Тепловой баланс физика егэ

Термодинамика, тепловое равновесие. Относительная влажность воздуха, количество теплоты

В. З. Шапиро

Десятое задание ЕГЭ по физике проверяет знания по разделам «Молекулярная физика» и «Термодинамика». Это задание базового уровня. Здесь необходимо пользоваться формулами для расчета количества теплоты при нагревании или охлаждении тела, плавлении и кристаллизации, парообразовании и конденсации, уметь извлекать информацию для решения задач из графических зависимостей.

1. На сколько градусов нагреется медная деталь массой 100 г, если ей сообщить 760 Дж теплоты?

Ответ: на ___________________________ °С.

Для решения задачи необходимо воспользоваться формулой для нагревания или охлаждении тела: откуда выразим разность температур.

Поведем расчет  

Ответ:  

Секрет решения: В подобных задачах надо обратить особое внимание на сам процесс, который может идти с выделением или поглощением энергии. Это влияет на знак количества теплоты. При нагревании энергия поглощается   при охлаждении энергия выделяется  

2. 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: __________________________ кг.

Решение данной задачи также проводится на основании формулы

Выразим и рассчитаем массу тела: кг.

Ответ: 2 кг.

Секрет решения: Данные для расчета необходимо взять из графика. Прерывание значений на оси температур может вызвать недоумение. Интервал от 0 до 320 К на графике не указан. Но это не влияет на решение задачи.

Кроме того, надо знать, что на графиках по горизонтальной и вертикальной осях всегда отображаются разные физические величины, поэтому единичный отрезок будет различный.

3. Кусок льда массой 1 кг находится при температуре 0 ºС. Какая масса воды образуется, если льду сообщить количество теплоты, равное 198 кДж?

Ответ: ___________________________ кг.

Решение этой задачи можно провести, используя формулу для расчета количества теплоты, необходимого для плавления тела   Выразим массу из этой формулы и проведем расчет:   (кг).

Ответ: 0,6 кг.

Подобные задачи являются достаточно простыми, но в них надо использовать правильную формулу, которая отвечает физическому процессу. Кроме того, необходимым является точный перевод в систему СИ, а также умение находить значения постоянных величин в справочных материалах.

4. В калориметр залили три порции воды массами 200 г, 300 г и 500 г, которые имели температуры 20 °C, 40 °C и 60 °C, соответственно. Теплообмен воды с окружающими телами пренебрежимо мал. Какой будет температура воды в калориметре после установления теплового равновесия?

Ответ: ___________________________ °C.

Решение подобных задач основано на составлении уравнения теплового баланса.

Q₁ – количество теплоты, полученное первой порцией воды.

Q₂ – количество теплоты, полученное (или отданное) второй порцией воды.

Q₃ – количество теплоты, полученное (или отданное) третьей порцией воды.

Q₁ = 0,2c (t – 20); Q₂ = 0,3с (t – 40); Q₃ = 0,5с (t – 60).

Составим уравнение теплового баланса:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = 0;

0,2c (t – 20) + 0,3с (t – 40) + 0,5с (t – 60) = 0.

После сокращения на с получим:

0,2(t – 20) + 0,3(t – 40) + 0,5(t – 60) = 0;

t = 46(°C).

Ответ: 46

Секреты решения: При составлении уравнения теплового баланса надо соблюдать несколько важных правил.

1. Правильно расставить индексы у температур, которых в условии задачи может быть много.
2. Записать формулу расчета количества теплоты для каждого тела, участвующего в теплообмене.
3. Расставить знаки (+) или (-) для процессов, идущих с поглощением или выделением тепла.
4. Составить общее уравнение (Q₁ + Q₂+…+ Q_n = 0) и решить его.

Заметим, что уравнение теплового баланса в общем виде может выглядеть громоздким. Решение окажется более рациональным, если вы сразу подставите численные значения.

Егэ физика задачи на уравнение теплового баланса

Репетитор
по физике

Репетитор
по физике

Репетитор
по алгебре

Репетитор
по физике

Задачи на определение температуры смеси
(Задачи на уравнение теплового баланса) .

