물리학에서 열을 찾는 공식. 신체를 가열하는 데 필요하거나 냉각 중에 방출되는 열량 계산

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물질의 집합적인 변형은 어떤 과정에서 발생합니까?
물질의 응집 상태를 어떻게 바꿀 수 있습니까?

일을 하거나, 가열하거나, 반대로 냉각함으로써 신체의 내부 에너지를 변경할 수 있습니다.
따라서 금속을 단조할 때 작업이 완료되고 가열되는 동시에 금속이 불타는 불꽃으로 가열될 수 있습니다.

또한 피스톤이 고정되어 있으면(그림 13.5) 가열해도 가스의 부피가 변하지 않으며 작업이 수행되지 않습니다. 그러나 가스의 온도, 즉 내부 에너지가 증가합니다.

내부 에너지는 증가하거나 감소할 수 있으므로 열량은 양수일 수도 있고 음수일 수도 있습니다.

일을 하지 않고 한 몸에서 다른 몸으로 에너지를 전달하는 과정을 열교환.

열 전달 중 내부 에너지 변화의 정량적 측정을 열의 양.

열전달의 분자 사진.

물체 사이의 경계에서 열 교환이 진행되는 동안 천천히 움직이는 차가운 물체의 분자와 빠르게 움직이는 뜨거운 물체의 분자 사이의 상호 작용이 발생합니다. 결과적으로 분자의 운동에너지는 동일해지고 차가운 물체의 분자 속도는 증가하고 뜨거운 물체의 분자 속도는 감소합니다.

열 교환 중에 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 변환되지 않으며, 더 가열된 몸체의 내부 에너지 중 일부는 덜 가열된 몸체로 전달됩니다.

열량과 열용량.

질량이 m인 물체를 온도 t 1에서 온도 t 2로 가열하려면 일정량의 열을 전달해야 한다는 것을 이미 알고 있습니다.

Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)

신체가 냉각되면 최종 온도 t 2 는 초기 온도 t 1 보다 낮아지고 신체에서 발산하는 열량은 음수가 됩니다.

식 (13.5)의 계수 c는 다음과 같습니다. 비열 용량물질.

비열- 이는 1kg 무게의 물질이 온도가 1K 변할 때 받아들이거나 방출하는 열량과 수치적으로 동일한 양입니다.

가스의 비열 용량은 열 전달이 발생하는 과정에 따라 달라집니다. 일정한 압력에서 가스를 가열하면 가스가 팽창하여 일을 합니다. 일정한 압력에서 기체를 1°C 가열하려면 기체가 가열되기만 하는 일정한 부피에서 가열하는 것보다 더 많은 열을 전달해야 합니다.

액체와 고체는 가열되면 약간 팽창합니다. 일정한 부피와 일정한 압력에서 비열 용량은 거의 다르지 않습니다.

비열의 기화열.

끓는 과정에서 액체를 증기로 변환하려면 일정량의 열이 전달되어야 합니다. 액체가 끓을 때 액체의 온도는 변하지 않습니다. 일정한 온도에서 액체가 증기로 변환되면 분자의 운동 에너지가 증가하지 않지만 상호 작용의 위치 에너지가 증가합니다. 결국 기체 분자 사이의 평균 거리는 액체 분자 사이의 거리보다 훨씬 큽니다.

일정한 온도에서 1kg의 액체를 증기로 전환시키는 데 필요한 열량과 수치적으로 동일한 양을 증기라고 합니다. 비열의 기화열.

액체의 증발 과정은 모든 온도에서 발생하며 가장 빠른 분자는 액체를 떠나 증발 중에 냉각됩니다. 증발 비열은 증발 비열과 같습니다.

이 값은 문자 r로 표시되며 킬로그램당 줄(J/kg)로 표시됩니다.

물의 증발 비열은 매우 높습니다: r H20 = 2.256 10 6 J/kg(온도 100 °C에서). 알코올, 에테르, 수은, 등유와 같은 다른 액체의 경우 증발 비열은 물의 비열보다 3-10배 적습니다.

질량이 m인 액체를 증기로 변환하려면 다음과 같은 열량이 필요합니다.

Qp = rm. (13.6)

증기가 응축되면 동일한 양의 열이 방출됩니다.

Q k = -rm. (13.7)

비융합열.

결정체가 녹을 때 공급되는 모든 열은 분자 간 상호 작용의 위치 에너지를 증가시키는 데 사용됩니다. 용융은 일정한 온도에서 일어나기 때문에 분자의 운동 에너지는 변하지 않습니다.

