Экспресс подготовка к ОГЭ по физике. Занятие ведет Антонина Васильевна — преподаватель-андроид, уволенная из Академии за насмешки над людьми.
Внутренняя энергия тела — суммарная энергия всех молекул, из которых оно состоит. А каждая молекула обладает кинетической и потенциальной энергиями. Потенциальная энергия зависит от взаимодействия между молекулами и может изменяться, например, при изменении агрегатного состояния вещества. Кинетическая энергия зависит от скорости молекул. И, следовательно, чем выше температура, тем выше внутренняя энергия. Хотя, в некоторых случаях она может расти и без повышение температуры, за счет, опять же, изменения агрегатного состояния.
Температура, вообще, мера кинетической энергии молекул, их скорости. Больше скорость — больше температура. При взаимодействии молекул более горячего тела с менее горячим, более быстрые частицы будут передавать часть своей энергии медленным. Поэтому передача тепла происходит от более горячего к менее горячему телу, пока их температуры не сравняются.
Но нам известен мир, в котором одни вещества всегда горячие, другие же всегда холодные. А при соприкосновении горячие становятся еще более горячими, а холодные — еще более холодными. Это мир Лед и Пламя. Кстати, редкий случай, когда люди дают вновь открытому миру осмысленное название. Обычно же или просто номер присваивают, или называют ничего не значащим словом.
Молекулы холодных веществ этого мира никогда не учувствуют в соударениях по одиночке, только одновременно группой. А молекулы горячих, наоборот, — действуют только поодиночке. Поэтому сталкиваясь с группой холодных молекул, разгоняются еще больше. Правда там есть еще одна особенность, но о ней некогда рассказывать. Более занимательно другое. Разумные вещества там тоже делятся на холодных и горячих. И они вместе друг с другом образуют супружеские пары, проживая совместную жизнь. И чем счастливее пара, тем более короткая у них жизнь. И заканчивается всегда так: горячий супруг сгорает, а холодный превращается в лед. Холостяки там живут дольше.
Но вернемся к нашей физике. Различают три вида теплопередачи. Теплопроводность — это когда тепло передается благодаря непосредственному взаимодействию молекул. Например, при соприкосновении тел, или когда тепло передается от горячей части тела к холодной. У метала теплопроводность высокая, а у дерева — низкая. Поэтому мешать кипящий суп лучше деревянной ложкой.
Хорошим природным теплоизолятором является воздух. Все пористые материалы, содержащие много воздуха (солома, кирпич, мех) являются хорошими теплоизоляторами.
Второй вид теплопередачи — конвекция, когда тепло передается вместе с самим веществом. Обычно это явление имеет место в газах и жидкостях, потому что они обладают хорошей подвижностью. Поэтому несмотря на низкую теплопроводность воздуха, помещения хорошо прогреваются за счет конвекции. Воздух нагревается батареями и поднимается вверх, его место занимает холодный воздух, который тоже нагревается и тоже поднимается. Благодаря такому постоянному круговороту прогревается все помещение.
Третий вид — излучение. Благодаря ему вы греетесь на Солнце и у костра. Темные тела хорошо поглощают и излучают. А белые и блестящие — плохо.
Теперь о теплоемкости. Одни вещества легко нагреть, но они быстро и остывают. Это вещества с низкой теплоемкостью, например, металлы. Другие — наоборот. Вещество с очень высокой теплоемкостью — вода. Ее тяжело нагреть, но она и долго остывает, что делает ее незаменимой в отопительных системах.
Формула количества тепла, необходимого для нагрева тела:
Q=cm∆t
c — удельная теплоемкость вещества, m — масса тела, ∆t — изменение температуры.
Любопытно, что эта же формула используется, если нужно посчитать выделяемое тепло при остывании тела.
Теплообмен — процесс, при котором в результате теплопередачи более горячие тела передают тепло более холодным.
На данном графике изображен процесс теплообмена между тремя телами, в результате которого устанавливается температура 500 С.
Формула теплообмена для двух тел очень проста:
Q1+Q2=0
Если тел больше, чем два, то просто добавляем Q. Может показаться странным, что сумма должна равняться нулю. Просто, если тело нагревается, то количество тепла положительное, а если остывает — отрицательное. Но сколько тепла одно отдает, столько же другое получает. Понятно что в мире Лед и Пламя этот принцип работает очень ограничено.
