Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu www.szkolnictwo.pl

Wszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu www.szkolnictwo.pl mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.

Cząsteczki, atomy czy jony substancji są w ciągłym chaotycznym ruchu.Drgają wokół swoich położeń równowagi. Poruszają się od zderzenia do zderzenia Na skutek wzajemnych zderzeń różne cząsteczki mają różne prędkości, więc i również różną wartość energii kinetycznej.

Każda cząsteczka przyciąga inne cząsteczki i sama jest przez nie przyciągana.Gdy natomiast działając z zewnątrz chcemy zbytnio zbliżyć do siebie cząsteczki, wtedy pojawiają się siły wzajemnego odpychania. Siły międzycząsteczkowe są siłami wzajemnego przyciągania lub odpychania.W związku z istnieniem sił międzycząsteczkowych cząsteczki posiadają energię potencjalną Ep. Jej wartości zależy od wielkości tych sił, co jest związane z rodzajem cząsteczek oraz odległościami miedzy nimi.

Energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznej cząstek ciała i Energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznej cząstek ciała i energii ich wzajemnego oddziaływania ( energii potencjalnej). energii ich wzajemnego oddziaływania ( energii potencjalnej).

Energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznej cząstek ciała i Energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznej cząstek ciała i energii ich wzajemnego oddziaływania ( energii potencjalnej). energii ich wzajemnego oddziaływania ( energii potencjalnej).

śrpśrkw EEE

1. W wyższej temperaturze zachodzi bardziej intensywny ruch bezładny cząsteczek.

2. Wzrost energii kinetycznej cząsteczek powoduje wzrost temperatury ciała.3. Jeśli ciała maja taką samą temperaturę, to średnia energia kinetyczna cząstek,

z których są zbudowane, dla obu ciał jest taka sama.

Temperatura jest miarą energii kinetycznej cząstek materii (atomów, cząsteczek, jonów itp. ).

Im wyższa jest jej wartość, tym większą średnią energię kinetyczną posiadają cząstki budujące dane ciało.

Do określenia temperatury używamy najczęściej skali Celsjusza i skali Kelvina. Kelvin[K] jest jednostką układu SIMiędzy obiema skalami zachodzą więc następujące zależności:

273

273

)()(

)()(

KelvinCelsjusz

CelsjuszKelvin

TT

TT

Temperatura 0[K] to zero absolutne, najniższa możliwa temperatura, w której cząsteczki nie wykonują żadnych drgań. Zero absolutne nigdy nie zostało osiągnięte

Wartość energii wewnętrznej jest trudna do ustalenia. Istotniejsza i łatwiejsza do określenia jest zmiana energii wewnętrznej, dlatego określając energię wewnętrzną układu pomija się te rodzaje energii, które nie zmieniają się w rozpatrywanym układzie termodynamicznym.

TF

s

Przykłady: rozgrzewanie się opon podczas hamowania, wierteł podczas pracy, metalu podczas piłowania Kosztem wykonania pracy nad ciałem (układem ciał) wzrosła ich energia wewnętrzna.Wykonanie pracy przez ciało (układ ciał) powoduje zmniejszenie jego energii wewnętrznej.Przykład: rozprężanie gazów

Cieplny przepływ energii

Przy bezpośrednim kontakcie ciał o różnych Ek ruchu cząsteczek (różne temperatury ciał), następuje przekazywanie Ek od cząsteczek o jej większej wartości do cząsteczek o mniejszej wartości energii kinetycznej.Jeżeli EK1 > EK2 (T1 > T2) to proces przebiega od ciała 1 do ciała 2.Proces przekazywania energii trwa tak długo, aż stany energii kinetycznej cząsteczek obu ciał będą jednakowe ( T1 = T2)

Cieplny przepływ energii – proces fizyczny polegający na zderzaniu się cząsteczek ciał o różnej temperaturze, w wyniku czego dochodzi do wyrównania temperaturIlość energii przekazywaną w cieplnym przepływie energii oznacza się literą Q i nazywa się ciepłem.

