Изучавайте температурата и топлината със списъка от упражнения за: настройка на температура и топлина, разширение и термично равновесие, термометрични скали, пренос на топлина, латентна и чувствителна топлина. Има няколко решени и коментирани упражнения, за да научите и да разрешите съмненията си.
Упражнения за настройка на температура и топлина
Упражнение 1
Определете и разграничете температурата и топлината.
Температурата е мярка за топлинното състояние на физическо тяло или система. Той определя степента на възбуда на частиците, които изграждат тази система.
Следователно температурата е величина, нещо, което може да бъде измерено. В Международната система от единици мерната единица за температура е Келвин (K). Други често срещани единици са Целзий (°C) и Фаренхайт (°F).
Топлината е движението на топлинната енергия. Топлинната енергия се прехвърля от по-енергични тела с по-висока температура към по-малко енергични тела и системи с по-ниска температура. Този пренос на енергия се осъществява чрез процеси като: проводимост, конвекция и облъчване.
Тъй като топлината е форма на енергия, в Международната система от единици тя се измерва в джаули (J). Друга често срещана мярка за топлина е калориите (вар).
Основната разлика между температурата и топлината е, че температурата е мярка за топлинното състояние, докато топлината е преносът на топлинна енергия между телата.
Упражнение 2
Определете какво е топлинно равновесие.
Топлинното равновесие е състоянието, при което различни тела в една и съща среда са при една и съща температура, тоест имат едно и също топлинно състояние.
Тъй като топлината е пренос на топлинна енергия от по-топли тела към по-хладни, преди това по-горещите тела се охлаждат, тъй като отделят топлина. От друга страна, телата, които получават тази топлина, които преди са били по-студени, стават топли.
Това изменение на температурата спира, когато няма повече топлина между телата, което означава, че няма повече пренос на топлинна енергия между тях. В това състояние температурите им са еднакви.
Упражнение 3
Обяснете следното явление:
Лора току-що се събуди и стана от леглото в един студен зимен ден. След като стана от топлото си легло, тя докосва краката си до килима на пода на спалнята си и се чувства комфортно, дори и в босите си крака. Когато влезете в кухнята, босите ви крака усещат студ при докосване на пода.
Цялата среда на къщата беше изложена на едни и същи температурни условия през цялата нощ. Защо Лора изпитва различни усещания, когато ходи боса в спалнята и в кухнята?
Усещанията за топло и студено са свързани с няколко фактора, някои дори субективни. Различните хора могат да усетят и възприемат една и съща температура по различни начини. В текста обаче един и същ човек има различни усещания в среда, за която се предполага, че е в топлинно равновесие, тоест където телата са с еднаква температура.
Единствената разлика е в материала, с който влиза в контакт. Коефициентът на топлопроводимост е свойство на материалите и показва колко лесно се пренася топлинната енергия. Колкото по-голяма е стойността на топлопроводимостта, толкова по-лесно е преносът на топлинна енергия.
Тъй като керамичният под има по-голяма топлопроводимост от вълнения или памучен килим, тялото на Лора губи много. повече енергия при ходене през кухнята, отколкото при ходене по килима, което я кара да тълкува, че подът е повече студ.
Упражнения за топлинно равновесие
Упражнение 4
(IFF 2016) В лабораторната дейност учителят по физика предлага студентите да смесят 1 л вода с температура 100°C с 500 mL вода при 4°C. Въпреки това, преди да смесят и измерят температурата на топлинното равновесие, учениците трябва да изчислят температурата на топлинното равновесие. Помислете за незначителни топлинни загуби и че теоретичният резултат е равен на експерименталната стойност. Може да се каже, че тази равновесна температура е валидна:
а) 68°С.
б) 74°С.
в) 80°С.
г) 32°С.
д) 52°С.
Правилен отговор: а) 68°C.
Обективен: определете температурата на топлинното равновесие ().
Данни:
1L = 1000 ml вода при 100°C;
500 ml вода при 4°C
Физико-математически модел
При топлинно равновесие няма повече пренос на топлинна енергия, така че сумата от топлината на порциите вода при 100°C и 4°C е равна на нула.
Тъй като и от двете страни на уравнението специфичната топлина е еднаква, можем да ги премахнем.
Следователно, равновесната температура ще бъде 68°C.
