Обложка
Старо издание на учебника! отвори актуално издание

41. Топлинни Явления (Обобщение)

Урок 41 съдържа следните групи задачи:

Избери решение на задача:

Задача 1 (безплатна)

Кратко решение

\[ \begin{array}{|l|c|c|} \hline \textbf{Величина / Процес} & \textbf{Формула} & \textbf{Единица} \\ \hline \text{Температура} & T = t + 273,15 & \text{K} \\ \text{Нагряване / Охлаждане} & Q = cm\Delta t & \text{J} \\ \text{Топене / Втвърдяване} & Q = \lambda m & \text{J} \\ \text{Изпарение / Кондензация} & Q = rm & \text{J} \\ \text{Работа на газ} & A' = p\Delta V & \text{J} \\ \text{I принцип на термодинамиката} & \Delta U = Q - A' & \text{J} \\ \text{Изотермен процес } (T=\text{const}) & p_1 V_1 = p_2 V_2 & - \\ \text{Изохорен процес } (V=\text{const}) & \frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2} & - \\ \text{Изобарен процес } (p=\text{const}) & \frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2} & - \\ \text{КПД на топлинна машина} & \eta = \frac{A'}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1} & - \\ \hline \end{array} \]

Подробно решение

Стъпка 1: Основни величини при топлинните явления

Основните величини, описващи топлинните свойства и процеси в термодинамиката за 8. клас, са: \[ \begin{array}{|l|c|c|l|} \hline \textbf{Физична величина} & \textbf{Означение} & \textbf{Мерна единица} & \textbf{Формула / Определение} \\ \hline \text{Абсолютна температура} & T & \text{K (келвин)} & T = t + 273,15 \\ \hline \text{Количество топлина} & Q & \text{J (джаул)} & Q = c m \Delta t \\ \hline \text{Вътрешна енергия} & U & \text{J (джаул)} & U = E_k + E_p \text{ (на частиците)} \\ \hline \text{Специфичен топлинен капацитет} & c & \frac{\text{J}}{\text{kg}\cdot^{\circ}\text{C}} & c = \frac{Q}{m\Delta t} \\ \hline \text{Специфична топлина на топене} & \lambda & \frac{\text{J}}{\text{kg}} & Q = \lambda m \\ \hline \text{Специфична топлина на изпарение} & r & \frac{\text{J}}{\text{kg}} & Q = r m \\ \hline \text{Работа при изобарен процес} & A' & \text{J (джаул)} & A' = p\Delta V \\ \hline \text{Коефициент на полезно действие (КПД)} & \eta & - \text{ или } \% & \eta = \frac{A'}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1} \\ \hline \end{array} \]

Стъпка 2: Основни закони и процеси при идеалния газ

Закономерностите при основните изопроцеси (\(m = \text{const}\)) и принципите на термодинамиката са: \[ \begin{array}{|l|c|l|} \hline \textbf{Закон / Процес} & \textbf{Условие} & \textbf{Зависимост / Формула} \\ \hline \text{Изотермен процес} & T = \text{const} & p_1 V_1 = p_2 V_2 \quad (\Delta U = 0) \\ \hline \text{Изохорен процес} & V = \text{const} & \frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2} \quad (A' = 0) \\ \hline \text{Изобарен процес} & p = \text{const} & \frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2} \\ \hline \text{Първи принцип на термодинамиката} & - & \Delta U = Q + A \text{ или } \Delta U = Q - A' \\ \hline \text{Топлинен баланс} & \text{Изолирана система} & Q_{\text{получено}} = Q_{\text{отдадено}} \\ \hline \end{array} \]

Кратък запис на решението:

\[ \begin{array}{|l|l|} \hline T = t + 273,15\text{ K} & Q = cm\Delta t \\ Q = \lambda m & Q = rm \\ A' = p\Delta V & \Delta U = Q - A' \\ p_1V_1 = p_2V_2 \ (T=\text{const}) & \frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2} \ (V=\text{const}) \\ \frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2} \ (p=\text{const}) & \eta = \frac{A'}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1} \\ \hline \end{array} \]