Podczas wymiany ciepła nie jest wykonana praca mechaniczna, a przekazywanie energii odbywa się na drodze przewodzenia, konwekcji lub promieniowania

Formy wymiany ciepła: konwekcja - przekazywanie energii w gazach i cieczach przez przemieszczanie się większych ilości cząsteczek, typowym przykładem jest obieg powietrza w pokoju w którym źródło ciepła umieszczone jest na podłodze, nagrzane powietrze uniesie się do sufitu (jest lżejsze niż powietrze chłodniejsze) i zajmie miejsca powietrza chłodniejszego , które opadnie i nagrzeje się,przewodzenie - ciała pomiędzy którymi zachodzi wymiana ciepła są ze sobą w bezpośrednim kontakcie,promieniowanie - energia jest przekazywana przez promieniowanie elektromagnetyczne, które może być wytworzone przez drgania elektronów i protonów w innym ciele.

Energię wewnętrzną (Ew) można zmienić przez wykonanie pracy lub przez cieplny przepływ energii (Q), albo obydwoma sposobami naraz (przykład: rozgrzane kowadło uderzane młotem).

Zmiana energii wewnętrznej jest równa sumie pracy (W) wykonanej przez układ bądź nad układem i ciepła (Q)dostarczonego lub oddanego przez układ.

QWΔE

Umowa dotycząca znaku •Jeśli praca lub ciepło są dostarczane do ciała (układu ciał), to są one liczone ze znakiem plus - są dodatnie. •Jeżeli są odbierane od ciała (układu ciał) , czyli jeśli to ciało/układ wykonuje jakąś pracę, to odpowiednie wartości będą ujemne.

Jeśli wzrost energii wewnętrznej ciała odbywa się tylko na skutek pobierania ciepła, to ∆E = Q

przykład

Podczas prasowania żelazko podgrzało tkaninę energią 200 J, a w wyniku tarcia została do niego dodatkowo dostarczona energia 10 J (zakładamy, że nie było ubytków ciepła). W rezultacie energia wewnętrzna tkaniny wzrosła o:∆E= Q + W = 200 J + 10 J = 210 J

Przewodniki cieplne – ciała które dobrze przewodzą ciepło.       Do  najlepszych przewodników należą metale: srebro, miedź aluminium,                   Dobrym przewodnikiem ciepła jest także diament.     Izolator cieplne – ciała, które źle cieplnie przewodzą energię.        Dobrymi izolatorami cieplnymi są: tworzywa sztuczne, drewno, szkło, tłuszcze, futro, pierze, próżnia, unieruchomione powietrze.

Zastosowanie przewodników i izolatorów:Przewodniki i izolatory będą miały zupełnie inne zastosowania. Wszelkiego rodzaju elementy urządzeń grzewczych wykonamy z materiałów dobrze przewodzących ciepło np. kaloryfer. Wszędzie tam gdzie chcemy zapobiec  przewodzeniu stosujemy izolatory np.: w mroźne zimowe dni  siedzące nieruchomo ptaki stroszą pióra, aby utworzyć między nimi jak, najgrubszą warstwę powietrza, która stanowi dobrą izolację przed wymianą ciepła z otoczeniem. Eskimosi budują igloo, gdyż własności izolujące lodu nie pozwalają aby ciepło wydostawało się na zewnątrz.Najlepszym izolatorem jest próżnia. W próżni nie ma cząsteczek.

Wiemy, że jedne substancje ogrzewają się szybciej np. ołów, stal, a inne wolniej np woda.Oczywiście związane jest to z ich budową wewnętrzną.Aby dokładnie opisać tą właściwość wprowadzono pojęcie ciepła właściwego.

Ciepło właściwe jest to wielkość fizyczna, która informuje nas ile ciepła ( energii) należy dostarczyć, aby ogrzać 1 kg danej substancji o 1 K ( 1 oC)Symbol ciepła właściwego cw

przykład Ciepło właściwe wody ma wartość Kkg

Jcw

4200

Oznacza to, że aby ogrzać 1 kilogram wody o 1K (1oC) potrzebne jest dostarczenie energii o wartości 4200 dżuli.