Упражнения върху термометрични везни
Упражнения 5
(SENAC - SP 2013) Пристигането на човека на Луната се случи през 1969 г. Структурата на Луната е скалиста и практически няма атмосфера, което означава, че през деня температурата достига 105 °C, а през нощта пада до −155 °C.
Тази термична вариация, измерена по температурната скала на Фаренхайт, е валидна
а) 50.
б) 90.
в) 292.
г) 468.
д) 472.
Правилен отговор: г) 468.
Връзката между скалата на °C по Целзий и скалата на °F се дава от:
Където,
е температурната промяна в градуси по Целзий и,
е вариацията на Фаренхайт.
Температурата на лунната повърхност варира между 105°C и през нощта -155°C. Следователно общото изменение е 260°C.
105 - (-155) = 260
Замествайки във формулата, имаме:
Упражнения 6
(UESPI 2010) Студент чете научно-фантастичния роман „451 по Фаренхайт“ от Рей Бредбъри. В определен пасаж един от героите твърди, че 451 °F е температурата по скалата на Фаренхайт, при която гори хартията, от която са направени книгите. Ученикът знае, че в тази скала температурите на топене и кипене на водата са съответно 32°F и 212°F. Той правилно заключава, че 451°F е приблизително еквивалентно на:
а) 100 °C
б) 205 °С
в) 233 °С
г) 305 °С
д) 316 °С
Правилен отговор: в) 233 °C.
Скалите на Целзий и Фаренхайт са свързани с:
Замяна на 451°F с , ние имаме:
От опциите за реакция 233°C е най-близката.
Упражнения 7
(FATEC 2014) По време на състезание от Формула Инди или Формула 1, пилотите са подложени на гореща микросреда в пилотската кабина, която достига 50°C, генерирана от различни източници на топлина (от слънце, двигател, терен, мозъчен метаболизъм, мускулна активност и др.). Тази температура е много над допустимата средна телесна температура, така че те винаги трябва да са в добро физическо състояние.
Състезанията на Formula Indy са по-традиционни в САЩ, където отчитането на температурата е възприето по скалата на Фаренхайт. Въз основа на информацията, представена в текста, правилно е да се каже, че температурата в пилотската кабина, която един автомобил от Формула Инди достига по време на състезанието, в градуси по Фаренхайт, е
Данни:
Температура на топене на леда = 32°F;
Температура на вряща вода = 212°F.
а) 32.
б) 50.
в) 82.
г) 122.
д) 212.
Правилен отговор: г) 122
За да свържем двете температури, използваме уравнението:
подмяна за 50 и решаване за
, ние имаме:
Следователно температурата в пилотската кабина във Фаренхайт е 122°F.
Упражнения за разпространение на топлина
Упражнение 8
(Enem 2021) В ръководството с инструкции за хладилник има следните препоръки:
• Дръжте вратата на хладилника си отворена само толкова дълго, колкото е необходимо;
• Важно е да не възпрепятствате циркулацията на въздуха при лошо разпределение на храната по рафтовете;
• Оставете разстояние от най-малко 5 см между задната част на продукта (змиевиден радиатор) и стената.
Въз основа на принципите на термодинамиката, обосновките за тези препоръки са съответно:
а) Намалете изхода на студ от хладилника към околната среда, осигурете предаването на студ между храните на рафта и позволете топлообмен между радиатора и околната среда.
б) Намалете студената мощност на хладилника към околната среда, гарантирайте конвекция на вътрешния въздух, гарантирайте топлоизолация между вътрешните и външните части.
в) Намалете топлинния поток от околната среда към вътрешността на хладилника, осигурете конвекция на вътрешния въздух и позволите обмена на топлина между радиатора и околната среда.
г) Намалете топлинния поток от околната среда към вътрешността на хладилника, осигурете предаване студа между храните на рафта и позволяват обмен на топлина между мивката и околната среда.
д) Намалете топлинния поток от околната среда към вътрешността на хладилника, гарантирайте конвекцията на вътрешния въздух и гарантирайте топлоизолация между вътрешните и външните части.
Правилен отговор: в) Намалете топлинния поток от помещението към вътрешността на хладилника, осигурете конвекция на вътрешния въздух и позволите топлообмена между радиатора и околната среда.
Дръжте вратата на хладилника затворена, отваряйки само необходимото, предотвратява навлизането на топлина от външната среда.
Вътре в хладилника топлообменът между студената вътрешна среда и храната произвежда въздушни потоци чрез конвекция. Тези течения са необходими за охлаждане на храната.