Най-важното от урока

Вътрешна енергия \(U\): Зависи от температурата и състоянието на веществото. Променя се чрез топлообмен \(Q\) и работа \(A\).
Първи принцип: \( \Delta U = Q + A \). Енергията се запазва.
Количество топлина: При нагряване/охлаждане \(Q = cm\Delta t\); при топене \(Q=\lambda m\); при изпарение \(Q=rm\).
Идеален газ: Състоянието му се описва с \(p, V, T\). Процесите при константа на една от тях следват прости закони (напр. \(pV = \text{const}\) при \(T=\text{const}\)).
Топлинни машини: Превръщат топлина \(Q_1\) в работа \(A'\) и отделят \(Q_2\). Ефективността им се измерва с КПД \(\eta = A'/Q_1\).
Вътрешна енергия (U) е сумата от кинетичната енергия на хаотичното движение на градивните частици на едно тяло и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие. Мерната ѝ единица е джаул (J).
Температурата (T) е физична величина, която е мярка за средната кинетична енергия на градивните частици. По-високата температура означава по-интензивно топлинно движение.
Връзка между температура по Целзий (\(t\)) и абсолютна температура по Келвин (\(T\)):
\[ T(\text{K}) = t(^{\circ}\text{C}) + 273,15 \] В повечето задачи се използва закръглената стойност \(T = t + 273\).
Стайна температура от \(20^{\circ}\text{C}\) се равнява на \(T = 20 + 273 = 293 \text{ K}\).
Температурата на кипене на азота е \( -196^{\circ}\text{C}\). Колко е тази температура в келвини?
\( T = t + 273 = -196 + 273 = 77 \text{ K} \)
Топлообмен е процес на предаване на енергия от по-топло към по-студено тяло. Предадената енергия се нарича количество топлина (Q).
Специфичен топлинен капацитет (c) е количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на 1 kg от дадено вещество с \(1^{\circ}\text{C}\) (или 1 K). Единица: \( \text{J}/(\text{kg}\cdot\text{K}) \).
\[ Q = c \cdot m \cdot (t_2 - t_1) = c \cdot m \cdot \Delta t \] Където \(m\) е масата, а \(\Delta t\) е промяната в температурата.
Уравнение на топлинния баланс: При топлообмен в изолирана система, погълнатото количество топлина е равно на отдаденото. \[ Q_{погълнато} = Q_{отдадено} \]
За да загреем 2 kg вода (\(c = 4200 \text{ J}/(\text{kg}\cdot\text{K})\)) от \(10^{\circ}\text{C}\) до \(50^{\circ}\text{C}\), е необходимо количество топлина: \( Q = 4200 \cdot 2 \cdot (50 - 10) = 336000 \text{ J} = 336 \text{ kJ} \).
Желязна част с маса 0,5 kg се охлажда от \(120^{\circ}\text{C}\) до \(20^{\circ}\text{C}\). Колко топлина отдава тя? (\(c_{желязо} = 450 \text{ J}/(\text{kg}\cdot\text{K})\))
\( Q_{отдадено} = c \cdot m \cdot (t_1 - t_2) = 450 \cdot 0,5 \cdot (120 - 20) = 22500 \text{ J} = 22,5 \text{ kJ} \).
Топене е преход от твърдо в течно състояние. Изпарение е преход от течно в газообразно състояние. Тези процеси протичат при постоянна температура и изискват поглъщане на топлина.
По време на фазов преход (топене, кипене) температурата на веществото не се променя!
Количество топлина при топене: \( Q = \lambda \cdot m \)
Количество топлина при изпарение: \( Q = r \cdot m \)
\(\lambda\) - специфична топлина на топене, \(r\) - специфична топлина на изпарение.
За да се разтопят 2 kg лед при \(0^{\circ}\text{C}\), е необходима топлина \(Q = \lambda m\). За водата \(\lambda = 3,33 \cdot 10^5 \text{ J/kg}\).
\( Q = (3,33 \cdot 10^5 \text{ J/kg}) \cdot (2 \text{ kg}) = 6,66 \cdot 10^5 \text{ J} = 666 \text{ kJ} \).
Колко топлина е необходима, за да се изпарят напълно 100 g (0,1 kg) вода, която вече е нагрята до температура на кипене \(100^{\circ}\text{C}\)? (\(r_{вода} = 2,3 \cdot 10^6 \text{ J/kg}\))