Przykładowe wartości ciepła właściwegoołów 130

lód 2100

tlen 916

spirytus 2400

Wiemy, że zmiana temperatury związana jest ściśle z energią kinetyczną cząsteczek. Im wzrost temperatury większy, tym większa wartość dostarczonego ciepła - ∆T Wiemy, że jedne ciała ogrzewają się łatwiej inne trudniej. Zależy, więc od rodzaju substancji z której wykonane jest ciało – cw

Im większa ilość ogrzewanej substancji, tym więcej energii trzeba dostarczyć - m

Ciepło potrzebne do ogrzania ciała o ∆T można obliczyć ze wzoru na ilość ciepła:

Q= cw· m·∆TQ= cw· m·∆TQ– ilość ciepła; cw– ciepło właściwe; ∆T – różnica temperatur; m– masa ciała

Ile energii należy dostarczyć wodzie m=2kg, o temperaturze T1=300K, aby podgrzać ją do temperatury T2 = 350K. Ciepło właściwe wody wynosi: Kkg

Jcw

4200

Dane: m = 2 kgTp = 300KTk = 350Kcw = 4200J/kgK

Ew = cw∙m∙∆T ► Ew = cw∙ m∙ (Tk – Tp)

Ew = 4200∙2∙(350 – 300)Ew = 420000 J

][ JKkgKkg

J

przykład

przykład

Ile ciepła przekaże do otoczenia 250ml wody to temperaturze 80 ºC pozostawionej w pomieszczeniu o temperaturze 20 ºC do czasu wyrównania się temperatury wody z otoczeniem.

Dane:V = 250 ml = 0,25 dm3 → m = 0,25 kg

Tp = 80oCTk = 20oCCw = 4200 J/kgoC

Q = cw∙m∙∆T ► Q = cw∙ m∙ (Tp – Tk)

Ew = 4200∙0,25∙(80 – 20)Ew =63000J ][ JCkg

Ckg

J oo

Bilansem cieplnym nazywamy zasadę zachowania energii cieplnej dla stykających sie ciał o różnej temperaturze, między którymi zachodzi wymiana energii.Jeżeli nie ma wymiany ciepła z otoczeniem (co jest spełnione w dobrze izolowanym kalorymetrze) to ilość ciepła traconego przez ciała o wyższej temperaturze równa jest ilości ciepła pobranego przez ciało o niższej temperaturze.

Przy założeniu, że nie zachodzi wymiana energii z otoczeniem tzn. układ jest izolowany.

ciepło oddane = ciepło pobraneQoddane = Q pobrane

Przy założeniu, że nie zachodzi wymiana energii z otoczeniem tzn. układ jest izolowany.

ciepło oddane = ciepło pobraneQoddane = Q pobrane

przykładDo wanny zawierającej 30l wody o temp. 20oC dolano 10l wody o temp. 80oC. Jaka będzie temperatura końcowa wody zmieszanej? Nie bierzemy pod uwagę strat energii na ogrzanie otoczenia.Dane:V1 = 30l = 30dm3 ; T1 = 20oC szukane: Tk = ? m= d∙V → m1 = 30kg; m2 = 10 kg V2 = 10l = 10 dm3; T2 = 80oC d wody = 1kg/dm3 Q1 = cw∙m1∙(Tk –T1) ---- ciepło pobrane cw = 4200J/kgoC Q2 = cw∙m2∙( T2 –Tk) ----ciepło oddane

Q1 = Q2

C35T

30kg10kg

C2030kgC8010kgT

mm

Tm TmT

ok

oo

k

21

1122k

cw∙m1∙(Tk –T1) = cw∙m2∙( T2 –Tk) |: cw

m1(Tk –T1) = m2(T2 – Tk) → m1Tk – m1T1 = m2T2 –m2Tk ( wyznaczamy Tk)

Odp. Końcowa temperatura wody to 35oC.

