Ištirkite temperatūrą ir šilumą su pratimų sąrašu: temperatūros ir šilumos nustatymas, plėtimasis ir šiluminė pusiausvyra, termometrinės skalės, šilumos perdavimas, latentinė ir jautri šiluma. Yra keletas išspręstų ir komentuotų pratimų, kuriuos galite išmokti ir išspręsti savo abejones.
Temperatūros ir šilumos nustatymo pratimai
1 pratimas
Apibrėžkite ir atskirkite temperatūrą ir šilumą.
Temperatūra yra fizinio kūno ar sistemos šiluminės būsenos matas. Jis nustato šią sistemą sudarančių dalelių maišymo laipsnį.
Todėl temperatūra yra dydis, kažkas, ką galima išmatuoti. Tarptautinėje vienetų sistemoje temperatūros matavimo vienetas yra Kelvinas (K). Kiti įprasti vienetai yra Celsijaus (°C) ir Farenheito (°F).
Šiluma yra šiluminės energijos judėjimas. Šiluminė energija perduodama iš energingesnių kūnų, kurių temperatūra aukštesnė, į mažiau energingus kūnus ir sistemas, kurių temperatūra žemesnė. Šis energijos perdavimas vyksta per tokius procesus kaip laidumas, konvekcija ir švitinimas.
Kadangi šiluma yra energijos forma, tarptautinėje vienetų sistemoje ji matuojama džauliais (J). Kitas įprastas šilumos matas yra kalorijos (kalkės).
Pagrindinis skirtumas tarp temperatūros ir šilumos yra tas, kad temperatūra yra šiluminės būsenos matas, o šiluma yra šiluminės energijos perdavimas tarp kūnų.
2 pratimas
Apibrėžkite, kas yra šiluminė pusiausvyra.
Šiluminė pusiausvyra yra būsena, kai skirtingų kūnų toje pačioje aplinkoje temperatūra yra tokia pati, tai yra, jie turi tą pačią šiluminę būseną.
Kadangi šiluma yra šiluminės energijos perdavimas iš šiltesnių kūnų į vėsesnius, anksčiau karštesni kūnai vėsta, nes išskirdavo šilumą. Kita vertus, kūnai, gaunantys šią šilumą, kurie anksčiau buvo šaltesni, tampa šilti.
Šis temperatūros svyravimas nutrūksta, kai tarp kūnų nebelieka šilumos, o tai reiškia, kad tarp jų nebelieka šilumos energijos. Šioje būsenoje jų temperatūra yra vienoda.
3 pratimas
Paaiškinkite šį reiškinį:
Laura ką tik pabudo ir išlipo iš lovos šaltą žiemos dieną. Išlipusi iš šiltos lovos, ji paliečia kojas prie kilimine danga išklotas miegamojo grindis ir jaučiasi patogiai net basomis kojomis. Kai įeini į virtuvę, basos kojos pajunta šalčio pojūtį liečiant plytelių grindis.
Visą namo aplinką visą naktį veikė vienodos temperatūros sąlygos. Kodėl vaikščiodama basa miegamajame ir virtuvėje Laura jaučia skirtingus pojūčius?
Karščio ir šalčio pojūčiai yra susiję su keliais veiksniais, kai kurie netgi subjektyvūs. Skirtingi žmonės tą pačią temperatūrą gali jausti ir suvokti skirtingai. Tačiau tekste tas pats asmuo turi skirtingus pojūčius aplinkoje, kuri turėtų būti šiluminėje pusiausvyroje, tai yra, kur kūnai yra vienodos temperatūros.
Vienintelis skirtumas yra medžiaga, su kuria jis liečiasi. Šilumos laidumo koeficientas yra medžiagų savybė ir parodo, kaip lengvai perduodama šiluminė energija. Kuo didesnė šilumos laidumo vertė, tuo lengviau perduodama šiluminė energija.
Kadangi keraminės grindys turi didesnį šilumos laidumą nei vilnos ar medvilnės kilimas, Lauros kūnas daug netenka. daugiau energijos vaikštant per virtuvę nei einant ant kilimo, todėl ji interpretuoja, kad grindų yra daugiau šalta.
