Studujte teplotu a teplo se seznamem cvičení na: nastavení teploty a tepla, expanze a tepelná rovnováha, termometrické stupnice, přenos tepla, latentní a citelné teplo. Existuje několik vyřešených a komentovaných cvičení, které se můžete naučit a vyřešit své pochybnosti.
Cvičení na nastavení teploty a tepla
Cvičení 1
Definujte a rozlišujte teplotu a teplo.
Teplota je mírou tepelného stavu fyzického těla nebo systému. Určuje stupeň promíchání částic, které tvoří tento systém.
Teplota je tedy veličina, něco, co lze měřit. V mezinárodní soustavě jednotek je jednotkou měření teploty Kelvin (K). Další běžné jednotky jsou Celsius (°C) a Fahrenheit (°F).
Teplo je pohyb tepelné energie. Tepelná energie se přenáší z více energetických těles, s vyšší teplotou, do méně energetických těles a systémů, s nižší teplotou. Tento přenos energie probíhá prostřednictvím procesů, jako jsou: vedení, proudění a ozařování.
Protože teplo je forma energie, v Mezinárodní soustavě jednotek se měří v joulech (J). Dalším běžným měřítkem tepla je kalorie (vápno).
Hlavní rozdíl mezi teplotou a teplem je v tom, že teplota je mírou tepelného stavu, zatímco teplo je přenos tepelné energie mezi tělesy.
Cvičení 2
Definujte, co je tepelná rovnováha.
Tepelná rovnováha je stav, kdy různá tělesa ve stejném prostředí mají stejnou teplotu, to znamená, že mají stejný tepelný stav.
Protože teplo je přenos tepelné energie z teplejších těles na chladnější, dříve teplejší tělesa se ochlazují, protože uvolňují teplo. Na druhé straně tělesa, která toto teplo přijímají a která byla dříve chladnější, se zahřívají.
Toto kolísání teploty ustane, když mezi tělesy již není žádné teplo, což znamená, že mezi nimi již nedochází k přenosu tepelné energie. V tomto stavu jsou jejich teploty stejné.
Cvičení 3
Vysvětlete následující jev:
Laura se právě probudila a vstala z postele v chladném zimním dni. Poté, co vstala z vyhřáté postele, dotkla se nohama kobercové podlahy v ložnici a cítí se pohodlně, dokonce i naboso. Když vejdete do kuchyně, vaše bosé nohy pocítí chlad, když se dotknete dlaždicové podlahy.
Celé prostředí domu bylo po celou noc vystaveno stejným teplotním podmínkám. Proč má Laura jiné pocity při chůzi naboso v ložnici a v kuchyni?
Pocit tepla a chladu souvisí s několika faktory, některé dokonce subjektivními. Různí lidé mohou cítit a vnímat stejnou teplotu různými způsoby. Tentýž člověk má však v textu jiné vjemy v prostředí, které má být v tepelné rovnováze, tedy kde jsou tělesa ve stejné teplotě.
Jediným rozdílem je materiál, se kterým přichází do styku. Součinitel tepelné vodivosti je vlastnost materiálů a udává, jak snadno se tepelná energie přenáší. Čím vyšší je hodnota tepelné vodivosti, tím snazší je přenos tepelné energie.
Vzhledem k tomu, že keramická podlaha má větší tepelnou vodivost než vlna nebo bavlněný koberec, Laurino tělo hodně ztrácí. více energie při chůzi v kuchyni než při chůzi po koberci, což ji nutí interpretovat, že podlaha je více Studený.
Cvičení o tepelné rovnováze
Cvičení 4
(MFF 2016) V laboratorní aktivitě učitel fyziky navrhuje, aby studenti smíchali 1 l vody o teplotě 100 °C s 500 ml vody o teplotě 4 °C. Před smícháním a měřením teplotní rovnovážné teploty však studenti potřebují tepelnou rovnovážnou teplotu vypočítat. Uvažujte zanedbatelné tepelné ztráty a že teoretický výsledek je roven experimentální hodnotě. Dá se říci, že tato rovnovážná teplota platí:
a) 68 °C.
b) 74 °C.
c) 80 °C.
d) 32 °C.
e) 52 °C.
Správná odpověď: a) 68°C.
Objektivní: určit teplotní rovnovážnou teplotu ().
Data:
1 1 = 1000 ml vody při 100 °C;
500 ml vody o teplotě 4 °C
Fyzikální a matematický model
V tepelné rovnováze již nedochází k přenosu tepelné energie, takže součet tepl částí vody při 100°C a 4°C je roven nule.
Protože na obou stranách rovnice je měrné teplo stejné, můžeme je zrušit.