Z zasady zachowania energii wewnętrznej, otrzymujemy równanie:

Ciepło pobrane przez porcelanę

)( ppkppp TTmcQ

)T(Tmc)T(Tm kpwwwppkp pc

Wyznaczamy cp

Ckg

J805,5

C730,1kg

C70,2kgCkg

J4200

c

)T(Tm

)T(Tmcc

00

00

p

ppkp

kpwwwp

Ciepło właściwe porcelany wynosi ok.805 J/kgoC

Dane:1.Masa porcelany mp = 100g = 0,1 kg2.Masa wody mw = 200g = 0,2 kg3.Temperatura początkowa porcelany Tpp = 20oC4.Temperatura początkowa wody Tpw = 100oC5.Temperatura końcowa wody i porcelany Tk = 93oC6.Ciepło właściwe wody cw = 4200 J/kgoC7.Ciepło właściwe porcelany - ???

Do porcelanowej filiżanki o masie 100g, znajdującej się w pokoju, gdzie temperatura powietrza wynosi 200C, wlano 200g wrzątku (o temperaturze 1000C). temperatura wody i filiżanki ustaliła się na 930C. Ile wynosi ciepło właściwe porcelany?

Ciepło oddane przez wodę

przykład

)( kpwwwod TTmcQ

Kalorymetr to przyrząd laboratoryjny do pomiaru ciepła wydzielanego lub pobieranego podczas procesów fizycznych. i chemicznych.Wykorzystywany jest przede wszystkim do wyznaczania ciepła właściwego cieczy i ciał stałych, ciepła topnienia i ciepła parowania

Najprostszy kalorymetr, tzw. "szkolny" składa się z dwóch naczyń, wykonanych najczęściej z aluminium, umieszczonych jedno wewnątrz drugiego. Wewnętrzne naczynie spoczywa na drewnianej podstawce (drewno jest dobrym izolatorem), a od góry przestrzeń między naczyniami zakrywa pokrywka, gdyż uwięzione powietrze pełni rolę izolatora. W przykrywce wewnętrznego naczynia są dwa otwory: z jednego wystaje mieszadło umożliwiające wyrównanie temperatur ciał w kalorymetrze, do drugiego można włożyć termometr. Tego rodzaju kalorymetr jest skuteczny gdy zmiany temperatury układu są duże i można go stosować wyłącznie do układów ciekłych.

W laboratoriach wykorzystuje się kalorymetry o bardzo dużej dokładności i dobrze izolowane, często połączone z komputerem.

Ciepło może również być wymieniane bez zmiany temperatury !

Prześledźmy proces topnienia lodu. Lód będzie powoli topniał, pobierając ciepło z otoczenia i tym samym powodując zmniejszenie jego temperatury. Po stopieniu ostatniej drobiny lodu okazuje się, że powstała woda ma również temperaturę identyczną z lodem, który topił się. ( temperatura topnienia – temperatura krzepnięcia)Cóż więc stało się z energią powietrza oddanego topniejącej bryłce lodu? Nie nastąpiło zwiększenie średniej energii kinetycznej cząsteczek wodyWraz z przejściem lodu w wodę, zmienił się układ cząsteczek wewnątrz substancji. Cząsteczki lodu tworzyły uporządkowaną sieć krystaliczną. Porządek został zniszczony, wbrew siłom chcącym znów zbliżać cząstki do siebie i połączyć je w zwartą sieć. Oddalenie cząstek i ich „oswobodzenie” wymagało dostarczenia sporej ilości energii, która została następnie, po rozerwaniu sieci, zmagazynowana w formie potencjalnej energii.

W czasie topnienia temperatura ciała jest stała,ponieważ dostarczona energia zostaje zużyta na wykonanie pracy związanej ze zmianą skupienia.Ilość energii pobrana przez ciało podczas topnienia jest równa ilości energii oddanej podczas krzepnięcia.(Zgodnie z zasadą zachowania energii)

W czasie topnienia temperatura ciała jest stała,ponieważ dostarczona energia zostaje zużyta na wykonanie pracy związanej ze zmianą skupienia.Ilość energii pobrana przez ciało podczas topnienia jest równa ilości energii oddanej podczas krzepnięcia.(Zgodnie z zasadą zachowania energii)

Ciepło topnienia to ilość energii potrzebna do stopienia 1 kg substancji w temperaturze topnienia różne (dla różnych substancji)

Ciepło krzepnięcia (równe ciepłu topnienia) czyli ilość energii oddawana podczas krzepnięcia  1 kg substancji ( w temperaturze krzepnięcia).

