Proučite temperaturu i toplinu s popisom vježbi o: postavljanju temperature i topline, ekspanziji i toplinskoj ravnoteži, termometrijskim ljestvicama, prijenosu topline, latentnoj i osjetnoj toplini. Postoji nekoliko riješenih i komentiranih vježbi koje možete naučiti i riješiti svoje nedoumice.
Vježbe za postavljanje temperature i topline
Vježba 1
Definirati i razlikovati temperaturu i toplinu.
Temperatura je mjera toplinskog stanja fizičkog tijela ili sustava. Određuje stupanj agitacije čestica koje čine ovaj sustav.
Temperatura je dakle veličina, nešto što se može izmjeriti. U Međunarodnom sustavu jedinica mjerna jedinica za temperaturu je Kelvin (K). Druge uobičajene jedinice su Celzijus (°C) i Fahrenheit (°F).
Toplina je kretanje toplinske energije. Toplinska energija se prenosi s energetskih tijela, s višom temperaturom, na manje energična tijela i sustave, s nižom temperaturom. Ovaj prijenos energije odvija se kroz procese kao što su: vođenje, konvekcija i zračenje.
Budući da je toplina oblik energije, u Međunarodnom sustavu jedinica mjeri se u džulima (J). Još jedna uobičajena mjera za toplinu je kalorija (limeta).
Glavna razlika između temperature i topline je u tome što je temperatura mjera toplinskog stanja dok je toplina prijenos toplinske energije između tijela.
Vježba 2
Definirajte što je toplinska ravnoteža.
Toplinska ravnoteža je stanje u kojem su različita tijela u istom okruženju na istoj temperaturi, odnosno imaju isto toplinsko stanje.
Budući da je toplina prijenos toplinske energije s toplijih tijela na hladnija, prethodno toplija tijela se hlade dok odaju toplinu. S druge strane, tijela koja primaju tu toplinu, koja su prije bila hladnija, postaju topla.
Ta temperaturna varijacija prestaje kada više nema topline između tijela, što znači da više nema prijenosa toplinske energije između njih. U tom su stanju njihove temperature iste.
Vježba 3
Objasnite sljedeću pojavu:
Laura se upravo probudila i ustala iz kreveta na hladnom zimskom danu. Nakon što je ustala iz toplog kreveta, stopalima dodiruje pod svoje spavaće sobe prekriven tepihom i osjeća se ugodno, čak i bosih nogu. Kada uđete u kuhinju, vaše bose noge osjećaju hladnoću kada dodirnete pod s pločicama.
Cijeli okoliš kuće bio je izložen istim temperaturnim uvjetima tijekom cijele noći. Zašto Laura osjeća različite osjećaje dok bosa hoda u spavaćoj sobi i kuhinji?
Osjećaji toplog i hladnog povezani su s nekoliko čimbenika, od kojih su neki čak i subjektivni. Različiti ljudi mogu osjetiti i percipirati istu temperaturu na različite načine. Međutim, u tekstu ista osoba ima različite senzacije u okruženju koje bi trebalo biti u toplinskoj ravnoteži, odnosno gdje su tijela na istoj temperaturi.
Jedina razlika je materijal s kojim dolazi u dodir. Koeficijent toplinske vodljivosti svojstvo je materijala i pokazuje koliko se lako prenosi toplinska energija. Što je vrijednost toplinske vodljivosti veća, to je prijenos toplinske energije lakši.
Kako keramički podovi imaju veću toplinsku vodljivost od vunenog ili pamučnog tepiha, Laurino tijelo gubi mnogo. više energije kada hoda kroz kuhinju nego kada hoda po tepihu, zbog čega tumači da je pod više hladnom.
Vježbe o toplinskoj ravnoteži
Vježba 4
(IFF 2016.) U laboratorijskoj aktivnosti nastavnik fizike predlaže da učenici pomiješaju 1 l vode temperature 100°C s 500 mL vode temperature 4°C. Međutim, prije miješanja i mjerenja temperature toplinske ravnoteže, učenici trebaju izračunati temperaturu toplinske ravnoteže. Uzmite u obzir zanemarive toplinske gubitke i da je teoretski rezultat jednak eksperimentalnoj vrijednosti. Može se reći da ova ravnotežna temperatura vrijedi:
a) 68°C.
b) 74°C.
c) 80°C.
d) 32°C.
e) 52°C.
Točan odgovor: a) 68°C.
Cilj: odrediti temperaturu toplinske ravnoteže ().
Podaci:
1L = 1000 ml vode na 100°C;
500 ml vode na 4°C
Fizički i matematički model
U toplinskoj ravnoteži više nema prijenosa toplinske energije, pa je zbroj toplina dijelova vode na 100°C i 4°C jednak nuli.
Budući da je na obje strane jednadžbe specifična toplina ista, možemo ih poništiti.