Proto bude rovnovážná teplota 68°C.
Cvičení na termometrických vahách
Cvičení 5
(SENAC - SP 2013) Přílet člověka na Měsíc se odehrál v roce 1969. Struktura měsíce je kamenitá a nemá prakticky žádnou atmosféru, to znamená, že ve dne teplota dosahuje 105 °C a v noci klesá na −155 °C.
Tato teplotní odchylka, měřená na teplotní stupnici Fahrenheit, je platná
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Správná odpověď: d) 468.
Vztah mezi stupnicí Celsia °C a stupnicí °F je dán vztahem:
Kde,
je kolísání teploty ve stupních Celsia a,
je variace na Fahrenheita.
Teplota na měsíčním povrchu se pohybuje mezi 105°C a v noci -155°C. Celková odchylka je tedy 260 °C.
105 - (-155) = 260
Dosazením ve vzorci máme:
Cvičení 6
(UESPI 2010) Student čte sci-fi román „451 Fahrenheit“ od Raye Bradburyho. V jisté pasáži jedna z postav tvrdí, že 451 °F je teplota na stupnici Fahrenheita, při které hoří papír, ze kterého se vyrábějí knihy. Žák ví, že na této stupnici jsou teploty tání a varu vody 32 °F a 212 °F. Správně dochází k závěru, že 451 °F je zhruba ekvivalentní:
a) 100 °C
b) 205 °C
c) 233 °C
d) 305 °C
e) 316 °C
Správná odpověď: c) 233 °C.
Stupnice Celsia a Fahrenheita spolu souvisí:
Nahrazení 451°F za , my máme:
Z možností odezvy je nejbližší 233°C.
Cvičení 7
(FATEC 2014) Během závodu Formule Indy nebo Formule 1 jsou řidiči vystaveni horkému mikroprostředí v kokpitu, které dosahuje 50°C, generovaných různými zdroji tepla (ze slunce, motoru, terénu, mozkového metabolismu, svalové aktivity atd.). Tato teplota je daleko nad tolerovatelnou průměrnou tělesnou teplotou, takže by měli být vždy v dobré fyzické kondici.
Závody Formule Indy jsou tradičnější v USA, kde se odečítání teploty používá na stupnici Fahrenheita. Na základě informací uvedených v textu je správné konstatovat, že teplota v kokpitu, které vůz Formule Indy dosáhne během závodu ve stupních Fahrenheita, je
Data:
Teplota tání ledu = 32°F;
Teplota vroucí vody = 212°F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Správná odpověď: d) 122
Abychom spojili tyto dvě teploty, použijeme rovnici:
nahrazovat za 50 a řešení za
, my máme:
Proto je teplota v kokpitu ve Fahrenheitu 122°F.
Cvičení o šíření tepla
Cvičení 8
(Enem 2021) V návodu k použití chladničky jsou následující doporučení:
• Nechávejte dveře chladničky otevřené pouze po nezbytně nutnou dobu;
• Je důležité nebránit cirkulaci vzduchu špatným rozložením potravin na policích;
• Mezi zadní částí výrobku (hadovitý chladič) a stěnou ponechejte prostor alespoň 5 cm.
Na základě principů termodynamiky jsou tato doporučení zdůvodněna, resp.
a) Snižte výstup chladu z chladničky do okolí, zajistěte prostup chladu mezi potravinami na polici a umožněte výměnu tepla mezi chladičem a okolím.
b) Snížit chladný výkon chladničky do okolí, zaručit konvekci vnitřního vzduchu, zaručit tepelnou izolaci mezi vnitřní a vnější částí.
c) Snížit tepelný tok z okolí do vnitřku chladničky, zajistit konvekci vnitřního vzduchu a umožnit výměnu tepla mezi chladičem a okolím.
d) Snižte tok tepla z okolí do vnitřku chladničky, zajistěte prostup chladu mezi potravinami na polici a umožňují výměnu tepla mezi dřezem a okolím.
e) Snižte tok tepla z okolí do vnitřku chladničky, zaručte konvekci vnitřního vzduchu a zaručte tepelnou izolaci mezi vnitřní a vnější částí.
Správná odpověď: c) Snižte tok tepla z místnosti do vnitřku chladničky, zajistěte konvekci vnitřního vzduchu a umožněte výměnu tepla mezi chladičem a okolím.
Ponechání zavřených dveří chladničky, otevření pouze nezbytně nutné, zabrání pronikání tepla z vnějšího prostředí.
Uvnitř chladničky dochází při výměně tepla mezi chladným vnitřním prostředím a potravinami k proudění vzduchu konvekcí. Tyto proudy jsou nezbytné pro chlazení potravin.