Pratimai apie šiluminę pusiausvyrą
4 pratimas
(IFF 2016) Laboratorinėje veikloje fizikos mokytojas siūlo mokiniams sumaišyti 1L 100°C temperatūros vandens su 500 ml 4°C temperatūros vandens. Tačiau prieš maišydami ir matuodami šiluminės pusiausvyros temperatūrą, studentai turi apskaičiuoti šiluminės pusiausvyros temperatūrą. Apsvarstykite nereikšmingus šiluminius nuostolius ir tai, kad teorinis rezultatas yra lygus eksperimentinei vertei. Galima sakyti, kad ši pusiausvyros temperatūra galioja:
a) 68°C.
b) 74°C.
c) 80°C.
d) 32°C.
e) 52°C.
Teisingas atsakymas: a) 68°C.
Tikslas: nustatyti šiluminės pusiausvyros temperatūrą ().
Duomenys:
1L = 1000 ml 100°C vandens;
500 ml 4°C vandens
Fizinis ir matematinis modelis
Esant šiluminei pusiausvyrai, šiluminė energija nebeperduodama, todėl 100°C ir 4°C temperatūros vandens dalių šilumos suma lygi nuliui.
Kadangi abiejose lygties pusėse savitoji šiluma yra vienoda, galime jas panaikinti.
Todėl pusiausvyros temperatūra bus 68°C.
Pratimai ant termometrinių svarstyklių
5 pratimai
(SENAC – SP 2013) Žmogus atvyko į Mėnulį 1969 m. Mėnulio struktūra uolėta ir praktiškai neturi atmosferos, vadinasi, dieną temperatūra siekia 105 °C, o naktį nukrenta iki –155 °C.
Šis terminis pokytis, išmatuotas pagal Farenheito temperatūros skalę, galioja
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Teisingas atsakymas: d) 468.
Ryšys tarp Celsijaus °C skalės ir °F skalės pateikiamas taip:
kur,
yra temperatūros pokytis Celsijaus laipsniais ir
yra Farenheito kitimas.
Mėnulio paviršiaus temperatūra svyruoja nuo 105°C iki -155°C naktį. Todėl bendras pokytis yra 260°C.
105 - (-155) = 260
Pakeitę formulę, turime:
6 pratimai
(UESPI 2010) Studentas skaito mokslinės fantastikos romaną „Fahrenheit 451“, kurį sukūrė Ray Bradbury. Tam tikroje ištraukoje vienas iš veikėjų teigia, kad 451 °F yra temperatūra pagal Farenheito skalę, kurioje popierius, iš kurio gaminamos knygos, sudega. Mokinys žino, kad pagal šią skalę vandens lydymosi ir virimo temperatūra yra atitinkamai 32 °F ir 212 °F. Jis teisingai daro išvadą, kad 451 ° F yra maždaug lygiavertis:
a) 100 °C
b) 205 °C
c) 233 °C
d) 305 °C
e) 316 °C
Teisingas atsakymas: c) 233 °C.
Celsijaus ir Farenheito skalės yra susijusios:
451°F pakeičiant , mes turime:
Iš atsako variantų 233°C yra artimiausia.
7 pratimai
(FATEC 2014) „Formulės Indy“ arba „Formulės 1“ lenktynių metu vairuotojus kabinoje veikia karšta mikroaplinka, kuri ji pasiekia 50°C, kurią generuoja įvairūs šilumos šaltiniai (nuo saulės, variklio, reljefo, smegenų medžiagų apykaitos, raumenų veiklos ir tt). Ši temperatūra yra daug aukštesnė už leistiną vidutinę kūno temperatūrą, todėl jie visada turi būti geros fizinės būklės.
„Formula Indy“ lenktynės yra tradiciškesnės JAV, kur temperatūros rodmenys priimami pagal Farenheito skalę. Remiantis tekste pateikta informacija, teisinga teigti, kad kabinos temperatūra, kurią „Formula Indy“ bolidas pasiekia lenktynių metu, Farenheito laipsniais, yra
Duomenys:
Ledo lydymosi temperatūra = 32°F;
Verdančio vandens temperatūra = 212°F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Teisingas atsakymas: d) 122
Norėdami susieti dvi temperatūras, naudojame lygtį:
pakeičiant už 50 ir išspręsti už
, mes turime:
Todėl temperatūra kabinoje pagal Farenheitą yra 122 °F.
