решении расчетных задач, способствовать развитию речи (владение физическими понятиями, терминами), развитию познавательного интереса учащихся.
Воспитательные: создать условия для формирования научного мировоззрения, воспитанию устойчивого интереса к предмету, положительного отношения к знаниям, способности выслушивать точку зрения сверстников.
Оборудование: доска, дидактический материал (сборник задач В.И. Лукашик и карточки с задачами).
Ходу урока
| Этап урока | Деятельность учителя | Деятельность учеников |
| Организационный этап | Учитель приветствует учеников и членов комиссии. Отмечает отсутствующих. Проверяет готовность к уроку. Задает домашнее задание (задачи из сборника В. И. Лукашик №804-806) | Ученики приветствуют учителя. Записывают домашнее задание в дневник. |
| Актуализация знаний |
Учитель проводит беседу с учащимися. Ребята, что мы узнали нового на прошлых уроках? С чем познакомились? А что такое внутренняя энергия? Какие способы изменения внутренней энергии вы знаете? Какая физическая величина характеризует процесс теплопередачи? В каком случае количество теплоты больше нуля? В каком случае меньше нуля? От каких величин зависит количество теплоты? Что показывает удельная теплоемкость вещества? Молодцы! Давайте запишем тему урока «Расчет количества теплоты при теплообмене». Исходя из темы урока, чему вы сегодня должны научиться? |
Ученики слушают учителя, отвечают на вопросы. Мы узнали, что все тела обладают внутренней энергией. Это сумма кинетической энергии движущихся частиц и потенциальная энергия их взаимодействия. Совершение работы над телом или самим телом и теплопередача. Количество теплоты. Когда тело получает энергию. Когда тело отдает энергию. Ученик выходит к доске и записывает формулу Q = cm (t 2 - t 1 ) От массы тела, изменения температуры тела и удельной теплоемкости вещества. Удельная теплоемкость вещества показывает, какое количество теплоты получает или отдает тело массой 1 кг при изменении его температуры на 1 0 С. Сегодня на уроке мы должны научиться рассчитывать количество теплоты при теплообмене. |
| Изучение нового материала. |
Учитель предлагает ученикам устно решить задачу из сборника задач В. И. Лукашик №783. Затем учитель предлагает решить расчетную задачу в тетрадях №796. Одному ученику решить у доски . |
Ученики читают условие задачи. Один ученик отвечает, другие слушаю его ответ, и сравнивают со свои, в случае противоречия высказывают свою точку зрения. Ученики решают задачу в тетрадях. Один ученик решает у доски. |
| Закрепление материала | Учитель предлагает решить задачи на карточках самостоятельно. Приложение 1. Задачи, помеченные красным прямоугольником, рассчитаны на отметку 3, желтым прямоугольником на 4, и зеленым на отметку 5. Задачи, отмеченные звездочкой, являются дополнительными. | Ученики самостоятельно решают задачи. |
| Подведение итогов | Ребята, время подходит к концу, прошу заканчивать свою работу. Передайте задачи с последних парт. Какие трудности возникли при решении задач? Учитель еще раз делает пояснения. Как вы думаете, вы научились решать задачи на расчет количества теплоты при теплообмене? Сегодня вы молодцы, хорошо поработали, оценки за самостоятельную работу вы узнаете на следующем уроке. | Ученики заканчивают решение задач. Передают свои работы учителю. Ученик рассказывают о трудностях, с которыми столкнулись во время выполнения работы. Отвечают на вопросы учителя. |
Приложение 1.
Расчет количества теплоты. Вариант 1.
1. Какое количество теплоты потребуется для нагревания латуни массой 1 г на 10С? Дайте краткий ответ.
2. Какое количество теплоты потребуется для нагревания латуни массой 250 г на 10С?
3. Какое количество теплоты потребуется для нагревания воды массой 0,5 кг от 200С до 6200С?
4. Алюминиевую ложку массой 50 г при температуре 200С опускают в горячую воду при температуре 700С. Какое количество теплоты получит ложка?
5. На сколько градусов нагреется цинковая деталь массой 40 г, если ей сообщить 760 Дж энергии?
Расчет количества теплоты. Вариант 2.
1. Какое количество теплоты отдаст в окружающее пространство медь массой 1 кг, охлаждаясь на 10С? Дайте краткий ответ.
2. Какое количество теплоты отдаст в окружающее пространство медь массой 5 кг, охлаждаясь на 10С?
3. Какое количество теплоты надо сообщить воде массой 1 кг, чтобы повысить ее температуру 200С до 700С?
4. Железный утюг массой 3 кг при включении в электрическую сеть нагрелся от 200С до 1200С. Какое количество теплоты получил утюг?
5. Какую массу воды можно нагреть от 150С до 450С, затратив для этого 1260 кДж энергии?
Расчет количества теплоты. Вариант 3.
1. Какое количество теплоты потребуется для нагревания цинка массой 1 кг на 10С? Дайте краткий ответ.
2. Какое количество теплоты потребуется для нагревания цинка массой 10 кг на 10С?
3. Какое количество теплоты отдаст вода массой 10 кг, охлаждаясь от 160С до 150С?
4. Медную деталь массой 100 г нужно нагреть от 25 до 5250С. Какое количество теплоты требуется для этого?
5. На сколько градусов остынет вода массой 100 кг, если в окружающее пространство будет отдано 1680 кДж энергии?
Расчет количества теплоты. Вариант 4.
1. Какое количество теплоты потребуется для нагревания меди массой 1 кг на 10С? Дайте краткий ответ.
2. Какое количество теплоты потребуется для нагревания меди массой 100 г на 10С?
3. Какое количество теплоты потребуется для нагревания меди массой 100 г от 15 до 850С?
4. Медный паяльник остывает от 200 до 1500С. Вычислите количество теплоты, которое отдаст паяльник в окружающее пространство, если его масса 250 г.
5. Какое количество воды можно нагреть от 10 до 600С, затратив для этого 210 кДж энергии?
О. С. Усольцева, МБОУ СОШ ГО ЗАТО Сибирский, Алтайский край