Топлината, взета от храната и обменена с хладилния агент на хладилника, се транспортира до радиатора отзад. Тази топлина ще се обменя с околната среда, главно чрез конвекция, така че е необходимо място.
Упражнение 9
(UEPB 2009) Едно дете, което хареса brideiro, реши да направи този бонбон и за това започна да разделя съставките и приборите. Първоначално взе кутията с кондензирано мляко, шоколада на прах и маргарина, след това стоманен тиган и лъжица и отварачка за консерви. Детето е пробило дупка в кутията, за да изцеди кондензираното мляко в тигана. Майка му, като видяла това отношение, предложила на сина да пробие още една дупка в кутията, за да може по-лесно да отстрани тази течност. Когато постави тенджерата на огъня, за да бърка бригадейро, детето усети, че след няколко минути дръжката на лъжицата се е затоплила и се оплаква: „Мамо, лъжицата гори ръката ми“. Затова майка му го помоли да използва дървена лъжица, за да предотврати изгаряне.
За затоплянето на лъжицата, посочено в оплакването на детето, че ръката му гори, можем да кажем, че
а) с дървена лъжица, която е отличен топлоизолатор, се нагрява по-бързо от стоманена лъжица.
б) това се случва, защото частиците, които съставляват лъжицата, създават конвекционни потоци, нагрявайки я напълно, от единия край до другия.
в) поради облъчване лъжицата се нагрява напълно, от единия до другия край.
г) с дървена лъжица, която е отличен топлопроводник, се нагрява по-бързо от стоманена лъжица.
д) това се случва, защото частиците, които съставляват лъжицата, започват да провеждат погълнатата там топлина от единия край до другия.
Правилен отговор: д) това се случва, защото частиците, които съставляват лъжицата, започват да провеждат погълнатата от нея топлина от единия край до другия.
Процесът на разпространение на топлината е проводимост. Само енергията се пренася от частица към заобикалящата я среда. Металите са отлични топлопредаватели.
Упражнение 10
(Enem 2016) В експеримент учителят оставя две тави с еднаква маса, едната пластмасова, а другата алуминиева, на лабораторната маса. След няколко часа той моли учениците да оценят температурата на двете тави с помощта на докосване. Учениците му категорично твърдят, че алуминиевата тава е на по-ниска температура. Заинтригуван, той предлага второ занимание, при което поставя кубче лед върху всяка от тавите, което са в топлинно равновесие с околната среда и ги пита при каква ще бъде скоростта на топене на леда по-голям.
Ученикът, който отговори правилно на въпроса на учителя, ще каже, че ще се случи топенето
а) по-бързо върху алуминиевата тава, тъй като има по-висока топлопроводимост от пластмасата.
б) по-бързо на пластмасовата тава, тъй като първоначално има по-висока температура от алуминиевата.
в) по-бързо върху пластмасовата тава, тъй като има по-висок топлинен капацитет от алуминиевата.
г) по-бързо на алуминиевата тава, тъй като има по-ниска специфична топлина от пластмасовата.
д) с еднаква скорост на двете тави, тъй като те ще имат една и съща разлика в температурата.
Правилен отговор: а) по-бързо на алуминиевата тава, тъй като има по-висока топлопроводимост от пластмасовата.
Ледът се топи по-бързо в тавата, което пренася топлината с по-висока скорост, т.е. по-бързо. Тъй като металите имат по-голяма топлопроводимост, алуминиевата тава предава повече топлина на леда и той ще се стопи по-бързо.
Упражнение 11
(Enem 2021) В град Сао Пауло, топлинните острови са отговорни за промяната на посоката на потока на морския бриз, който трябва да достигне до пролетния регион. Но когато пресича топлинния остров, морският бриз сега се натъква на вертикален въздушен поток, който пренася за нея топлинната енергия, погълната от горещите повърхности на града, измествайки я на високи места височини. По този начин вместо в пролетния район има конденз и обилен дъжд в центъра на града. Изображението показва трите подсистеми, които обменят енергия в това явление.
Тези механизми са съответно
а) облъчване и конвекция.
б) облъчване и облъчване.
в) проводимост и облъчване.
г) конвекция и облъчване.
д) конвекция и конвекция.
Правилен отговор: а) облъчване и конвекция.