Stoga će ravnotežna temperatura biti 68°C.
Vježbe na termometričkim vagama
Vježbe 5
(SENAC - SP 2013) Dolazak čovjeka na Mjesec dogodio se 1969. godine. Struktura Mjeseca je stjenovita i praktički nema atmosfere, što znači da danju temperatura doseže 105 °C, a noću pada na −155 °C.
Ova toplinska varijacija, mjerena na Fahrenheitovoj temperaturnoj skali, vrijedi
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Točan odgovor: d) 468.
Odnos između Celzijeve ljestvice °C i ljestvice °F dan je:
Gdje,
je temperaturna varijacija u stupnjevima Celzijusa i,
je varijacija na Fahrenheit.
Temperatura na površini Mjeseca varira između 105°C i noću -155°C. Stoga je ukupna varijacija 260°C.
105 - (-155) = 260
Zamjenom u formuli imamo:
Vježbe 6
(UESPI 2010) Učenik čita znanstvenofantastični roman Raya Bradburyja “Fahrenheit 451”. U određenom odlomku, jedan od likova tvrdi da je 451 °F temperatura na Fahrenheitovoj ljestvici na kojoj gori papir od kojeg se prave knjige. Učenik zna da su, na ovoj ljestvici, temperature topljenja i vrenja vode 32°F odnosno 212°F. On ispravno zaključuje da je 451°F otprilike ekvivalentno:
a) 100 °C
b) 205 °C
c) 233 °C
d) 305 °C
e) 316 °C
Točan odgovor: c) 233 °C.
Celzijusove i Fahrenheitove ljestvice povezuju:
Zamjena 451°F sa , imamo:
Od opcija odgovora 233°C je najbliže.
Vježbe 7
(FATEC 2014) Tijekom utrke Formule Indy ili Formule 1, vozači su izloženi vrućem mikrookruženju u kokpitu koji doseže 50°C, generiran je raznim izvorima topline (od sunca, motora, terena, metabolizma mozga, mišićne aktivnosti itd.). Ova temperatura je daleko iznad podnošljive prosječne tjelesne temperature, tako da uvijek trebaju biti u dobroj fizičkoj kondiciji.
Formula Indy utrke tradicionalnije su u SAD-u, gdje je očitavanje temperature prihvaćeno na Fahrenheitovoj ljestvici. Na temelju informacija iznesenih u tekstu, ispravno je konstatirati da temperatura u kokpitu koju automobil Formule Indy postigne tijekom utrke, u Fahrenheitovim stupnjevima, iznosi
Podaci:
Temperatura topljenja leda = 32°F;
Temperatura kipuće vode = 212°F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Točan odgovor: d) 122
Da bismo povezali dvije temperature, koristimo jednadžbu:
zamjenjujući za 50 i rješavanje za
, imamo:
Stoga je temperatura u kokpitu u Fahrenheitu 122°F.
Vježbe širenja topline
Vježba 8
(Enem 2021) U priručniku s uputama za hladnjak postoje sljedeće preporuke:
• Držite vrata hladnjaka otvorena samo onoliko koliko je potrebno;
• Važno je ne ometati cirkulaciju zraka lošom distribucijom hrane na policama;
• Ostavite razmak od najmanje 5 cm između stražnje strane proizvoda (zmijolik hladnjak) i zida.
Na temelju principa termodinamike, opravdanja za ove preporuke su, odnosno:
a) Smanjite izlaz hladnoće iz hladnjaka u okoliš, osigurajte prijenos hladnoće između namirnica na polici i omogućite izmjenu topline između hladnjaka i okoliša.
b) Smanjite izlaz hladnoće hladnjaka u okoliš, jamčite konvekciju unutarnjeg zraka, jamčite toplinsku izolaciju između unutarnjih i vanjskih dijelova.
c) Smanjite protok topline iz okoline u unutrašnjost hladnjaka, osigurajte konvekciju unutarnjeg zraka i omogućite razmjenu topline između hladnjaka i okoline.
d) Smanjite protok topline iz okoline u unutrašnjost hladnjaka, osigurajte prijenos hladnoću između namirnica na polici i omogućuju razmjenu topline između sudopera i okoline.
e) Smanjite protok topline iz okoline u unutrašnjost hladnjaka, jamčite konvekciju unutarnjeg zraka i jamčite toplinsku izolaciju između unutarnjih i vanjskih dijelova.
Točan odgovor: c) Smanjite protok topline iz prostorije u unutrašnjost hladnjaka, osigurajte konvekciju unutarnjeg zraka i omogućite izmjenu topline između hladnjaka i okoline.
Držanje vrata hladnjaka zatvorenima, otvaranje samo potrebnog, sprječava ulazak topline iz vanjskog okruženja.