Задача 1. (Температура смеси)
Смешали (m_<хол>=1 кг ) холодной воды при температуре (t_<хол>=10^0C ) и горячую воду при температуре (t_<гор>=90^0C .) Температура смеси при этом оказалась равна ( 50^0 C . )
Какова масса горячей воды?
Показать ответ Показать решение Видеорешение

Составим уравнение теплового баланса:

Разделим на (40) обе части уравнения:

Разделим на (c ) обе части уравнения:

Задача 2. (Температура смеси)
Смешали (m_х=1 кг ) холодной воды при температуре (t_х=10^0C ) и горячую воду при температуре (t_г=90^0C .) Температура смеси при этом оказалась равна (Theta=50^0 C . )
Какова масса горячей воды?
Показать ответ Показать решение Видеорешение

Составим уравнение теплового баланса:

Задача 3. (Температура смеси)
Смешали (m_1=2 кг ) холодной воды при температуре (t_1=5^0C ) и горячую воду при температуре (t_2=95^0C .) Температура смеси при этом оказалась равна (Theta=80^0 C . )
Какова масса горячей воды?
Показать ответ Показать решение Видеорешение

Решение задач на теплообмен с использованием уравнения теплового баланса (методические рекомендации)

Разделы: Физика

Пособие рекомендовано учащимся, желающим получить практические навыки в решении задач на теплообмен, и может быть полезным для учителей и абитуриентов.

При соприкосновении тел, имеющих разные температуры, между этими телами происходит теплообмен. С точки зрения молекулярно-кинетической теории, это объясняется так: молекулы более нагретого тела имеют большую кинетическую энергию, чем молекулы тела, менее нагретого. При “столкновениях” молекул соприкасающихся тел происходит процесс выравнивания их средних кинетических энергий. Молекулы более нагретого тела теряют часть своей кинетической энергии, при этом нагретое тело будет остывать. Кинетическая энергия молекул холодного тела возрастает, поэтому температура этого тела будет увеличиваться. В конечном итоге кинетические энергии молекул обоих тел сравняются, и температуры тел станут одинаковыми. На этом теплообмен прекращается.

Энергию, которую тело получает или отдаёт в процессе теплообмена, называют количеством теплоты (Q).

Количество теплоты, как и все другие виды энергии, измеряется в системе СИ в Джоулях: [Q] = Дж. (Здесь и в дальнейшем единицы измеряются в системе СИ.)

Нагревание или охлаждение

При нагревании или охлаждении тела количество теплоты, поглощаемое или выделяемое им, рассчитывается по формуле:

(t₂ – t₁) – разность температур тела,° С (или К);

с – удельная теплоёмкость вещества, из которого состоит тело,

Удельная теплоёмкость вещества – это количество теплоты, которое нужно сообщить одному килограмму данного вещества, чтобы увеличить его температуру на 1° С (или это количество теплоты, которое выделяет один килограмм данного вещества, остывая на 1° С).

Значения удельных теплоемкостей других веществ можно найти в справочниках, а также в школьном учебнике или задачнике.

При нагревании тела его внутренняя энергия увеличивается. Это требует притока энергии к телу от других тел. Значит, оно поглощает некоторое количество теплоты, принимая его от других тел, участвующих в теплообмене.

При охлаждении тела его внутренняя энергия уменьшается. Поэтому остывающее тело отдаёт кому-либо некоторое количество теплоты.

Обычно конечную температуру, установившуюся в результате теплообмена, обозначают греческой буквой (тэта).

В формуле (1) произведение cm для каждого конкретного тела есть величина постоянная. Её называют теплоёмкостью тела и обозначают С:

Размерность теплоемкости: Теплоемкость тела показывает, сколько энергии нужно подвести к данному телу, чтобы нагреть его на 1° С (или сколько энергии выделяет это тело, остывая на 1° С).

Теплообмен между телами, имеющими одинаковые температуры, не происходит, даже если контактируют вещества, находящиеся в разных агрегатных состояниях. Например, при температуре плавления (0° С) лёд и вода могут находиться бесконечно долго, при этом количество льда и количество воды останутся неизменными. Аналогично ведут себя пар и жидкость, находящиеся при температуре кипения. Теплообмен между ними не происходит.

Плавление или кристаллизация

Если при нагревании тела его температура достигнет температуры плавления, то начинает происходить процесс перехода этого вещества из твердого состояния в жидкое. При этом идут изменения в расположении и характере взаимодействия молекул. Температура при плавлении не изменяется. Это означает, что средние кинетические энергии молекул жидкости и твердого тела при температуре плавления одинаковы. Однако внутренняя энергия тела при плавлении возрастает за счет увеличения энергии взаимодействия молекул. Количество теплоты, поглощаемое телом при плавлении, рассчитывается по формуле

(3)

где m – масса тела, кг;

– удельная теплота плавления,

При кристаллизации, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается на величину и эта теплота данным телом выделяется. Она поглощается другими телами, участвующими в теплообмене.

Удельная теплота плавления показывает, сколько энергии нужно сообщить одному килограмму данного вещества, взятого при температуре плавления, чтобы полностью превратить его при этой температуре в жидкость (или сколько энергии выделяет 1 кг жидкости, взятой при температуре кристаллизации, если вся она при этой температуре полностью превратится в твёрдое тело).