Pratimai apie šilumos sklaidą
8 pratimas
(Enem 2021) Šaldytuvo naudojimo vadove pateikiamos šios rekomendacijos:
• Šaldytuvo dureles laikykite atidarytas tik tiek, kiek reikia;
• Svarbu netrukdyti oro cirkuliacijai blogai paskirstant maistą lentynose;
• Palikite bent 5 cm tarpą tarp gaminio užpakalinės dalies (serpantino šilumos kriauklės) ir sienos.
Remiantis termodinamikos principais, šios rekomendacijos pagrindžiamos atitinkamai:
a) Sumažinkite šalčio srautą iš šaldytuvo į aplinką, užtikrinkite šalčio perdavimą tarp lentynoje esančių maisto produktų ir leiskite šilumos mainams tarp aušintuvo ir aplinkos.
b) Sumažinti šaldytuvo šalčio išmetimą į aplinką, garantuoti vidaus oro konvekciją, garantuoti šilumos izoliaciją tarp vidinės ir išorinės dalių.
c) Sumažinkite šilumos srautą iš aplinkos į šaldytuvo vidų, užtikrinkite vidinio oro konvekciją ir leiskite keistis šiluma tarp radiatoriaus ir aplinkos.
d) Sumažinkite šilumos srautą iš aplinkos į šaldytuvo vidų, užtikrinkite perdavimą šaltis tarp lentynoje esančių maisto produktų ir leidžia keistis šiluma tarp kriauklės ir aplinkos.
e) Sumažinti šilumos srautą iš aplinkos į šaldytuvo vidų, garantuoti vidinio oro konvekciją ir šilumos izoliaciją tarp vidinių ir išorinių dalių.
Teisingas atsakymas: c) Sumažinkite šilumos srautą iš patalpos į šaldytuvo vidų, užtikrinkite vidinio oro konvekciją ir leiskite šilumos mainams tarp radiatoriaus ir aplinkos.
Laikant uždarytas šaldytuvo dureles, atidarant tik tai, kas būtina, šiluma nepateks iš išorinės aplinkos.
Šaldytuvo viduje vykstantys šilumos mainai tarp šaltos patalpos aplinkos ir maisto gamina oro sroves per konvekciją. Šios srovės reikalingos maistui vėsinti.
Šiluma, paimta iš maisto ir pakeista šaldytuvo šaltnešiu, yra transportuojama į galinėje dalyje esantį radiatorių. Ši šiluma bus keičiama su aplinka, daugiausia konvekcijos būdu, todėl reikia erdvės.
9 pratimas
(UEPB 2009) Vaikas, kuriam patiko brigadeiro, nusprendė pagaminti šį saldainį ir tam pradėjo atskirti ingredientus ir indus. Iš pradžių jis paėmė kondensuoto pieno skardinę, šokolado miltelius ir margariną, tada plieninę keptuvę ir šaukštą bei skardinių atidarytuvą. Vaikas skardinėje išgręžė skylę, kad kondensuotas pienas nutekėtų į keptuvę. Jo mama, matydama tokį požiūrį, pasiūlė sūnui išgręžti dar vieną skylę skardinėje, kad būtų lengviau tą skystį pašalinti. Statant puodą ant ugnies maišyti brigadeiro, vaikas pajuto, kad po kelių minučių šaukšto rankena įšilo ir skundėsi: „Mama, šaukštas man ranką degina“. Taigi, jo mama paprašė jo panaudoti medinį šaukštą, kad nenudegtų.
Apie šaukštelio pašildymą, liudijantį vaiko skunde, kad jam dega ranka, galima teigti, kad
a) su mediniu šaukštu, kuris yra puikus šilumos izoliatorius, jis įkaista greičiau nei plieninis šaukštas.
b) taip atsitinka todėl, kad dalelės, sudarančios šaukštą, sukuria konvekcines sroves, visiškai įkaitindamos jį nuo vieno galo iki kito.
c) dėl švitinimo šaukštas visiškai įkaista, nuo vieno galo iki kito.
d) su mediniu šaukštu, kuris yra puikus šilumos laidininkas, jis įkaista greičiau nei plieninis šaukštas.
e) taip nutinka todėl, kad dalelės, sudarančios šaukštą, pradeda pernešti ten sugertą šilumą iš vieno galo į kitą.
