Uurige temperatuuri ja soojust koos harjutuste loendiga teemal: temperatuuri ja soojuse seadmine, paisumine ja termiline tasakaal, termomeetrilised skaalad, soojusülekanne, varjatud ja tundlik soojus. Õppimiseks ja kahtluste lahendamiseks on mitmeid lahendatud ja kommenteeritud harjutusi.
Temperatuuri ja soojuse seadistamise harjutused
1. harjutus
Määratlege ja eristage temperatuuri ja soojust.
Temperatuur on füüsilise keha või süsteemi termilise oleku mõõt. See määrab selle süsteemi moodustavate osakeste segamisastme.
Temperatuur on seega suurus, midagi, mida saab mõõta. Rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis on temperatuuri mõõtühikuks kelvin (K). Teised levinud mõõtühikud on Celsiuse (°C) ja Fahrenheiti (°F).
Soojus on soojusenergia liikumine. Soojusenergia kantakse üle energilisematelt kõrgema temperatuuriga kehadelt vähem energilisematele kehadele ja süsteemidele, mille temperatuur on madalam. See energiaülekanne toimub selliste protsesside kaudu nagu juhtivus, konvektsioon ja kiiritamine.
Kuna soojus on energia vorm, mõõdetakse seda rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis džaulides (J). Teine levinud soojuse mõõt on kalorsus (lubi).
Peamine erinevus temperatuuri ja soojuse vahel on see, et temperatuur on termilise oleku mõõt, soojus aga soojusenergia ülekandmine kehade vahel.
2. harjutus
Määratlege, mis on termiline tasakaal.
Termiline tasakaal on olek, milles erinevad kehad samas keskkonnas on sama temperatuuriga, see tähendab, et neil on sama termiline olek.
Kuna soojus on soojusenergia ülekandmine soojematest kehadest jahedamatele, siis jahtuvad varem kuumemad kehad soojust eraldades. Teisest küljest muutuvad seda soojust vastuvõtvad kehad, mis olid varem külmemad, soojaks.
See temperatuurikõikumine lakkab, kui kehade vahel pole enam soojust, mis tähendab, et nende vahel ei toimu enam soojusenergia ülekandmist. Selles olekus on nende temperatuurid samad.
3. harjutus
Selgitage järgmist nähtust:
Laura on just ärganud ja külmal talvepäeval voodist tõusnud. Pärast soojast voodist tõusmist puudutab ta oma jalgu oma magamistoa vaibaga põrandale ja tunneb end mugavalt isegi paljaste jalgadega. Kööki minnes tunnevad paljad jalad plaaditud põrandat puudutades külmatunnet.
Kogu maja keskkond oli öö läbi samade temperatuuritingimuste käes. Miks tunneb Laura magamistoas ja köögis paljajalu kõndides erinevaid aistinguid?
Kuuma ja külma aistingud on seotud mitme faktoriga, mõned isegi subjektiivsed. Erinevad inimesed tunnevad ja tajuvad sama temperatuuri erinevalt. Kuid tekstis on samal inimesel erinevad aistingud keskkonnas, mis peaks olema termilises tasakaalus, st kus kehad on sama temperatuuriga.
Ainus erinevus on materjal, millega see kokku puutub. Soojusjuhtivuse koefitsient on materjalide omadus ja näitab, kui kergesti soojusenergiat edasi kandub. Mida suurem on soojusjuhtivuse väärtus, seda lihtsam on soojusenergia ülekandmine.
Kuna keraamiline põrandakate on suurema soojusjuhtivusega kui villane või puuvillane vaip, kaotab Laura keha palju. rohkem energiat köögist läbi kõndides kui vaibal kõndides, mis paneb teda tõlgendama, et põrand on rohkem külm.