Teplo odebrané z potravin a vyměněné s chladivem chladničky je transportováno do chladiče v zadní části. Toto teplo se bude vyměňovat s okolím především konvekcí, takže je potřeba prostor.
Cvičení 9
(UEPB 2009) Dítě, které mělo rádo brigadeiro, se rozhodlo vyrobit toto cukroví, a proto začalo oddělovat ingredience a náčiní. Nejprve vzal plechovku s kondenzovaným mlékem, práškovou čokoládu a margarín, pak ocelovou pánev a lžíci a otvírák na konzervy. Dítě vyvrtalo do plechovky díru, aby kondenzované mléko vyteklo do pánve. Jeho matka, když viděla tento postoj, navrhla synovi, aby do plechovky vyvrtal další díru, aby mohl tekutinu snadněji odstranit. Když postavili hrnec na oheň, aby zamíchali brigadeiro, dítě ucítilo, že se rukojeť lžíce po několika minutách zahřála, a stěžovalo si: „Mami, lžíce mi pálí ruku“. Jeho matka ho tedy požádala, aby použil dřevěnou lžíci, aby se nepopálil.
O zahřívání lžičky svědčící ve stížnosti dítěte, že ho pálí ruka, to můžeme říci
a) vařečkou, která je výborným tepelným izolantem, se zahřeje rychleji než ocelová lžička.
b) stává se to proto, že částice, které tvoří lžíci, vytvářejí konvekční proudy, které ji zcela ohřívají, od jednoho konce k druhému.
c) v důsledku ozáření se lžíce úplně zahřeje, od jednoho konce ke druhému.
d) vařečkou, která je výborným tepelným vodičem, se zahřeje rychleji než ocelová lžička.
e) stane se to proto, že částice, které tvoří lžíci, začnou přenášet teplo absorbované tam z jednoho konce na druhý.
Správná odpověď: e) stane se to proto, že částice, které tvoří lžíci, začnou odvádět teplo absorbované tam z jednoho konce na druhý.
Procesem šíření tepla je vedení. Z částice do jejího okolí se přenáší pouze energie. Kovy jsou vynikajícími přenašeči tepla.
Cvičení 10
(Enem 2016) V experimentu učitel nechá na laboratorním stole dva tácy o stejné hmotnosti, jeden plastový a druhý hliníkový. Po několika hodinách požádá studenty, aby pomocí dotyku ohodnotili teplotu dvou táců. Jeho studenti kategoricky tvrdí, že hliníkový tác má nižší teplotu. Zaujatý navrhne druhou aktivitu, při níž na každý z táců položí kostku ledu, jsou v tepelné rovnováze s prostředím a ptá se jich, jakou rychlostí bude tání ledu větší.
Žák, který správně odpoví na otázku učitele, řekne, že k tání dojde
a) rychlejší na hliníkovém tácu, protože má vyšší tepelnou vodivost než plast.
b) rychleji na plastovém tácu, protože má zpočátku vyšší teplotu než hliníkový.
c) rychlejší na plastové vaničce, protože má vyšší tepelnou kapacitu než hliníková.
d) rychlejší na hliníkovém tácu, protože má nižší měrné teplo než plastový.
e) se stejnou rychlostí na obou podnosech, protože budou mít stejné kolísání teploty.
Správná odpověď: a) rychleji na hliníkovém tácu, protože má vyšší tepelnou vodivost než plastový.
Led taje rychleji v tácu, který předává teplo vyšší rychlostí, tj. rychleji. Vzhledem k tomu, že kovy mají větší tepelnou vodivost, hliníková miska předá více tepla ledu a ten rychleji taje.
Cvičení 11
(Enem 2021) Ve městě São Paulo jsou tepelné ostrovy zodpovědné za změnu směru proudění mořského vánku, který by se měl dostat do jarní oblasti. Ale při přechodu tepelného ostrova se mořský vánek nyní setkává s vertikálním prouděním vzduchu, který se přenáší pro ni tepelná energie absorbovaná z horkých povrchů města a přemísťující ji na vyvýšená místa nadmořské výšky. Tímto způsobem dochází ke kondenzaci a silnému dešti v centru města namísto v jarní oblasti. Obrázek ukazuje tři subsystémy, které si při tomto jevu vyměňují energii.
Tyto mechanismy jsou resp.
a) ozařování a konvekce.
b) ozařování a ozařování.
c) vedení a ozařování.
d) konvekce a ozařování.
e) konvekce a konvekce.
Správná odpověď: a) ozařování a konvekce.
Ozařování je proces přenosu tepla mezi sluncem a městy. Při tomto procesu se teplo přenáší elektromagnetickým zářením.
