Badanie temperatury i ciepła wraz z wykazem ćwiczeń dotyczących: zadawania temperatury i ciepła, rozszerzalności i równowagi termicznej, skal termometrycznych, wymiany ciepła, ciepła utajonego i jawnego. Istnieje kilka rozwiązanych i skomentowanych ćwiczeń, których możesz nauczyć się i rozwiązać swoje wątpliwości.
Ćwiczenia z ustawiania temperatury i ciepła
Ćwiczenie 1
Zdefiniuj i rozróżnij temperaturę i ciepło.
Temperatura jest miarą stanu cieplnego ciała fizycznego lub układu. Określa stopień poruszenia cząstek tworzących ten układ.
Temperatura jest więc wielkością, czymś, co można zmierzyć. W międzynarodowym układzie jednostek jednostką miary temperatury jest Kelwin (K). Inne popularne jednostki to Celsjusz (°C) i Fahrenheit (°F).
Ciepło to ruch energii cieplnej. Energia cieplna jest przekazywana z ciał bardziej energetycznych, o wyższej temperaturze, do ciał i układów mniej energetycznych, o niższej temperaturze. Ten transfer energii odbywa się poprzez procesy takie jak: przewodzenie, konwekcja i napromienianie.
Ponieważ ciepło jest formą energii, w międzynarodowym układzie jednostek miar jest ono mierzone w dżulach (J). Inną częstą miarą ciepła jest kaloria (wapno).
Główna różnica między temperaturą a ciepłem polega na tym, że temperatura jest miarą stanu cieplnego, podczas gdy ciepło jest przenoszeniem energii cieplnej między ciałami.
Ćwiczenie 2
Określ, czym jest równowaga termiczna.
Równowaga termiczna to stan, w którym różne ciała w tym samym środowisku mają tę samą temperaturę, to znaczy mają ten sam stan termiczny.
Ponieważ ciepło polega na przenoszeniu energii cieplnej z ciał cieplejszych do chłodniejszych, wcześniej cieplejsze ciała ochładzają się, oddając ciepło. Z drugiej strony ciała, które otrzymują to ciepło, które wcześniej były zimniejsze, stają się ciepłe.
Ta zmiana temperatury ustaje, gdy między ciałami nie ma już ciepła, co oznacza, że nie ma między nimi wymiany energii cieplnej. W tym stanie ich temperatury są takie same.
Ćwiczenie 3
Wyjaśnij następujące zjawisko:
Laura właśnie obudziła się i wstała z łóżka w mroźny zimowy dzień. Po wstaniu z ciepłego łóżka dotyka stopami wykładziny w sypialni i czuje się komfortowo, nawet w bosych stopach. Kiedy wchodzisz do kuchni, twoje bose stopy odczuwają uczucie zimna, gdy dotykasz kafelkowej podłogi.
Całe otoczenie domu było przez całą noc wystawione na te same warunki temperaturowe. Dlaczego Laura odczuwa różne doznania podczas chodzenia boso po sypialni i kuchni?
Odczucia gorąca i zimna są związane z kilkoma czynnikami, niektóre nawet subiektywne. Różni ludzie mogą odczuwać i postrzegać tę samą temperaturę na różne sposoby. Jednak w tekście ta sama osoba ma inne odczucia w środowisku, które ma znajdować się w równowadze termicznej, czyli w którym ciała mają tę samą temperaturę.
Jedyną różnicą jest materiał, z którym się styka. Współczynnik przewodzenia ciepła jest właściwością materiałów i wskazuje, jak łatwo jest przekazywana energia cieplna. Im wyższa wartość przewodności cieplnej, tym łatwiejszy transfer energii cieplnej.
Ponieważ podłoga ceramiczna ma większą przewodność cieplną niż dywan wełniany lub bawełniany, ciało Laury dużo traci. więcej energii podczas chodzenia po kuchni niż podczas chodzenia po dywanie, co każe jej interpretować, że podłoga jest większa przeziębienie.
Ćwiczenia z równowagi termicznej
Ćwiczenie 4
(IFF 2016) W ramach zajęć laboratoryjnych nauczyciel fizyki proponuje uczniom zmieszanie 1 litra wody o temperaturze 100°C z 500 ml wody o temperaturze 4°C. Jednak przed zmieszaniem i pomiarem temperatury równowagi termicznej uczniowie muszą obliczyć temperaturę równowagi termicznej. Uwzględnij znikome straty cieplne i czy wynik teoretyczny jest równy wartości eksperymentalnej. Można powiedzieć, że ta temperatura równowagi jest ważna:
a) 68°C.
b) 74°C.
c) 80°C.
d) 32°C.
e) 52°C.
Prawidłowa odpowiedź: a) 68°C.
Cel: określić temperaturę równowagi termicznej ().
Dane:
1L = 1000 ml wody o temperaturze 100°C;
500 ml wody o temperaturze 4°C
Model fizyczny i matematyczny
W równowadze termicznej nie występuje już transfer energii cieplnej, więc suma ciepła porcji wody przy 100°C i 4°C jest równa zeru.
Ponieważ po obu stronach równania ciepło właściwe jest takie samo, możemy je zlikwidować.
Dlatego temperatura równowagi wyniesie 68°C.
Ćwiczenia na wagach termometrycznych
Ćwiczenia 5
(SENAC - SP 2013) Przybycie człowieka na Księżyc nastąpiło w 1969 roku. Księżyc ma budowę skalistą i praktycznie pozbawioną atmosfery, co oznacza, że w ciągu dnia temperatura dochodzi do 105 °C, a nocą spada do −155°C.