Harjutused termilise tasakaalu kohta
4. harjutus
(IFF 2016) Laboritegevuses teeb füüsikaõpetaja õpilastele ettepaneku segada 1L 100°C vett 500 ml 4°C veega. Kuid enne segamist ja soojusliku tasakaalu temperatuuri mõõtmist peavad õpilased arvutama soojusliku tasakaalu temperatuuri. Võtke arvesse tühiseid soojuskadusid ja seda, et teoreetiline tulemus on võrdne katseväärtusega. Võib öelda, et see tasakaalutemperatuur kehtib:
a) 68 °C.
b) 74 °C.
c) 80 °C.
d) 32 °C.
e) 52 °C.
Õige vastus: a) 68°C.
Eesmärk: määrake termilise tasakaalu temperatuur ().
Andmed:
1L = 1000 ml vett temperatuuril 100 °C;
500 ml vett temperatuuril 4 °C
Füüsikaline ja matemaatiline mudel
Termilises tasakaalus soojusenergia ülekandmist enam ei toimu, seega on 100°C ja 4°C vee osade soojuse summa võrdne nulliga.
Kuna võrrandi mõlemal poolel on erisoojus sama, saame need tühistada.
Seetõttu on tasakaalutemperatuur 68 °C.
Harjutused termomeetrilistel kaaludel
Harjutused 5
(SENAC - SP 2013) Inimese saabumine Kuule juhtus 1969. aastal. Kuu ehitus on kivine ja sellel praktiliselt puudub atmosfäär, mis tähendab, et päeval ulatub temperatuur 105 °C-ni ja öösel langeb -155 °C-ni.
See temperatuurimuutus, mõõdetuna Fahrenheiti temperatuuriskaalal, kehtib
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Õige vastus: d) 468.
Celsiuse °C skaala ja °F skaala vahelise seose annab:
kus,
on temperatuuri kõikumine Celsiuse kraadides ja
on Fahrenheiti variatsioon.
Kuu pinnal kõigub temperatuur vahemikus 105°C ja öösel -155°C. Seetõttu on kogu kõikumine 260°C.
105 - (-155) = 260
Asendades valemis, saame:
Harjutused 6
(UESPI 2010) Üliõpilane loeb Ray Bradbury ulmeromaani “Fahrenheit 451”. Teatud lõigus väidab üks tegelastest, et 451 °F on temperatuur Fahrenheiti skaalal, mille juures paber, millest raamatuid valmistatakse, põleb. Õpilane teab, et sellel skaalal on vee sulamis- ja keemistemperatuurid vastavalt 32°F ja 212°F. Ta järeldab õigesti, et 451 ° F on ligikaudu samaväärne:
a) 100 °C
b) 205 °C
c) 233 °C
d) 305 °C
e) 316 °C
Õige vastus: c) 233 °C.
Celsiuse ja Fahrenheiti skaala on seotud:
451°F asendamine , meil on:
Reageerimisvalikutest on 233°C lähim.
Harjutused 7
(FATEC 2014) Vormel Indy või vormel 1 võistluse ajal puutuvad juhid kokpitis kuuma mikrokeskkonnaga, mis ulatub 50°C-ni, mida tekitavad erinevad soojusallikad (päike, mootor, maastik, aju ainevahetus, lihaste aktiivsus jne.). See temperatuur on tunduvalt kõrgem kui talutav keskmine kehatemperatuur, seega peaksid nad olema alati heas füüsilises vormis.
Formula Indy võidusõit on traditsioonilisem USA-s, kus temperatuurinäit võetakse vastu Fahrenheiti skaalal. Tekstis esitatud teabe põhjal on õige väita, et kabiini temperatuur, mille Formula Indy auto võistluse ajal saavutab, Fahrenheiti kraadides, on
Andmed:
Jää sulamistemperatuur = 32°F;
Keeva vee temperatuur = 212 °F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Õige vastus: d) 122
Kahe temperatuuri seostamiseks kasutame võrrandit:
asendamine 50 eest ja lahendades eest , meil on:
Seetõttu on temperatuur kokpitis Fahrenheiti järgi 122 °F.