Teisingas atsakymas: e) taip nutinka todėl, kad dalelės, sudarančios šaukštą, pradeda pernešti ten sugertą šilumą iš vieno galo į kitą.
Šilumos sklidimo procesas yra laidumas. Iš dalelės į aplinką perduodama tik energija. Metalai yra puikūs šilumos perdavėjai.
10 pratimas
(Enem 2016) Eksperimento metu mokytojas ant laboratorinio stalo palieka du tos pačios masės padėklus – vieną plastikinį ir kitą aliuminį. Po kelių valandų jis paprašo mokinių lietimu įvertinti dviejų padėklų temperatūrą. Jo mokiniai kategoriškai tvirtina, kad aliuminio padėklas yra žemesnės temperatūros. Susidomėjęs jis pasiūlo antrąją veiklą, kai ant kiekvieno padėklo padeda po ledo kubelį. yra šiluminėje pusiausvyroje su aplinka ir klausia jų, koks bus ledo tirpimo greitis didesnis.
Teisingai į mokytojo klausimą atsakęs mokinys pasakys, kad įvyks tirpimas
a) greičiau ant aliuminio padėklo, nes jo šilumos laidumas didesnis nei plastiko.
b) greičiau ant plastikinio padėklo, nes iš pradžių jo temperatūra aukštesnė nei aliuminio.
c) greičiau ant plastikinio padėklo, nes jo šiluminė talpa didesnė nei aliuminio.
d) greičiau ant aliuminio padėklo, nes jo savitoji šiluma mažesnė nei plastikinio.
e) tuo pačiu greičiu abiejuose padėkluose, nes jų temperatūra svyruos vienodai.
Teisingas atsakymas: a) greičiau ant aliuminio padėklo, nes jo šilumos laidumas didesnis nei plastikinio.
Ledas greičiau tirpsta dėkle, kuris perduoda šilumą didesniu greičiu, ty greičiau. Kadangi metalai turi didesnį šilumos laidumą, aliuminio padėklas daugiau šilumos perduoda ledui ir jis greičiau ištirps.
11 pratimas
(Enem 2021) San Paulo mieste šilumos salos yra atsakingos už jūros vėjo, kuris turėtų pasiekti pavasario regioną, srauto krypties keitimą. Tačiau kertant šilumos salą jūros brizas dabar susiduria su vertikaliu oro srautu, kuris persiduoda jai šiluminė energija, sugeriama nuo karštų miesto paviršių, išstumdama ją į aukštas vietas aukštumose. Tokiu būdu ne pavasariškame regione, o miesto centre susidaro kondensatas ir smarkus lietus. Paveikslėlyje pavaizduoti trys posistemiai, kurie keičiasi energija šiame reiškinyje.
Šie mechanizmai yra atitinkamai
a) švitinimas ir konvekcija.
b) švitinimas ir švitinimas.
c) laidumas ir švitinimas.
d) konvekcija ir švitinimas.
e) konvekcija ir konvekcija.
Teisingas atsakymas: a) švitinimas ir konvekcija.
Švitinimas yra šilumos perdavimo tarp saulės ir miestų procesas. Šiame procese šiluma perduodama elektromagnetine spinduliuote.
Konvekcija yra šilumos perdavimo tarp šilumos salų ir jūros vėjo procesas. Šiame procese šiluma perduodama skystos terpės, šiuo atveju, oro, judesiais. Konvekcijoje karštas oras, kuris plečiasi, tampa mažiau tankus ir kyla aukštyn. Vėsesnis oras didesniame aukštyje, tankesnis, leidžiasi žemyn, sukurdamas oro sroves, kurios keičia šilumą.
Pratimai dėl latentinės šilumos ir jautrios šilumos
12 pratimas
(Enem 2015) Aukšta degimo temperatūra ir trintis tarp jo judančių dalių yra keletas veiksnių, dėl kurių vidaus degimo varikliai įkaista. Siekiant išvengti šių variklių perkaitimo ir dėl to sugadinimo, buvo sukurtos dabartinės aušinimo sistemos, kuriose yra skystis specialių savybių turintis aušintuvas cirkuliuoja per variklio vidų, sugerdamas šilumą, kuri, eidama per radiatorių, perduodama atmosfera.