Unutar hladnjaka, izmjena topline između hladnog unutarnjeg okruženja i hrane proizvodi strujanja zraka konvekcijom. Te su struje potrebne za hlađenje hrane.
Toplina uzeta iz hrane i razmijenjena s rashladnim sredstvom hladnjaka prenosi se do hladnjaka na stražnjoj strani. Ta će se toplina izmjenjivati s okolinom, uglavnom konvekcijom, pa je potreban prostor.
Vježba 9
(UEPB 2009.) Dijete kojem se svidio brigadeiro odlučilo je napraviti ovaj slatkiš i za to je počelo odvajati sastojke i pribor. U početku je uzeo konzervu kondenziranog mlijeka, čokoladu u prahu i margarin, zatim čeličnu tavu i žlicu te otvarač za konzerve. Dijete je izbušilo rupu u konzervi kako bi kondenzirano mlijeko ispustilo u posudu. Njegova majka, vidjevši takav stav, predložila je sinu da izbuši još jednu rupu u limenci, kako bi lakše izvadio tu tekućinu. Kad je lonac stavio na vatru da promiješa brigadeiro, dijete je nakon nekoliko minuta osjetilo da se drška žlice zagrijala i požalilo se: “Majko, žlica mi peče ruku”. Stoga ga je majka zamolila da drvenom žlicom spriječi opekline.
O zagrijavanju žlice iz djetetove pritužbe da ga gori ruka, možemo reći da
a) drvenom žlicom, koja je izvrstan toplinski izolator, zagrijava se brže od čelične žlice.
b) događa se zato što čestice koje čine žlicu stvaraju konvekcijske struje, zagrijavajući je u potpunosti, s jednog kraja na drugi.
c) zbog zračenja se žlica potpuno zagrije, s jednog kraja na drugi.
d) drvenom žlicom, koja je izvrstan toplinski provodnik, zagrijava se brže od čelične žlice.
e) događa se zato što čestice koje čine žlicu počnu provoditi toplinu koja se tu apsorbira s jednog kraja na drugi.
Točan odgovor: e) događa se zato što čestice koje čine žlicu počnu provoditi toplinu koja se tu apsorbira s jednog kraja na drugi.
Proces širenja topline je provođenje. Samo se energija prenosi iz čestice u njenu okolinu. Metali su izvrsni prijenosnici topline.
Vježba 10
(Enem 2016.) U eksperimentu učitelj ostavlja na laboratorijskom stolu dva pladnja iste mase, jedan plastični, a drugi aluminijski. Nakon nekoliko sati traži od učenika da dodirom ocijene temperaturu dva tacna. Njegovi studenti kategorički tvrde da je aluminijski pladanj na nižoj temperaturi. Zaintrigiran, predlaže drugu aktivnost u kojoj stavlja kocku leda na svaki pladanj, što su u toplinskoj ravnoteži s okolinom i pita ih pri kojoj će biti brzina topljenja leda veći.
Učenik koji točno odgovori na učiteljevo pitanje reći će da će doći do topljenja
a) brže na aluminijskoj ladici, jer ima veću toplinsku vodljivost od plastike.
b) brže na plastičnoj ladici, jer u početku ima višu temperaturu od aluminijske.
c) brže na plastičnoj ladici, jer ima veći toplinski kapacitet od aluminijske.
d) brže na aluminijskoj ladici, jer ima nižu specifičnu toplinu od plastične.
e) istom brzinom na obje ladice, jer će imati istu temperaturnu varijaciju.
Točan odgovor: a) brže na aluminijskoj ladici, jer ima veću toplinsku vodljivost od plastične.
Led se brže topi u posudi koja toplinu prenosi većom brzinom tj. brže. Kako metali imaju veću toplinsku vodljivost, aluminijski pladanj prenosi više topline na led i on će se brže topiti.
Vježba 11
(Enem 2021.) U gradu São Paulu, toplinski otoci odgovorni su za promjenu smjera strujanja morskog povjetarca koji bi trebao doći do proljetne regije. Ali kada prijeđe toplinski otok, morski povjetarac sada nailazi na okomito strujanje zraka, koji prenosi za nju je toplinska energija apsorbirana s vrućih površina grada, istiskujući je na visoka mjesta nadmorske visine. Na taj način dolazi do kondenzacije i obilne kiše u centru grada, umjesto u proljetnom području. Slika prikazuje tri podsustava koji izmjenjuju energiju u ovom fenomenu.
Ovi mehanizmi su, tj.
a) zračenje i konvekcija.
b) zračenje i zračenje.
c) provođenje i zračenje.
d) konvekcija i zračenje.
e) konvekcija i konvekcija.
Točan odgovor: a) zračenje i konvekcija.
Zračenje je proces prijenosa topline između sunca i gradova. U tom procesu toplina se prenosi elektromagnetskim zračenjem.