Harjutused soojuse leviku kohta
Harjutus 8
(Enem 2021) Külmiku kasutusjuhendis on järgmised soovitused.
• Hoidke oma külmiku ust lahti ainult nii kaua, kui vaja;
• Oluline on mitte takistada õhuringlust toidu halva jaotusega riiulitel;
• Jätke toote tagaosa (serpentiinjahutusradiaator) ja seina vahele vähemalt 5 cm vaba ruumi.
Termodünaamika põhimõtetest lähtuvalt on nende soovituste põhjendused järgmised:
a) Vähendage külmkapi külma eraldumist keskkonda, tagage külma levik riiulil olevate toiduainete vahel ning võimaldage soojusvahetust jahutusradiaatori ja keskkonna vahel.
b) Vähendage külmiku külma väljundit keskkonnale, tagage siseõhu konvektsioon, tagage soojusisolatsioon sise- ja välisosade vahel.
c) Vähendada soojusvoogu keskkonnast külmiku sisemusse, tagada siseõhu konvektsioon ja võimaldada soojusvahetust jahutusradiaatori ja keskkonna vahel.
d) Vähendage soojusvoogu keskkonnast külmiku sisemusse, tagage ülekanne külm riiulil olevate toiduainete vahel ning võimaldab soojusvahetust valamu ja keskkonna vahel.
e) Vähendada soojusvoogu keskkonnast külmiku sisemusse, tagada siseõhu konvektsioon ning tagada soojusisolatsioon sise- ja välisosade vahel.
Õige vastus: c) Vähendage soojusvoogu ruumist külmiku sisemusse, tagage siseõhu konvektsioon ja võimaldage soojusvahetus radiaatori ja keskkonna vahel.
Külmkapi ukse suletuna hoidmine, avades vaid vajaliku, hoiab ära soojuse sisenemise väliskeskkonnast.
Külmkapis tekitab külma sisekeskkonna ja toidu vaheline soojusvahetus konvektsiooni kaudu õhuvoolu. Need voolud on vajalikud toidu jahutamiseks.
Toidust võetud ja külmiku külmaainega vahetatud soojus transporditakse tagaküljel asuvasse jahutusradiaatorisse. See soojus vahetub keskkonnaga peamiselt konvektsiooni teel, seega on vaja ruumi.
9. harjutus
(UEPB 2009) Laps, kellele brigadeiro meeldis, otsustas selle kommi teha ja selleks hakkas ta koostisosi ja riistu eraldama. Alguses võttis ta kondenspiimapurgi, šokolaadipulbri ja margariini, seejärel teraspanni ja lusika ning konserviavaja. Laps puuris purki augu, et kondenspiim pannile voolata. Tema ema soovitas seda suhtumist nähes pojal puurida purki veel üks auk, et ta saaks selle vedeliku kergemini eemaldada. Brigadeiro segamiseks potti tulele pannes tundis laps, et mõne minuti pärast oli lusika käepide soojenenud ja kurtis: “Ema, lusikas põletab mu kätt”. Niisiis palus ema tal kasutada põletuse vältimiseks puulusikat.
Lusika soojendamise kohta, mis ilmnes lapse kaebuses, et käsi põles, võib öelda, et
a) puulusikaga, mis on suurepärane soojusisolaator, kuumeneb kiiremini kui teraslusikas.
b) see juhtub seetõttu, et lusika moodustavad osakesed tekitavad konvektsioonivoolu, soojendades seda täielikult ühest otsast teise.
c) kiiritamise tõttu kuumeneb lusikas täielikult, ühest otsast teise.
d) puulusikaga, mis on suurepärane soojusjuht, kuumeneb kiiremini kui teraslusikas.
e) see juhtub seetõttu, et lusika osakesed hakkavad seal neeldunud soojust ühest otsast teise juhtima.
Õige vastus: e) see juhtub seetõttu, et lusika moodustavad osakesed hakkavad seal neeldunud soojust ühest otsast teise juhtima.