Удельную теплоту плавления любого вещества можно найти в справочниках. Для льда же

Температура плавления у каждого вещества своя. Её также можно найти в справочниках. Важно подчеркнуть, что температура плавления вещества равна температуре кристаллизации этого же вещества. У льда t_пл = 0° С.

Кипение или конденсация

При достижении жидкостью температуры кипения начинает происходить другой фазовый переход – кипение, при котором расстояния между молекулами значительно увеличиваются, а силы взаимодействия молекул уменьшаются. Вся подводимая к жидкости теплота идет на разрыв связей между молекулами. При конденсации пара в жидкость, наоборот, расстояния между молекулами значительно сокращаются, а силы взаимодействия молекул увеличиваются. Для кипения жидкости энергию к жидкости нужно подводить, при конденсации пара энергия выделяется. Количество теплоты, поглощаемое при кипении или выделяемое при конденсации, рассчитывается по формуле:

где m – масса тела, кг; L – удельная теплота парообразования,

Удельная теплота парообразования показывает, сколько энергии нужно сообщить одному килограмму жидкости, взятой при температуре кипения, чтобы при этой температуре полностью превратить её в пар (для конденсации: сколько энергии выделяет один килограмм пара, взятого при температуре конденсации, полностью превращаясь в жидкость).

При одинаковом давлении температура кипения и температура конденсации одного и того же вещества одинаковы.

Температуры кипения и удельные теплоты парообразования также можно найти в справочниках. Для воды же они соответственно равны: рис. 9 (при нормальном атмосферном давлении).

Уравнение теплового баланса

Тела, участвующие в теплообмене, представляют собой термодинамическую систему. Термодинамическая система называется теплоизолированной, если она не получает энергию извне и не отдаёт её; теплообмен происходит только между телами, входящими в эту систему. Для любой теплоизолированной системы тел справедливо следующее утверждение: количество теплоты, отданное одними телами, равно количеству теплоты, принимаемому другими телами.

Это утверждение описывает частный случай закона сохранения и превращения энергии в применении к процессу теплообмена. А формула (5) является одним из видов уравнения теплового баланса.

При решении задач с помощью данного вида уравнения теплового баланса в формуле (1) в качестве t₂ следует брать большую температуру, а в качестве t₁ – меньшую. Тогда разность (t₂ – t₁) будет положительна и всё произведение cm(t₂–t₁) также будет положительным. Все теплоты, отданные и полученные, будут положительными.

Уравнение теплового баланса можно записать и в таком виде:

где n – количество тел системы.

Алгебраическая сумма всех количеств теплоты (поглощенных и выделенных) в теплоизолированной системе равна нулю.

Q₁, Q₂, …, Q_n – это теплоты, поглощаемые или выделяемые участниками теплообмена. Очевидно, что в этом случае какие-то теплоты должны быть положительны, а какие-то – отрицательны. При записи уравнения теплового баланса в виде (6) всегда t₂ – конечная температура, а t₁ – начальная.

Если тело нагревается, то разность (t₂ – t₁) положительна и все произведение cm(t₂ – t₁) положительно. То есть Q > 0 тогда, когда теплота к данному телу подводится.

А если t₂ 0; если тело выделяет энергию (кристаллизация, конденсация), то Q

	Проведём анализ: Вода и калориметр находились в тепловом равновесии, поэтому они имели одинаковую температуру: t1 = t2 = 20° С. При опускании в воду с температурой 20° С свинцового тела с температурой 90° С между водой и свинцом будет происходить теплообмен. Свинец будет остывать, а вода — нагреваться. В этом же процессе участвует и калориметр, который, как и вода, будет тоже нагреваться.
	Изменение температур тел с течением времени удобно изображать на графике зависимости t(t ). Отрезок АВ соответствует графику изменения температуры свинцового тела. Стрелка, идущая от него, показывает, что, остывая, свинец выделяет энергию Q3.
Два параллельных отрезка СВ соответствуют графикам изменения температур калориметра и воды. Стрелки, идущие к ним, показывают, что для нагревания калориметра и воды требуется энергия Q1 и Q2, которую они поглощают.
Решим задачу с использованием уравнения теплового баланса в виде (5):

Решим задачу с использованием уравнения теплового баланса в виде (6):

Ответ: Вода нагреется до 24° С.

Предлагаю читателю самостоятельно сделать проверку размерности.