\( Q = r \cdot m = (2,3 \cdot 10^6 \text{ J/kg}) \cdot (0,1 \text{ kg}) = 2,3 \cdot 10^5 \text{ J} = 230 \text{ kJ} \).
Вътрешната енергия на една система може да се измени по два начина: чрез топлообмен \(Q\) и чрез извършване на работа \(A\).
Първият принцип на термодинамиката е закон за запазване на енергията при топлинни процеси.
\[ \Delta U = Q + A \] Където: \(\Delta U\) е изменението на вътрешната енергия, \(Q\) е полученото количество топлина, \(A\) е работата, извършена върху системата.
Алтернативен запис: \( \Delta U = Q - A' \), където \(A'\) е работата, извършена от системата.
Знаци:
  • \(Q > 0\): системата поглъща топлина.
  • \(Q < 0\): системата отдава топлина.
  • \(A > 0\): външни сили извършват работа върху системата (свиване).
  • \(A < 0\): системата извършва работа срещу външни сили (разширяване).
Газ получава 500 J топлина и едновременно с това се разширява, извършвайки работа 200 J (\(A' = 200 \text{ J}\)). С колко се изменя вътрешната му енергия?
Използваме \( \Delta U = Q - A' \).
\( \Delta U = 500 \text{ J} - 200 \text{ J} = 300 \text{ J} \). Вътрешната енергия се е увеличила с 300 J.
Идеален газ е модел на газ, чиито частици са с пренебрежим обем и не си взаимодействат от разстояние. Вътрешната му енергия зависи само от температурата.
Налягането е правопропорционално на абсолютната температура. Работа не се извършва (\(A = 0\)).
Закон на Гей-Люсак: \( \frac{p}{T} = \text{const} \implies \frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2} \)
Обемът е правопропорционален на абсолютната температура. Газът извършва работа \( A' = p \Delta V \).
Закон на Шарл: \( \frac{V}{T} = \text{const} \implies \frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2} \)
Налягането е обратнопропорционално на обема. Вътрешната енергия не се променя (\(\Delta U = 0\)).
Закон на Бойл-Мариот: \( pV = \text{const} \implies p_1 V_1 = p_2 V_2 \)
Процес без топлообмен с околната среда. При адиабатно разширяване газът се охлажда, а при свиване се нагрява. \(\Delta U = A\).
В затворен съд газ има налягане \(2 \cdot 10^5 \text{ Pa}\) при температура \(300 \text{ K}\). Какво ще бъде налягането, ако газът се нагрее до \(450 \text{ K}\)?
Процесът е изохорен (\(V = \text{const}\)).
\( \frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2} \implies p_2 = p_1 \frac{T_2}{T_1} \)
\( p_2 = (2 \cdot 10^5 \text{ Pa}) \frac{450 \text{ K}}{300 \text{ K}} = 3 \cdot 10^5 \text{ Pa} \)
Топлинна машина е устройство, което преобразува част от вътрешната енергия (топлина) в механична работа. Работи циклично между нагревател и охладител.
{Принципна схема на топлинна машина. Нагревател с температура T1 отдава количество топлина Q1 на работно вещество. Работното вещество извършва полезна работа A' и отдава остатъчната топлина Q2 на охладител с по-ниска температура T2.}
Коефициент на полезно действие (КПД, \(\eta\)) показва каква част от получената от нагревателя топлина \(Q_1\) се превръща в полезна работа \(A'\).
\[ \eta = \frac{A'}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1} \] Където \(Q_2\) е топлината, отдадена на охладителя.
Двигател с вътрешно горене получава 1000 J топлина от изгарянето на гориво и отдава 700 J на околната среда (охладителя). Полезната работа е \(A' = Q_1 - Q_2 = 1000 - 700 = 300 \text{ J}\). КПД е \(\eta = \frac{300 \text{ J}}{1000 \text{ J}} = 0,3\) или \(30\%\).
КПД на топлинна машина е 25%. Ако за един цикъл тя извършва работа 500 J, колко топлина е получила от нагревателя?
От \(\eta = \frac{A'}{Q_1}\) следва \(Q_1 = \frac{A'}{\eta}\).
\(Q_1 = \frac{500 \text{ J}}{0,25} = 2000 \text{ J} = 2 \text{ kJ}\).