융점에서 1kg의 결정성 물질을 액체로 변환하는 데 필요한 열량과 수치적으로 동일한 값을 호출합니다. 비융합열문자 λ로 표시됩니다.

1kg의 물질이 결정화되면 녹는 동안 흡수되는 열량과 정확히 같은 양의 열이 방출됩니다.

얼음이 녹는 비열은 3.34 · 10 5 J/kg으로 상당히 높습니다.

“얼음의 융해열이 높지 않다면 봄에 얼음 덩어리 전체가 몇 분 또는 몇 초 안에 녹아야 할 것입니다. 열이 공기에서 얼음으로 지속적으로 전달되기 때문입니다. 그 결과는 끔찍할 것입니다. 결국 지금 상황에서도 대량의 얼음이나 눈이 녹으면 큰 홍수와 강한 물의 흐름이 발생합니다.” R. 블랙, XVIII 세기.

질량이 m인 결정체를 녹이려면 다음과 같은 열량이 필요합니다.

Qpl = λm. (13.8)

신체의 결정화 중에 방출되는 열의 양은 다음과 같습니다.

Q cr = -λm (13.9)

열 균형 방정식.

예를 들어, 용기 안의 물과 물 속으로 내려간 뜨거운 철구 사이의 열 교환과 같이 초기에 서로 다른 온도를 갖는 여러 몸체로 구성된 시스템 내의 열 교환을 고려해 보겠습니다. 에너지 보존의 법칙에 따르면 한 물체가 발산하는 열의 양은 다른 물체가 받는 열의 양과 수치적으로 동일합니다.

주어진 열의 양은 음의 것으로 간주되고, 받는 열의 양은 양의 것으로 간주됩니다. 따라서 전체 열량 Q1 + Q2 = 0입니다.

고립계의 여러 물체 사이에서 열교환이 일어난다면,

Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)

식 (13.10)은 다음과 같다. 열 균형 방정식.

여기서 Q 1 Q 2, Q 3은 신체가 받아들이거나 발산하는 열의 양입니다. 열 교환 과정에서 물질의 다양한 상 변형(용융, 결정화, 기화, 응축)이 발생하는 경우 이러한 열량은 공식 (13.5) 또는 공식 (13.6)-(13.9)로 표현됩니다.

알려진 바와 같이, 다양한 기계적 공정 중에 기계적 에너지의 변화가 발생합니다. 기계적 에너지 변화의 척도는 시스템에 가해지는 힘의 작용입니다.

열교환 중에 신체의 내부 에너지에 변화가 발생합니다. 열 전달 중 내부 에너지 변화의 척도는 열량입니다.

열량열 교환 과정에서 신체가 받는(또는 포기하는) 내부 에너지의 변화를 측정한 것입니다.

따라서 일과 열량은 모두 에너지 변화의 특징을 나타내지만 에너지와 동일하지는 않습니다. 그들은 시스템 자체의 상태를 특성화하지 않지만 상태가 변할 때 한 유형에서 다른 유형으로(한 신체에서 다른 신체로) 에너지 전환 과정을 결정하고 프로세스의 성격에 크게 의존합니다.

일과 열량의 주요 차이점은 일은 에너지가 한 유형에서 다른 유형으로(기계에서 내부로) 변환되는 것과 함께 시스템의 내부 에너지를 변경하는 과정을 특징으로 한다는 것입니다. 열의 양은 에너지 변환을 수반하지 않고 내부 에너지가 한 몸체에서 다른 몸체로(더 가열된 것에서 덜 가열된 것으로) 전달되는 과정을 특징으로 합니다.

경험에 따르면 질량 m의 물체를 온도에서 온도로 가열하는 데 필요한 열량은 다음 공식으로 계산됩니다.

여기서 c는 물질의 비열 용량입니다.

비열 용량의 SI 단위는 킬로그램 켈빈당 줄(J/(kg K))입니다.

비열 c는 1K를 가열하기 위해 1kg의 물체에 전달되어야 하는 열량과 수치적으로 동일합니다.

열용량신체는 체온을 1K 변화시키는 데 필요한 열량과 수치적으로 동일합니다.

신체 열용량의 SI 단위는 켈빈당 줄(J/K)입니다.

일정한 온도에서 액체를 증기로 변화시키려면 일정량의 열을 소비해야 합니다.