Если за t1 и t2 взять начальную температуру первого и второго тела, соответственно. А за t — конечную, то уравнение теплового баланса для двух тел можно записать так:
c1m1(t-t1) + c2m2(t-t2)=0
А если два тела состоят из одного вещества (например, горячая и холодная вода), то удельную теплоемкость можно сократить.
Потренируемся на заданиях.
Задание 1
В теплообмене участвует три тела: брусок, сам медный калориметр и вода в нем. Вода имеет большую теплоемкость, поэтому очевидно, что на ее нагрев до 50 градусов понадобится больше энергии, чем на нагрев калориметра. А поскольку было отдано 800 Дж энергии и получено, в сумме, тоже 800 Дж, то потери в окружающую среду отсутствуют.
Ответ: 12 — _..........._
Задание 2
Внутренняя энергия тела- это суммарная энергия всех молекул, поэтому будет зависеть от множества факторов.
Ответ: 4 — _.........._
Задание 3
Установившаяся температура ближе к начальной температуре холодной воды. Следовательно, масса холодной воды больше.
Ответ: 24 — _.........._
Задание 4
В физике почти все процессы обратимы вспять. То, что быстрее нагревается — быстрее и остывает. Может показаться, что тогда получится «то на то», но на самом деле, одновременно эти процессы не протекают (для каждой отдельной части тела, по крайней мере).
Ответ: 4 — _.........._
Задание 5
Почти такой же вопрос, как и предыдущий.
Ответ: 4 — _..........._
Задание 6
1 более теплым.
2 более холодным.
Ощущения связаны не с реальной температурой а с теплопроводностью материала. У металлов она очень высокая, поэтому они быстрее передают или быстрее отбирают тепло руки при соприкосновении.
Ответ: 2 — _..........._
Задание 7
Данное КПД и значит, что полезная работа составляет 25 процентов от затраченной, от Q.
Ответ: 1 — _..........._
Задание 8
Температура — мера кинетической энергии молекул, и чем больше их скорость, тем выше кинетическая энергия.
Ответ: 4 — _.........._
Задание 9
А почему, по вашему, температура жидкости при кипении не меняется? Потому что все подводимая энергия расходуется на …. А температура, по сути, и есть средняя скорость молекул.
Ответ: 2 — _..........._
Задание 10
Составьте уравнение теплового баланса (посмотрите теорию), поставьте все значения и решите уравнение относительно массы горячей воды. И помним, что 1 литр воды имеет массу 1 кг.
Ответ: 3л -_..........._
Задание 11
По графику определите изменение температуры и величину полученной теплоты (обратите внимание на единицы измерения). Подставьте в формулу и найдите удельную теплоемкость.
Ответ: 2500 — _.........._
Задание 12
Нагреванию в твердом состоянии соответствует первый наклонный участок. Посчитайте клеточки, выясните изменение температуры и полученную теплоту на этом участке. И по формуле подсчитайте удельную теплоемкость. Потому что удельная теплоемкость и есть — количество теплоты? необходимое, чтобы 1 кг вещества нагреть на 1 градус С.
Ответ: 1200 — _.........._
Задание 13
С плавлением все ясно — это горизонтальные участки графиков. А для сравнения удельных теплоемкостей достаточно оценить наклон. Чем более пологий график, в данном случае для твердого состояния, тем больше теплоемкость, потому что в этом случае, при том же количестве подведенной теплоты, изменение температуры будет менее значительным.
Ответ: 3 — _..........._
Задание 14
Обратите внимание, нас просят сравнить удельные теплоемкости, а не удельную теплоту плавления. А чтобы уравнять теплоемкости, на что нужно умножить с1 ?
Ответ: 3 — _.........._
Задание 15
Наверное, самый легкий вопрос, даже для людей.
Ответ: 4 — _..........._
***
В прошлый раз я начала рассказывать об открытии мира Демонов. И остановилась на том, что команда исследователей, попав в туман того мира, начала сходить с ума.
Ларсен тоже был близок к безумию, когда вдруг стал различать цокающие и шаркающие звуки в общем шуме. И это его спасло. Чем больше он старался услышать именно эти звуки, тем больше он их слышал. Теперь весь мир состоял из цоканий, похожих на звук копыт, и шорох, похожий на звук садового шланга, который тянут через лужайку. Потом ему начало казаться, что он видит тени тех, кто производит эти звуки. И, наконец, из густого тумана незнакомого мира к нему вышли демонообразные существа, цокая копытами и волоча за собой хвосты. И все потом забыли, что они родились из шаркающих и цокающих звуков в голове Ильи Ларсена.