Kokią savybę turi turėti aušinimo skystis, kad efektyviausiai atliktų savo paskirtį?
a) Didelė savitoji šiluma.
b) Didelė latentinė sintezės šiluma.
c) Mažas šilumos laidumas.
d) Žema virimo temperatūra.
e) Didelis šiluminio plėtimosi koeficientas.
Teisingas atsakymas: a) Didelė savitoji šiluma.
Savitoji šiluma yra medžiagos, šiuo atveju aušinimo skysčio, savybė. Tai rodo šilumos kiekį, kurį jai reikia gauti arba atiduoti vienam masės vienetui, kad pakeistų vieną temperatūros vienetą.
Kitaip tariant, kuo didesnė savitoji šiluma, tuo daugiau šilumos jis gali priimti per daug nepadidindamas temperatūros. Medžiagos, turinčios didelę savitąją šilumą, yra mažiau jautrios temperatūros pokyčiams.
Tokiu būdu aušinimo skystis, turintis didelę savitąją šilumą, gali „surinkti“ didesnį kiekį šiluminės energijos iš variklio neužvirdamas.
13 pratimas
(FATEC, 2014) Fatec suvirinimo kurso fizikos disciplinos klasėje atsakingas mokytojas kartu su mokiniais nagrinėja temą, kurią jie matė vidurinėje mokykloje. Paaiškinama, kaip atlikti tam tikros hipotetinės grynosios medžiagos būsenos kitimo grafiko analizę. Tam tereikia įvertinti ašyse pavaizduotus fizikinius dydžius ir grafiką, sudarytą iš šių dydžių santykio. Šiame grafike pjūvis, kuriame pateikiamas polinkis, rodo temperatūros pokytį dėl energijos sugerties, o ta, kurioje pateikiamas plokščiakalnis (horizontalus pjūvis), rodo būsenos pasikeitimą dėl energijos sugerties.
Po šio paaiškinimo jis klausia mokinių, koks buvo bendras energijos kiekis, kurį sugėrė medžiaga nuo skysčio būsenos pasikeitimo pabaigos iki būsenos pasikeitimo pabaigos dujinis.
Teisingas atsakymas į šį klausimą kalorijomis yra
a) 2000 m.
b) 4000.
c) 6 000.
d) 10 000.
e) 14 000.
Teisingas atsakymas: d) 10 000.
Šis pokytis vyksta nuo 4000 iki 14000 kalorijų. Medžiaga yra visiškai skysta, kai rampa prasideda po pirmojo plokščiakalnio. Transformacija iš skystos į dujinę fazę vyksta antrajame plynaukštėje.
Pratimai dėl terminio išsiplėtimo
14 pratimas
(URCA 2012) Metalinio kūgio, kurio tankis lygus 10 g/cm3, pagrindo spindulys 0°C temperatūroje pradinis ilgis Ro = 2 cm. Kaitinant šį kūgį iki 100°C temperatūros, jo aukštis kinta Δh = 0,015 cm. Kai kūgio masė yra 100 g, vidutinis medžiagos tiesinis plėtimosi koeficientas yra:
Teisingas atsakymas:
Tikslas: nustatyti tiesinio plėtimosi koeficientą ().
Duomenys = 0,015 cm
Pradinis spindulys = 2 cm = 100°C
masė, m = 100 g
tankis, d = 10 g/cm3
Matematinis ir fizikinis linijinio šiluminio plėtimosi modelis
kur, yra tiesinio plėtimosi koeficientas.
yra aukščio kitimas.
yra pradinis aukštis.
yra temperatūros pokytis.
Izoliuojantis ,
ir
Jie suteikiami. Tokiu būdu, norint nustatyti
, būtina nustatyti
.
Siekiant nustatyti panaudokime tūrio ir tankio santykius.
kūgio tūris
Tankis
Izoliuoti V,
V ir r reikšmių pakeitimas tūrio lygtyje ir padarymas = 3,
Dabar galime pakeisti šiluminio plėtimosi koeficiento lygtyje,
virsta moksline notacija
0,0006 =
išmokti daugiau apie
- šiluma ir temperatūra.
- šilumos sklidimas
- jautri šiluma
- Specifinė šiluma
- Šiluminė energija
- Šiluminis plėtimasis
- Šiluminė talpa
- šilumos laidumas
- Šiluminė konvekcija
- Terminis švitinimas