Ciepło parowania (w temperaturze wrzenia) to energią potrzebna do wyparowania 1 kg cieczy

Ciepło skraplania jest równe ciepłu parowania w danej temperaturze

ciepło potrzebne do stopienia ciała (bez zmiany temperatury)

Qt= ct· m 1. Qt– ilość ciepła; 2. ct– ciepło topnienia; 3. m– masa ciała

ciepło oddane przez ciało krzepnące (bez zmiany temperatury)

Qk= ck· m 1. Qk– ilość ciepła; 2. ck– ciepło krzepnięcia; 3. m– masa ciała; (ck= ct)

ciepło potrzebne do zmiany cieczy w parę (bez zmiany temperatury)

Qp= cp· m 1. Qp– ilość ciepła; 2. cp– ciepło parowania; 3. m– masa cieczy

ciepło oddane przez parę pod- czas skraplania (bez zmiany temperatury)

Qs= cs· m 1. Qs– ilość ciepła; 2. cs– ciepło skraplania; 3. m– masa pary; (cs= cp)

Oblicz ilość ciepła, które należy dostarczyć 1 litrowi wody o temperaturze 20°C, by się zagotowała, a następnie wyparowała. Dla wody ciepło parowania w temp. wrzenia wynosi:2258000 J/kgDane: m=1kgT1=20stopni CT2=100 stopni Ccw=4200 J/ kg oCcp=2258000 J/kg

szukane:Q1=? Q1=ilość ciepła potrzebna do ogrzania wody do temperatury wrzeniaQ2=? Q2= ilość ciepła potrzebna do wyparowania wodyQ = Q1 + Q2

Q1=cw∙m∙∆TQ1=4200 J/kg oC ∙1 kg ∙ 80 oC Q1= 336000J=336kJ

Q2=cp∙mQ2=2258000J/kg ∙ 1 kg   Q2=2258000J=2258 kJ Q1 +Q2 = 2594 JNależy dostarczyć 2594 J energii.

przykład

Wielkość fizyczna

Określenie Symbol/wzór

Jednostka Uwagi

Energia wewnętrzna

Suma energii kinetycznych i potencjalnych cząstek z których składa się ciało

Ew dżul (J) Energię wewnętrzną ciała można zmienić, wykonując nad nim pracę (np. sprężając gaz) lub dostarczając mu ciepło

Ilość ciepła Jest to ta energia, która przepływa od ciała o wyższej do ciała o niższej temperaturze

Q=cw∙m∆T dżul (J) Ciepło może być przekazywane na trzy sposoby, przez przewodnictwo, przez konwekcję i przez promieniowanie

Ciepło właściwe

Jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania jednostki masy substancji o jeden Kelwin

cw= Q/m∆T dżul na kilogram i Kelwin (J/kg*K)

Ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/(kg∙K)

Temperatura Jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek tworzących ciało

T Kelwin (K) lub stopień Celsjusza (°C)

0 °C = 273 K

Energia wewnętrzna przekazywana jest zawsze z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Przekazywanie energii ustaje, gdy wyrównają się temperatury ciał.

Dokończ zdania:

A.Temperatura, to wielkość charakteryzująca stan danego ciała- jej miarą jest.................................................................................... .cząsteczek.

B.Energia wewnętrzna ciała, tosuma...............................................................................wszystkich cząsteczek substancji, z której zbudowane jest ciało.

C.Ciepłem właściwym nazywa się ilość energii cieplnej, jakiej należy dostarczyć, aby........................................................................................................................

D.Ciepłem topnienia nazywa się ilość energii cieplnej, jakiej należy dostarczyć, aby........................................................................................................................ w temperaturze topnienia

Bibliografia:

„ Nauczanie fizyki” H. Bonecki„ Fizyka 2” Rozenbajgier

http://pl.wikipedia.org/wiki/http://www.olimpus.edu.plhttp://fizykon.org/