Konvekce je proces přenosu tepla mezi tepelnými ostrovy a mořským vánkem. Při tomto procesu je teplo přenášeno tekutým médiem, v tomto případě vzduchem, svými pohyby. Při konvekci se horký vzduch, který expanduje, stává méně hustým a stoupá vzhůru. Chladnější vzduch ve vyšších nadmořských výškách, hustší, klesá a vytváří vzdušné proudy, které si vyměňují teplo.
Cvičení na latentní teplo a citlivé teplo
Cvičení 12
(Enem 2015) Vysoké teploty spalování a tření mezi jeho pohyblivými částmi jsou některé z faktorů, které způsobují zahřívání spalovacích motorů. Aby nedocházelo k přehřívání a následnému poškození těchto motorů, byly vyvinuty současné chladicí systémy, ve kterých byla kapalina chladič se speciálními vlastnostmi cirkuluje vnitřkem motoru a pohlcuje teplo, které se při průchodu chladičem přenáší do atmosféra.
Jakou vlastnost musí mít chladicí kapalina, aby co nejefektivněji plnila svůj účel?
a) Vysoké měrné teplo.
b) Vysoké latentní teplo tání.
c) Nízká tepelná vodivost.
d) Nízká teplota varu.
e) Vysoký koeficient tepelné roztažnosti.
Správná odpověď: a) Vysoké měrné teplo.
Měrné teplo je vlastnost materiálu, v tomto případě chladiva. Udává množství tepla, které potřebuje přijmout nebo odevzdat na jednotku hmotnosti, aby se změnila jedna jednotka teploty.
Jinými slovy, čím vyšší je měrné teplo, tím více tepla může přijmout, aniž by příliš zvýšilo svou teplotu. Látky s vysokým specifickým teplem jsou méně citlivé na změnu teploty.
Tímto způsobem může chladicí kapalina s vysokým měrným teplem „sbírat“ větší množství tepelné energie z motoru, aniž by se vařila.
Cvičení 13
(FATEC 2014) V hodině oboru Fyzika ve sváření na Fatecu se odpovědný učitel se studenty zabývá tématem, které viděli na střední škole. Vysvětluje, jak provést analýzu grafu změny skupenství dané hypotetické čisté látky. K tomu nám stačí vyhodnotit fyzikální veličiny znázorněné na osách a graf vytvořený vztahem mezi těmito veličinami. V tomto grafu část, která představuje sklon, označuje změnu teploty v důsledku absorpce energie, a část, která představuje plošinu (horizontální řez), označuje změnu stavu v důsledku absorpce energie.
Po tomto vysvětlení se zeptá studentů, jaké bylo celkové množství energie absorbované zařízením látky mezi koncem změny skupenství pro kapalinu, do konce změny skupenství pro plynný.
Správná odpověď na tuto otázku, v kaloriích, je
a) 2000.
b) 4000.
c) 6 000.
d) 10 000.
e) 14 000.
Správná odpověď: d) 10 000.
Tato změna se odehrává mezi 4000 a 14000 kaloriemi. Látka je plně v kapalném stavu, když rampa začíná po prvním plató. Přeměna z kapalné na plynnou fázi probíhá na druhé plošině.
Cvičení o tepelné dilataci
Cvičení 14
(URCA 2012) Poloměr základny kovového kužele, jehož hustota je rovna 10 g/cm3, má při 0°C počáteční délku Ro = 2 cm. Zahřátím tohoto kužele na teplotu 100°C se jeho výška mění Δh = 0,015 cm. Při hmotnosti kužele 100 g je střední koeficient lineární roztažnosti materiálu:
Správná odpověď:
Objektivní: určit koeficient lineární roztažnosti ().
Data = 0,015 cm
Počáteční poloměr = 2 cm = 100 °C
hmotnost, m = 100 g
hustota, d = 10 g/cm3
Matematický a fyzikální model lineární tepelné roztažnosti
Kde, je koeficient lineární roztažnosti.
je výškové kolísání.
je počáteční výška.
je změna teploty.
Izolační ,
a
Jsou poskytovány. Tímto způsobem určit
, je nutné určit
.
K určení použijme poměry objemu a hustoty.
objem kužele
Hustota
Izolace V,
Dosazení hodnoty V a r do objemové rovnice a vytvoření = 3,
Nyní můžeme vyměnit v rovnici koeficientu tepelné roztažnosti,
přeměna ve vědecký zápis
0,0006 =
dozvědět se víc o
- teplo a teplota.
- šíření tepla
- citlivé teplo
- Specifické teplo
- Termální energie
- Teplotní roztažnost
- Tepelná kapacita
- vedení tepla
- Tepelná konvekce
- Tepelné ozařování