Облъчването е процесът на пренос на топлина между слънцето и градовете. При този процес топлината се предава чрез електромагнитно излъчване.
Конвекцията е процес на пренос на топлина между топлинните острови и морския бриз. При този процес топлината се предава от течна среда, в този случай въздух, чрез нейните движения. При конвекция горещият въздух, който се разширява, става по-малко плътен и се издига. По-хладният въздух на по-голяма надморска височина, по-плътен, се спуска надолу, създавайки въздушни течения, които обменят топлина.
Упражнения за латентна топлина и чувствителна топлина
Упражнение 12
(Enem 2015) Високите температури на горене и триенето между подвижните му части са някои от факторите, които причиняват нагряване на двигателите с вътрешно горене. За предотвратяване на прегряване и последваща повреда на тези двигатели са разработени текущи охладителни системи, в които течност охладител със специални свойства циркулира във вътрешността на двигателя, поглъщайки топлината, която при преминаване през радиатора се прехвърля към атмосфера.
Какво свойство трябва да притежава охлаждащата течност, за да изпълнява най-ефективно своето предназначение?
а) Висока специфична топлина.
б) Висока латентна топлина на синтез.
в) Ниска топлопроводимост.
г) Ниска температура на кипене.
д) Висок коефициент на топлинно разширение.
Правилен отговор: а) Висока специфична топлина.
Специфичната топлина е свойство на материала, в този случай на охлаждащата течност. Той показва количеството топлина, което трябва да получи или отдаде за една единица маса, за да промени една единица температура.
С други думи, колкото по-висока е специфичната топлина, толкова повече топлина може да получи, без да повишава температурата си твърде много. Веществата с висока специфична топлина имат по-малка чувствителност към промяна на температурата.
По този начин охлаждащата течност с висока специфична топлина може да "събере" по-голямо количество топлинна енергия от двигателя, без да кипи.
Упражнение 13
(FATEC 2014) В час по дисциплината Физика в курса по заваряване във Fatec, отговорният учител разглежда с учениците тема, която са виждали в гимназията. Обяснява как да се извърши анализ на графика за промяна на състоянието на дадено хипотетично чисто вещество. За това просто трябва да оценим физическите величини, представени на осите и графиката, образувана от връзката между тези количества. В тази графика участъкът, който представя наклон, показва промяна в температурата поради поглъщане на енергия, а този, който представя плато (хоризонтална секция), показва промяна в състоянието поради поглъщане на енергия.
След това обяснение той пита учениците какво е общото количество енергия, погълната от вещество между края на промяната на състоянието за течността, до края на промяната на състоянието за газообразен.
Правилният отговор на този въпрос в калории е
а) 2000 г.
б) 4000.
в) 6000.
г) 10 000.
д) 14 000.
Правилен отговор: г) 10 000.
Тази промяна се извършва между 4000 и 14000 калории. Веществото е напълно в течно състояние, когато рампата стартира след първото плато. Превръщането от течна в газообразна фаза се извършва на второто плато.
Упражнения за термична дилатация
Упражнение 14
(URCA 2012) Радиусът на основата на метален конус, чиято плътност е равна на 10 g/cm3, има при 0°C начална дължина Ro = 2 cm. При нагряване на този конус до температура от 100°C, неговата височина варира Δh = 0,015 cm. При маса на конуса от 100 g, средният коефициент на линейно разширение на материала е:
Правилен отговор:
Обективен: определете коефициента на линейно разширение ().
Данни = 0,015 см
Начален радиус, = 2 cm = 100°С
маса, m = 100 g
плътност, d = 10 g/cm3
Математически и физически модел на линейно топлинно разширение
Където, е коефициентът на линейно разширение.
е вариацията на височината.
е началната височина.
е разликата в температурата.
Изолиращо ,
и
Те са осигурени. По този начин да се определи
, е необходимо да се определи
.
За да се определи нека използваме съотношенията на обема и плътността.
обем на конуса
Плътност
изолиращ V,
Заместване на стойността на V и r в уравнението на обема и изготвяне = 3,
Сега можем да заменим в уравнението на коефициента на топлинно разширение,
превръщайки се в научна нотация
0,0006 =
научете повече за
- топлина и температура.
- разпространение на топлина
- чувствителна топлина
- Специфична топлина
- Термална енергия
- Топлинно разширение
- Термичен капацитет
- топлопроводимост
- Термична конвекция
- Термично облъчване