여기서 L은 기화 비열입니다. 증기가 응축되면 동일한 양의 열이 방출됩니다.

질량 m인 결정체를 녹는점에서 녹이기 위해서는 결정체에 일정량의 열을 가해 줄 필요가 있다.

비융합열은 어디에 있습니까? 신체가 결정화되면 동일한 양의 열이 방출됩니다.

질량이 m인 연료의 완전 연소 중에 방출되는 열의 양,

여기서 q는 연소 비열입니다.

기화, 용융 및 연소의 비열의 SI 단위는 킬로그램당 줄(J/kg)입니다.

신체의 내부 에너지는 외부 힘의 작용으로 인해 변할 수 있습니다. 열 전달 중 내부 에너지 변화를 특성화하기 위해 열량이라고 하고 Q로 표시되는 양이 도입됩니다.

국제 시스템에서 열, 일, 에너지의 단위는 줄(= = = 1J)입니다.

실제로 열량의 비체계적 단위인 칼로리가 사용되는 경우가 있습니다. 1칼로리 = 4.2J

"열량"이라는 용어는 불행한 일이라는 점에 유의해야합니다. 그것은 몸에 무중력의 파악하기 어려운 액체, 즉 칼로리가 포함되어 있다고 믿었을 때 소개되었습니다. 열 교환 과정은 한 신체에서 다른 신체로 흐르는 칼로리가 일정량의 열을 운반한다는 사실로 구성됩니다. 이제 물질 구조에 대한 분자 운동 이론의 기초를 알면서 우리는 신체에 칼로리가 없으며 신체의 내부 에너지를 변화시키는 메커니즘이 다르다는 것을 이해합니다. 그러나 전통의 힘은 위대하며 우리는 열의 본질에 대한 잘못된 생각을 바탕으로 도입된 용어를 계속해서 사용하고 있습니다. 동시에 열 전달의 본질을 이해하면서 이에 대한 오해를 완전히 무시해서는 안됩니다. 반대로, 열의 흐름과 가상의 칼로리 액체의 흐름, 열량과 칼로리량 사이의 비유를 그려 특정 유형의 문제를 해결할 때 진행 중인 프로세스를 시각화하고 올바르게 수행할 수 있습니다. 문제를 해결하십시오. 결국, 열 전달 과정을 설명하는 올바른 방정식은 열 운반체로서의 칼로리에 대한 잘못된 생각을 바탕으로 얻은 것입니다.

열교환의 결과로 발생할 수 있는 과정을 더 자세히 살펴보겠습니다.

시험관에 물을 조금 붓고 마개로 닫아주세요. 스탠드에 고정된 막대에 시험관을 걸고 그 아래에 화염을 놓습니다. 시험관은 화염으로부터 일정량의 열을 받아 그 안에 있는 액체의 온도가 상승합니다. 온도가 증가하면 액체의 내부에너지도 증가한다. 집중적인 기화 과정이 발생합니다. 팽창하는 액체 증기는 기계적 작업을 수행하여 마개를 시험관 밖으로 밀어냅니다.

카트에 장착된 황동 튜브 조각으로 만든 대포 모델을 사용하여 또 다른 실험을 수행해 보겠습니다. 한쪽에는 핀이 통과하는 에보나이트 플러그로 튜브가 단단히 닫혀 있습니다. 전선은 핀과 튜브에 납땜되어 있으며 조명 네트워크에서 전압을 공급할 수 있는 단자로 끝납니다. 따라서 대포 모델은 일종의 전기 보일러입니다.

대포통에 물을 조금 붓고 고무마개로 관을 닫아주세요. 총을 전원에 연결해 봅시다. 물을 통과하는 전류는 물을 가열합니다. 물이 끓으면서 강렬한 증기가 형성됩니다. 수증기의 압력이 증가하고 마침내 총신에서 플러그를 밀어내는 작업을 수행합니다.

반동으로 인해 총은 플러그가 배출되는 반대 방향으로 굴러갑니다.

두 경험 모두 다음 상황에 의해 통합됩니다. 다양한 방법으로 액체를 가열하는 과정에서 액체의 온도가 증가하고 그에 따라 내부 에너지도 증가합니다. 액체가 집중적으로 끓고 증발하려면 계속 가열해야했습니다.

액체 증기는 내부 에너지로 인해 기계적 작업을 수행했습니다.