Егэ физика задачи на уравнение теплового баланса

В эксперименте установлено, что при температуре воздуха в комнате 29 °C на стенке стакана с холодной водой начинается конденсация паров воды из воздуха, если снизить температуру стакана до 27 °C. По результатам этих экспериментов определите абсолютную и относительную влажность воздуха. Для решения задачи воспользуйтесь таблицей. Поясните, почему конденсация паров воды в воздухе может начинаться при различных значениях температуры. Давление и плотность насыщенного водяного пара при различной температуре показано в таблице:

Водяной пар в воздухе становится насыщенным при температуре 27 °C. Следовательно, давление р водяного пара в воздухе равно давлению насыщенного пара при температуре 27 °C, из таблицы 36 гПа.

Абсолютная влажность равна плотности водяных паров. Первое состояние: насыщенный пар при 27 °C. Второе: пар при 29

°C. Пар охлаждается от 29 до 27 °C изобарически, поэтому

Давление насыщенного водяного пара при температуре 29 °C равно 40 гПа. Относительной влажностью воздуха называется отношение:

Пусть — абсолютная влажность воздуха при температуре 29 °C равно, а — плотность насыщенных водяных паров при этой температуре. Относительную влажность можно рассчитать как отношение откуда

Конденсация паров воды происходит при условии равенства давления водяного пара, имеющегося в воздухе, давлению насыщенного водяного пара при данной температуре воздуха. Давление насыщенного водяного пара зависит от температуры. Поэтому при разной плотности водяного пара в воздухе температура начала конденсации пара (точка росы) оказывается различной.

Приведённое решение неверно. В условии нигде не сказано, что можно считать водяной пар идеальным газом, а стало быть уравнение Менделеева-Клайперона даёт неточный результат. Относительная влажность по другому определяется через отношение абсолютной влажности к плотности водяных паров при данной температуре, следовательно мы можем взять значение для абсолютной влажности при 29 градусах непосредственно из таблицы — она равна плотности насыщенных паров при 27 градусах, т.е. 25,8 г/куб. м.

Немного изменили решение. Но при изменении температуры при постоянном давлении меняется (хоть и незначительно) относительная влажность. Поэтому нельзя сказать, что искомая относительная влажность равна плотности насыщенного парам при 27 °С. Составителям следовало бы взять разницу температур побольше.

В аналогичной задаче 2930 принцип нахождения абсолютной влажности описан верно, в данной задаче — нет

Это решение верное и ответ получится такой же. В задаче 2930 более очевидный переход.

В калориметре находился 1 кг льда. Чему равна первоначальная температура льда, если после добавления в калориметр 20 г воды, имеющей температуру 20 °C, в калориметре установилось тепловое равновесие при ? Теплообменом с окружающей средой и теплоемкостью калориметра пренебречь.

Количество теплоты, необходимое для нагрева льда, находящегося в калориметре, до температуры t:

Количество теплоты, отдаваемое водой при охлаждении ее до :

Количество теплоты, выделяющееся при отвердевании воды при :

Количество теплоты, вьделяющееся при охлаждении льда, полученного из воды, до температуры t:

Уравнение теплового баланса:

Объединяя (1)—(5), получаем:

Ответ:

Почему количество теплоты, выделяющееся при отвердевании воды равно Q=Lm (L- лямбда)? Если я не ошибаюсь, то отвердевание это кристаллизация и формула будет Q=-Lm.

Знак не имеет особого значения. Просто нужно писать данное слагаемое в «правильную часть» теплового баланса, то есть правильно указывать, куда переходит данная энергия.

В калориметре находился лед при температуре Какой была масса льда, если после добавления в калориметр воды, имеющей температуру и установления теплового равновесия температура содержимого калориметра оказалась равной причем в калориметре была только вода?

Количество теплоты, полученное при нагреве льда, находящегося в калориметре, до температуры : (1).

Количество теплоты, полученное льдом при его таянии при (2).

Количество теплоты, отданное водой при охлаждении её до (3).

Уравнение теплового баланса: (4).

Объединяя (1)—(4), получаем:

Ответ:

В калориметре находился 1 кг льда. Какой была температура льда, если после добавления в калориметр 15 г воды, имеющей температуру 20 °С, в калориметре установилось тепловое равновесие при –2 °С? Теплообменом с окружающей средой и теплоемкостью калориметра пренебречь.

Количество теплоты, необходимое для нагревания льда, находящегося в калориметре, до температуры t:

(1)

Количество теплоты, отдаваемое водой при охлаждении её до 0 °С:

(2)

Количество теплоты, выделяющейся при отвердевании воды при 0 °С:

(3)

Количество теплоты, выделяющейся при охлаждении льда, полученного из воды, до температуры t:

(4)

Уравнение теплового баланса:

(5)

Объединяя формулы (1)—(5), получаем

Ответ:

Почему в уравнении (3) удельная теплота плавления взята с плюсом? Т.к. идёт процесс, обратный плавлению, она должна быть с минусом.