Soojuse levimise protsess on juhtivus. Osakest kandub ümbritsevasse ainult energiat. Metallid on suurepärased soojusülekanded.
10. harjutus
(Enem 2016) Eksperimendi käigus jätab õpetaja laborilauale kaks sama massiga alust, ühe plastikust ja teise alumiiniumist. Mõne tunni pärast palub ta õpilastel hinnata kahe aluse temperatuuri puudutuse abil. Tema õpilased väidavad kategooriliselt, et alumiiniumalus on madalamal temperatuuril. Huvitatud, pakub ta välja teise tegevuse, mille käigus ta asetab igale alusele jääkuubiku, mis on keskkonnaga termilises tasakaalus ja küsib neilt, milline on jää sulamise kiirus suurem.
Õpilane, kes vastab õigesti õpetaja küsimusele, ütleb, et sulamine toimub
a) alumiiniumalusel kiiremini, kuna sellel on suurem soojusjuhtivus kui plastil.
b) plastikalusel kiiremini, kuna sellel on algselt kõrgem temperatuur kui alumiiniumil.
c) plastikalusel kiiremini, kuna selle soojusmahtuvus on suurem kui alumiiniumist.
d) alumiiniumalusel kiiremini, kuna selle erisoojus on väiksem kui plastalusel.
e) mõlemal alusel sama kiirusega, kuna neil on sama temperatuurimuutus.
Õige vastus: a) alumiiniumalusel kiiremini, kuna sellel on suurem soojusjuhtivus kui plastikul.
Jää sulab alusel kiiremini, mis kannab soojust edasi suurema kiirusega, st kiiremini. Kuna metallidel on suurem soojusjuhtivus, kannab alumiiniumalus jääle rohkem soojust ja see sulab kiiremini.
11. harjutus
(Enem 2021) São Paulo linnas vastutavad kuumasaared kevadpiirkonnani jõudva meretuule voolu suuna muutmise eest. Kuid soojasaart ületades kohtab meretuul nüüd vertikaalset õhuvoolu, mis kandub üle tema jaoks neeldub soojusenergia linna kuumadelt pindadelt, nihutades selle kõrgetesse kohtadesse kõrgused. Nii tekib kevadise piirkonna asemel kondensaat ja tugev vihmasadu linna keskel. Pildil on kolm alamsüsteemi, mis selles nähtuses energiat vahetavad.
Need mehhanismid on vastavalt
a) kiiritamine ja konvektsioon.
b) kiiritamine ja kiiritamine.
c) juhtivus ja kiiritamine.
d) konvektsioon ja kiiritamine.
e) konvektsioon ja konvektsioon.
Õige vastus: a) kiiritamine ja konvektsioon.
Kiiritamine on soojuse ülekandmine päikese ja linnade vahel. Selles protsessis toimub soojuse ülekandmine elektromagnetilise kiirguse abil.
Konvektsioon on soojuse ülekandmine soojussaarte ja meretuule vahel. Selle protsessi käigus edastatakse soojust oma liikumiste kaudu vedel keskkond, antud juhul õhk. Konvektsioonis kuum õhk paisub, muutub vähem tihedaks ja tõuseb ülespoole. Kõrgematel kõrgustel jahedam õhk, tihedam, laskub alla, tekitades soojust vahetavaid õhuvoolusid.
Varjatud kuumuse ja tundliku kuumuse harjutused
12. harjutus
(Enem 2015) Kõrged põlemistemperatuurid ja hõõrdumine selle liikuvate osade vahel on mõned tegurid, mis põhjustavad sisepõlemismootorite kuumenemist. Nende mootorite ülekuumenemise ja sellest tulenevate kahjustuste vältimiseks töötati välja praegused jahutussüsteemid, milles vedelik eriomadustega jahuti ringleb läbi mootori sisemuse, neelates soojust, mis radiaatorit läbides kandub edasi õhkkond.