우리는 물체를 가열하는 데 필요한 열량의 질량, 온도 변화 및 물질 유형에 대한 의존성을 조사합니다. 이러한 의존성을 연구하기 위해 우리는 물과 기름을 사용할 것입니다. (실험에서 온도를 측정하기 위해 거울 검류계에 연결된 열전대로 구성된 전기 온도계가 사용됩니다. 열전대 접합 중 하나는 일정한 온도를 보장하기 위해 찬물이 담긴 용기에 내려지고 다른 열전대 접합은 액체의 온도를 측정합니다. 연구중).

체험은 3가지 시리즈로 구성되어 있습니다. 첫 번째 시리즈에서는 특정 액체(이 경우 물)의 일정한 질량에 대해 온도 변화에 따라 이를 가열하는 데 필요한 열량의 의존성을 연구합니다. 히터(전기스토브)에서 나오는 액체가 받는 열량은 정비례 관계가 있다고 가정하고 가열 시간으로 판단합니다. 실험 결과가 이 가정과 일치하려면 전기 스토브에서 가열된 본체까지 일정한 열 흐름을 보장해야 합니다. 이를 위해 전기 스토브를 미리 켜서 실험이 시작될 때 표면 온도의 변화가 멈췄습니다. 실험 중에 액체를 보다 균일하게 가열하기 위해 열전대 자체를 사용하여 액체를 교반하겠습니다. 광점이 눈금 가장자리에 도달할 때까지 일정한 간격으로 온도계 판독값을 기록합니다.

결론을 내리자면, 신체를 가열하는 데 필요한 열량과 온도 변화 사이에는 직접적인 비례 관계가 있습니다.

두 번째 일련의 실험에서는 온도가 같은 양만큼 변할 때 질량이 다른 동일한 액체를 가열하는 데 필요한 열량을 비교할 것입니다.

얻은 값을 비교하는 편의를 위해 두 번째 실험의 물 질량은 첫 번째 실험보다 2배 적은 것으로 간주됩니다.

우리는 정기적으로 온도계 판독값을 다시 기록할 것입니다.

첫 번째 실험과 두 번째 실험의 결과를 비교하면 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.

세 번째 일련의 실험에서는 온도가 같은 양만큼 변할 때 같은 질량의 서로 다른 액체를 가열하는 데 필요한 열량을 비교할 것입니다.

우리는 전기 스토브에서 기름을 가열할 것입니다. 그 질량은 첫 번째 실험에서 물의 질량과 같습니다. 우리는 정기적으로 온도계 판독값을 기록할 것입니다.

실험 결과는 신체를 가열하는 데 필요한 열량이 온도 변화에 직접적으로 비례한다는 결론을 확인하고 또한 물질 유형에 대한 열량의 의존성을 나타냅니다.

실험에서는 물의 밀도보다 밀도가 작은 기름을 사용했고, 기름을 특정 온도까지 가열하면 물을 가열하는 것보다 더 적은 열이 필요하므로 물체를 가열하는 데 필요한 열량은 물체의 온도에 따라 달라진다고 추측할 수 있습니다. 밀도.

이 가정을 테스트하기 위해 일정한 전력 히터에서 동일한 질량의 물, 파라핀 및 구리를 동시에 가열합니다.

동시에 구리의 온도는 물의 온도보다 약 10배, 파라핀의 온도는 약 2배 더 높습니다.

그러나 구리는 물보다 밀도가 높고 파라핀은 밀도가 낮습니다.

경험에 따르면 열교환에 관여하는 물체를 구성하는 물질의 온도 변화율을 나타내는 양은 밀도가 아닙니다. 이 양을 물질의 비열이라고 하며 문자 c로 표시합니다.

다양한 물질의 비열 용량을 비교하기 위해 특수 장치가 사용됩니다. 이 장치는 얇은 파라핀 판과 막대가 통과하는 스트립이 부착된 랙으로 구성됩니다. 동일한 질량의 알루미늄, 강철 및 황동 실린더가 막대 끝에 고정됩니다.

뜨거운 난로 위에 물이 담긴 용기에 실린더를 담가서 동일한 온도로 가열합시다. 뜨거운 실린더를 랙에 고정하고 고정 장치에서 해제합니다. 실린더는 동시에 파라핀 플레이트에 닿고 파라핀이 녹으면서 그 안으로 가라앉기 시작합니다. 같은 질량의 실린더를 파라핀 판에 담그는 깊이는 온도가 같은 양만큼 변할 때 다른 것으로 나타났습니다.