Я бы Вам посоветовал забыть про этот знак минус в формуле, лучше все считать положительным, просто понимать, куда перетекает тепло. Писать тепловой баланс в виде: .

Это полностью эквивалентно балансу в виде

А почему в уравнении (2) , при расчете температуры мы вычитаем 0 , не -2 ?

То что происходит с 15 г воды можно представить в виде трёх процессов: а) вода охлаждается до 0 °С, б) замерзает (превращается в лёд) и в) лёд охлаждается до –2 °С.

Уравнение (2) описывает процесс (а).

В 2012 году зима в Подмосковье была очень холодной, и приходилось использовать системы отопления дачных домов на полную мощность. В одном из них установлено газовое отопительное оборудование с тепловой мощностью 17,5 кВт и КПД 85%, работающее на природном газе — метане Сколько пришлось заплатить за газ хозяевам дома после месяца (30 дней) отопления в максимальном режиме? Цена газа составляла на этот период 3 рубля 30 копеек за 1 кубометр газа, удельная теплота сгорания метана 50,4 МДж/кг. Можно считать, что объём потреблённого газа измеряется счётчиком при нормальных условиях. Ответ округлите до десятков рублей.

Метан имеет молярную массу Согласно уравнению Клапейрона — Менделеева, плотность метана при нормальных условиях (температура давление ) равна

Удельная теплота сгорания метана в пересчёте на кубометр газа равна КПД газового отопительного оборудования а тепловая мощность установки поэтому мощность, выделяющаяся при сгорании газа, равна

Таким образом, за месяц (30 суток по 86400 секунд) потребление энергии составит

Объём потребленного за месяц газа будет равен а его стоимость равна

Ответ: хозяевам пришлось заплатить за месяц отопления дома газом 4960 рублей.

Уравнение теплового баланса

Ключевые слова конспекта: количество теплоты, уравнение теплового баланса, закон сохранения энергии в тепловых процессах.

---

---

Для механических явлений при определённых условиях выполняется закон сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы тел сохраняется, если они взаимодействуют силами тяготения или упругости. Если действуют силы трения, то полная механическая энергия тел не сохраняется, часть её (или вся) превращается в их внутреннюю энергию.

При изменении состояния тела (системы) меняется его внутренняя энергия. Состояние тела и соответственно его внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: в процессе теплопередачи или путём совершения внешними силами работы над телом (работа, например, силы трения). Мерой изменения внутренней энергии тела в процессе теплообмена выступает количество теплоты (Q).

Уравнение теплового баланса

В изолированной системе при смешивании горячей и холодной воды, количество теплоты Q₁, отданное горячей водой, равно количеству теплоты Q₂, полученному холодной водой, т.е.: |Q₁|= |Q₂|.  Q₁ (выделенное) < 0,  Q₂ (полученное) > 0. 

Q_{отданное} + Q_{полученное} = 0

Записанное равенство называется уравнением теплового баланса (эта формула и уравнение, используемое в 8 классе!). Определение: суммарное количества теплоты, которое выделяется в теплоизолированной системе равно суммарному количеству теплоты, которое в этой системе поглощается.

Уравнение теплового баланса связывает количество теплоты, полученное одним телом, и количество теплоты, отданное другим телом при теплообмене. При этом в теплообмене могут участвовать не два тела, а три и более: Q₁ + Q₂ + Q₃ + … = 0

Уравнение теплового баланса – это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах. Оно даёт возможность определить те или иные величины. В частности, значения удельной теплоёмкости веществ определяют из уравнения теплового баланса.

---

◊◊◊ Обратите внимание! В более старших классах используется следующее определение «уравнения теплового баланса»: Если в изолированной системе тел не происходит никаких превращений энергии кроме теплообмена, то количество теплоты, отданное телами, внутренняя энергия которых уменьшается, равно количеству теплоты, полученному телами, внутренняя энергия которых увеличивается. При этом суммарная энергия системы не изменяется«. А также используется другая формула уравнения (с учетом интегральной формы Первого начала термодинамики):

---

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Закон сохранения энергии в тепловых процессах выполняется при нагревании тел за счёт энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Топливо — это природный газ, дрова, уголь, нефть. При его сгорании происходит химическая реакция окисления — атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе, и образуется молекула оксида углерода (углекислого газа) С0₂. При этом выделяется энергия.

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива.

---

Конспект урока «Уравнение теплового баланса».

Следующая тема: «Испарение. Конденсация».