Konvekcija je proces prijenosa topline između toplinskih otoka i morskog povjetarca. U tom procesu toplina se svojim kretanjem prenosi tekućim medijem, u ovom slučaju zrakom. U konvekciji, vrući zrak koji se širi, postaje manje gust i diže se. Hladniji zrak na većim visinama, gušći, spušta se stvarajući zračne struje koje razmjenjuju toplinu.
Vježbe na latentnu toplinu i osjetljivu toplinu
Vježba 12
(Enem 2015.) Visoke temperature izgaranja i trenje između njegovih pokretnih dijelova neki su od čimbenika koji uzrokuju zagrijavanje motora s unutarnjim izgaranjem. Kako bi se spriječilo pregrijavanje i posljedično oštećenje ovih motora, razvijeni su trenutni sustavi hlađenja u kojima je tekućina hladnjak s posebnim svojstvima cirkulira kroz unutrašnjost motora, upijajući toplinu koja se, prolaskom kroz hladnjak, prenosi na atmosfera.
Koje svojstvo rashladna tekućina mora imati da bi najučinkovitije ispunila svoju svrhu?
a) Visoka specifična toplina.
b) Visoka latentna toplina fuzije.
c) Niska toplinska vodljivost.
d) Niska temperatura vrenja.
e) Visok koeficijent toplinskog širenja.
Točan odgovor: a) Visoka specifična toplina.
Specifična toplina je svojstvo materijala, u ovom slučaju rashladne tekućine. Označava količinu topline koju treba primiti ili odati za jednu jedinicu mase, za promjenu jedne jedinice temperature.
Drugim riječima, što je veća specifična toplina, to više topline može primiti bez previše povećanja temperature. Tvari s visokom specifičnom toplinom imaju manju osjetljivost na promjenu temperature.
Na taj način rashladna tekućina s visokom specifičnom toplinom može "sakupiti" veću količinu toplinske energije iz motora bez ključanja.
Vježba 13
(FATEC 2014.) Na satu discipline Fizika na tečaju Zavarivanje u Fatecu, odgovorni nastavnik s učenicima se bavi temom koju su vidjeli u srednjoj školi. Objašnjava kako izvršiti analizu grafa promjene stanja zadane hipotetske čiste tvari. Za to samo trebamo procijeniti fizičke veličine predstavljene na osi i graf koji je formiran odnosom između tih veličina. Na ovom grafikonu dio koji predstavlja nagib označava promjenu temperature zbog apsorpcije energije, a onaj koji predstavlja plato (horizontalni presjek) označava promjenu stanja zbog apsorpcije energije.
Nakon ovog objašnjenja, pita učenike kolika je ukupna količina energije koju je apsorbirao tvar između kraja promjene stanja za tekućinu, do kraja promjene stanja za plinoviti.
Točan odgovor na ovo pitanje, u kalorijama, je
a) 2000.
b) 4000.
c) 6.000.
d) 10 000.
e) 14 000.
Točan odgovor: d) 10 000.
Ova promjena se događa između 4000 i 14000 kalorija. Tvar je potpuno u tekućem stanju kada rampa krene nakon prvog platoa. Transformacija iz tekuće u plinovitu fazu odvija se na drugom platou.
Vježbe toplinske dilatacije
Vježba 14
(URCA 2012) Polumjer baze metalnog stošca, čija je gustoća jednaka 10 g/cm3, ima pri 0°C početnu duljinu Ro = 2 cm. Zagrijavanjem ovog konusa do temperature od 100°C, njegova visina varira Δh = 0,015 cm. Uz masu konusa od 100 g, srednji koeficijent linearne ekspanzije materijala je:
Točan odgovor:
Cilj: odrediti koeficijent linearne ekspanzije ().
Podaci = 0,015 cm
Početni polumjer, = 2 cm = 100°C
masa, m = 100 g
gustoća, d = 10 g/cm3
Matematički i fizički model linearnog toplinskog širenja
Gdje, je koeficijent linearne ekspanzije.
je varijacija visine.
je početna visina.
je varijacija u temperaturi.
Izolirajući ,
i
Oni su osigurani. Na taj način da se utvrdi
, potrebno je utvrditi
.
Odrediti upotrijebimo omjere volumena i gustoće.
volumen konusa
Gustoća
Izoliranje V,
Zamjena vrijednosti V i r u jednadžbi volumena i izrada = 3,
Sada možemo zamijeniti u jednadžbi koeficijenta toplinskog širenja,
pretvarajući se u znanstvenu notaciju
0,0006 =
nauči više o
- toplina i temperatura.
- širenje topline
- osjetljiva toplina
- Određena toplina
- Termalna energija
- Toplinsko širenje
- Toplinski kapacitet
- toplinska vodljivost
- Toplinska konvekcija
- Toplinsko zračenje