경험에 따르면 알루미늄, 강철 및 황동의 비열 용량이 다릅니다.

고체의 용융, 액체의 기화, 연료의 연소에 대한 적절한 실험을 수행한 결과 다음과 같은 정량적 종속성을 얻습니다.

특정 수량의 단위를 얻으려면 해당 공식을 사용하여 열 단위 - 1J, 질량 - 1kg 및 비열 용량 - 1K를 대체하는 결과 표현으로 표현해야 합니다.

다음 단위를 얻습니다: 비열 용량 – 1 J/kg·K, 기타 비열: 1 J/kg.

이번 단원에서는 물체를 가열하는 데 필요한 열량이나 냉각 시 방출되는 열량을 계산하는 방법을 배웁니다. 이를 위해 이전 수업에서 습득한 지식을 요약하겠습니다.

그리고 열량 공식을 이용하여 이 공식으로부터 남은 양을 표현하고 다른 양을 알면서 계산하는 방법을 배워보겠습니다. 열량을 계산하는 솔루션에 대한 문제의 예도 고려됩니다.

이 수업에서는 신체가 가열될 때 열의 양을 계산하거나 냉각될 때 방출되는 열의 양을 계산하는 데 전념합니다.

필요한 열량을 계산하는 능력은 매우 중요합니다. 예를 들어, 이는 방을 가열하기 위해 물에 전달되어야 하는 열의 양을 계산할 때 필요할 수 있습니다.

쌀. 1. 방을 데우기 위해 물에 전달되어야 하는 열의 양

또는 다양한 엔진에서 연료가 연소될 때 방출되는 열량을 계산하려면 다음을 수행하십시오.

쌀. 2. 엔진에서 연료가 연소될 때 방출되는 열량

예를 들어, 태양에 의해 방출되어 지구에 떨어지는 열의 양을 결정하는 데에도 이 지식이 필요합니다.

쌀. 3. 태양이 방출하여 지구에 떨어지는 열의 양

열량을 계산하려면 세 가지 사항을 알아야 합니다(그림 4).

체중(보통 체중계를 사용하여 측정할 수 있음)
신체를 가열하거나 냉각해야 하는 온도 차이(보통 온도계를 사용하여 측정)
신체의 비열 용량 (표에서 확인할 수 있음)

쌀. 4. 결정하기 위해 알아야 할 사항

열량을 계산하는 공식은 다음과 같습니다.

이 공식에는 다음과 같은 양이 나타납니다.

줄(J)로 측정한 열량입니다.

물질의 비열 용량은 로 측정됩니다.

- 섭씨로 측정된 온도 차이().

열량을 계산하는 문제를 고려해 봅시다.

일

그램 질량의 구리 유리에는 특정 온도에서 리터 양의 물이 들어 있습니다. 물 한 컵의 온도가 와 같아지려면 얼마나 많은 열이 전달되어야 합니까?

쌀. 5. 문제 상황의 예시

먼저 짧은 조건( 주어진) 모든 수량을 국제 시스템(SI)으로 변환합니다.

*주어진:*	시

*찾다:*

해결책:

먼저, 이 문제를 해결하기 위해 필요한 다른 수량을 결정하십시오. 비열 용량 표(표 1)를 사용하여 (조건에 따라 유리가 구리이기 때문에 구리의 비열 용량), (조건에 따라 유리에 물이 있기 때문에 물의 비열 용량)을 찾습니다. 또한, 우리는 열량을 계산하려면 대량의 물이 필요하다는 것을 알고 있습니다. 조건에 따라 볼륨 만 제공됩니다. 따라서 표에서 물의 밀도를 구합니다(표 2).

테이블 1. 일부 물질의 비열 용량,

테이블 2. 일부 액체의 밀도

이제 우리는 이 문제를 해결하는 데 필요한 모든 것을 갖추고 있습니다.

최종 열량은 구리 유리를 가열하는 데 필요한 열량과 그 안에 있는 물을 가열하는 데 필요한 열량의 합으로 구성됩니다.

먼저 구리 유리를 가열하는 데 필요한 열량을 계산해 보겠습니다.

물을 가열하는 데 필요한 열량을 계산하기 전에 7학년부터 우리에게 친숙한 공식을 사용하여 물의 질량을 계산해 보겠습니다.

이제 다음을 계산할 수 있습니다.

그러면 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

킬로줄이 무엇을 의미하는지 기억해 봅시다. 접두사 "킬로"는 다음을 의미합니다. .