Задачи за упражнение

Лесна: Газ се разширява при постоянно налягане \(p = 2 \cdot 10^5 \text{ Pa}\), като обемът му се увеличава с \( \Delta V = 0,01 \text{ m}^3 \). Каква работа извършва газът?
Процесът е изобарен. Работата, извършена от газа, е \(A' = p \cdot \Delta V\).
\(A' = (2 \cdot 10^5 \text{ Pa}) \cdot (0,01 \text{ m}^3) = 2000 \text{ J} = 2 \text{ kJ}\).
Средна: В калориметър се смесват 200 g вода с температура \(80^{\circ}\text{C}\) и 300 g вода с температура \(10^{\circ}\text{C}\). Каква е крайната температура на сместа, ако пренебрегнем топлообмена с калориметъра и околната среда?
Използваме уравнението на топлинния баланс: \(Q_{отдадено} = Q_{погълнато}\).
Горещата вода отдава топлина: \(Q_{отд} = c \cdot m_1 \cdot (t_1 - t)\).
Студената вода поглъща топлина: \(Q_{погл} = c \cdot m_2 \cdot (t - t_2)\).
\(c \cdot m_1 \cdot (t_1 - t) = c \cdot m_2 \cdot (t - t_2)\)
\(0,2 \text{ kg} \cdot (80^{\circ}\text{C} - t) = 0,3 \text{ kg} \cdot (t - 10^{\circ}\text{C})\)
\(16 - 0,2t = 0,3t - 3\)
\(19 = 0,5t \implies t = \frac{19}{0,5} = 38^{\circ}\text{C}\).
Трудна: Колко топлина е необходима, за да се превърне парче лед с маса 50 g и начална температура \(-10^{\circ}\text{C}\) във вода с температура \(20^{\circ}\text{C}\)?
Дадено: \(c_{лед} = 2100 \frac{\text{J}}{\text{kg}\cdot\text{K}}\), \(\lambda_{вода} = 3,3 \cdot 10^5 \frac{\text{J}}{\text{kg}}\), \(c_{вода} = 4200 \frac{\text{J}}{\text{kg}\cdot\text{K}}\).
Процесът се състои от три етапа:
1. Нагряване на леда до \(0^{\circ}\text{C}\): \(Q_1 = c_{лед} \cdot m \cdot \Delta t = 2100 \cdot 0,05 \cdot (0 - (-10)) = 1050 \text{ J}\).
2. Топене на леда при \(0^{\circ}\text{C}\): \(Q_2 = \lambda \cdot m = 3,3 \cdot 10^5 \cdot 0,05 = 16500 \text{ J}\).
3. Нагряване на получената вода до \(20^{\circ}\text{C}\): \(Q_3 = c_{вода} \cdot m \cdot \Delta t = 4200 \cdot 0,05 \cdot (20 - 0) = 4200 \text{ J}\).
Общо количество топлина: \(Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 = 1050 + 16500 + 4200 = 21750 \text{ J} = 21,75 \text{ kJ}\).

Надвий
домашното
с хиляди решения, уроци и тестове:

Математика

96605 решения

2102 уроци и тестове

Иконка Математика
4 клас
5 клас
6 клас
7 клас
8 клас
9 клас
10 клас
11 клас
12 клас

Литература

773 материали

Иконка Литература
5 клас
6 клас
7 клас
8 клас
9 клас
10 клас
11 клас
12 клас