Milline omadus peab jahutusvedelikul olema, et oma eesmärki kõige tõhusamalt täita?
a) Kõrge erisoojus.
b) kõrge latentne sulamissoojus.
c) Madal soojusjuhtivus.
d) Madal keemistemperatuur.
e) kõrge soojuspaisumistegur.
Õige vastus: a) Kõrge erisoojus.
Erisoojus on materjali, antud juhul jahutusvedeliku, omadus. See näitab soojushulka, mida ta peab ühe massiühiku kohta vastu võtma või ära andma, et muuta ühe temperatuuriühikut.
Teisisõnu, mida kõrgem on erisoojus, seda rohkem soojust saab ta vastu võtta ilma temperatuuri liigselt tõstmata. Kõrge erisoojusega ained on temperatuurimuutuste suhtes vähem tundlikud.
Nii suudab suure erisoojusega jahutusvedelik ilma keemiseta mootorist suurema koguse soojusenergiat "koguda".
Harjutus 13
(FATEC 2014) Fateci keevitamise kursuse füüsika distsipliini tunnis käsitleb vastutav õpetaja õpilastega teemat, mida nad olid näinud keskkoolis. Selgitab, kuidas teostada antud hüpoteetilise puhta aine olekumuutuste graafiku analüüsi. Selleks peame lihtsalt hindama telgedel kujutatud füüsikalisi suurusi ja nende suuruste vahelise seose põhjal moodustatud graafikut. Sellel graafikul näitab kallet kujutav lõik energia neeldumisest tingitud temperatuurimuutust ja platood (horisontaalne lõige) näitab energia neeldumisest tingitud oleku muutust.
Pärast seda selgitust küsib ta õpilastelt, milline oli neeldunud energia koguhulk aine vedeliku olekumuutuse lõpu vahel, olekumuutuse lõpuni gaasiline.
Õige vastus sellele küsimusele kalorites on
a) 2000.
b) 4000.
c) 6000.
d) 10 000.
e) 14 000.
Õige vastus: d) 10 000.
See muutus toimub 4000 ja 14000 kalorite vahel. Aine on täielikult vedelas olekus, kui kaldtee algab pärast esimest platood. Üleminek vedelast faasist gaasiliseks toimub teisel platool.
Termilise laienemise harjutused
14. harjutus
(URCA 2012) Metallkoonuse aluse raadius, mille tihedus on 10 g/cm3, on temperatuuril 0°C algpikkus Ro = 2 cm. Kuumutades seda koonust temperatuurini 100°C, muutub selle kõrgus Δh = 0,015 cm. Koonuse massiga 100 g on materjali keskmine lineaarpaisumistegur:
Õige vastus:
Eesmärk: määrake lineaarpaisumise koefitsient ().
Andmed
= 0,015 cm
Algraadius = 2 cm
= 100 °C
mass, m = 100 g
tihedus, d = 10 g/cm3
Lineaarse soojuspaisumise matemaatiline ja füüsikaline mudel
kus,
on lineaarpaisumise koefitsient.
on kõrguse kõikumine.
on algkõrgus.
on temperatuuri kõikumine.
Isoleeriv ,
ja Need on ette nähtud. Sel viisil kindlaks teha , on vaja kindlaks teha .
Teha kindlaks kasutame mahu ja tiheduse suhet.
koonuse maht
Tihedus
V isoleerimine,
V ja r väärtuste asendamine ruumala võrrandis ja tegemine = 3,
Nüüd saame asendada soojuspaisumisteguri võrrandis,
muutudes teaduslikuks märkimiseks
0,0006 =
kohta lisateavet
- soojust ja temperatuuri.
- soojuse levik
- tundlik kuumus
- Erisoojus
- Soojusenergia
- Soojuspaisumine
- Soojusvõimsus
- soojusjuhtivus
- Termiline konvektsioon
- Termiline kiiritamine