Ta zmiana temperatury, mierzona w skali temperatury Fahrenheita, jest ważna
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Prawidłowa odpowiedź: d) 468.
Zależność między skalą Celsjusza °C a skalą °F wyraża się wzorem:
Gdzie,
to zmiana temperatury w stopniach Celsjusza i,
to wariacja na temat Fahrenheita.
Temperatura na powierzchni Księżyca waha się między 105°C a nocą -155°C. Dlatego całkowita zmienność wynosi 260°C.
105 - (-155) = 260
Zastępując w formule mamy:
Ćwiczenia 6
(UESPI 2010) Student czyta powieść science fiction „Fahrenheit 451” Raya Bradbury'ego. W pewnym fragmencie jedna z postaci twierdzi, że 451 ° F to temperatura w skali Fahrenheita, w której pali się papier, z którego wykonane są książki. Student wie, że w tej skali temperatury topnienia i wrzenia wody wynoszą odpowiednio 32°F i 212°F. Słusznie wnioskuje, że 451°F jest mniej więcej równoważne z:
a) 100°C
b) 205 °C
c) 233 °C
d) 305 °C
e) 316°C
Prawidłowa odpowiedź: c) 233 °C.
Skale Celsjusza i Fahrenheita są powiązane przez:
Zastąpienie 451 ° F przez , mamy:
Z opcji odpowiedzi najbliższa jest 233°C.
Ćwiczenia 7
(FATEC 2014) Podczas wyścigu Formuły Indy lub Formuły 1 kierowcy są narażeni na gorące mikrośrodowisko w kokpicie, które osiąga 50°C, generowane przez różne źródła ciepła (słońce, silnik, teren, metabolizm mózgu, aktywność mięśni) itp.). Ta temperatura jest znacznie wyższa od tolerowanej średniej temperatury ciała, więc zawsze powinny być w dobrej kondycji fizycznej.
Wyścigi Formuły Indy są bardziej tradycyjne w USA, gdzie odczyt temperatury jest przyjmowany w skali Fahrenheita. Na podstawie informacji przedstawionych w tekście słusznie można stwierdzić, że temperatura kokpitu, jaką samochód Formuły Indy osiąga podczas wyścigu, w stopniach Fahrenheita, jest
Dane:
Temperatura topnienia lodu = 32 ° F;
Temperatura wrzącej wody = 212°F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Prawidłowa odpowiedź: d) 122
Aby powiązać te dwie temperatury, używamy równania:
wymiana za 50 i rozwiązywanie za
, mamy:
Dlatego temperatura w kokpicie w stopniach Fahrenheita wynosi 122°F.
Ćwiczenia dotyczące propagacji ciepła
Ćwiczenie 8
(Enem 2021) W instrukcji obsługi lodówki znajdują się następujące zalecenia:
• Drzwi lodówki powinny być otwarte tylko tak długo, jak to konieczne;
• Ważne jest, aby nie utrudniać cyrkulacji powietrza przy złym rozmieszczeniu żywności na półkach;
• Pozostaw odstęp co najmniej 5 cm między tyłem produktu (serpentynowy radiator) a ścianą.
W oparciu o zasady termodynamiki uzasadnieniem tych zaleceń są odpowiednio:
a) Zmniejsz wydajność zimna z lodówki do otoczenia, zapewnij przenoszenie zimna między produktami na półce i umożliwij wymianę ciepła między radiatorem a otoczeniem.
b) Zmniejsz wydajność zimna lodówki do otoczenia, zagwarantuj konwekcję powietrza wewnętrznego, zagwarantuj izolację termiczną pomiędzy częściami wewnętrznymi i zewnętrznymi.
c) Zmniejsz przepływ ciepła z otoczenia do wnętrza lodówki, zapewnij konwekcję powietrza wewnętrznego i umożliwij wymianę ciepła między radiatorem a otoczeniem.
d) Zmniejsz przepływ ciepła z otoczenia do wnętrza lodówki, zapewnij transmisję zimno między produktami na półce i umożliwia wymianę ciepła między zlewem a otoczeniem.
e) Ogranicz dopływ ciepła z otoczenia do wnętrza lodówki, zagwarantuj konwekcję powietrza wewnętrznego oraz zagwarantuj izolację termiczną pomiędzy częściami wewnętrznymi i zewnętrznymi.
Prawidłowa odpowiedź: c) Zmniejsz przepływ ciepła z pomieszczenia do wnętrza lodówki, zapewnij konwekcję powietrza wewnętrznego i umożliwij wymianę ciepła między radiatorem a otoczeniem.
Utrzymywanie zamkniętych drzwi lodówki, otwieranie tylko niezbędnych, zapobiega przedostawaniu się ciepła ze środowiska zewnętrznego.
Wewnątrz lodówki wymiana ciepła między zimnym środowiskiem wewnętrznym a żywnością wytwarza prądy powietrzne poprzez konwekcję. Prądy te są niezbędne do chłodzenia żywności.
Ciepło pobrane z żywności i wymieniane z czynnikiem chłodniczym lodówki jest transportowane do tylnego radiatora. Ciepło to będzie wymieniane z otoczeniem, głównie przez konwekcję, więc potrzebna jest przestrzeń.
Ćwiczenie 9
(UEPB 2009) Dziecko, które lubiło Brigadeiro, postanowiło zrobić ten cukierek i zaczął oddzielać składniki i naczynia. Najpierw wziął puszkę po skondensowanym mleku, czekoladę w proszku i margarynę, potem stalową patelnię, łyżkę i otwieracz do puszek. Dziecko wywierciło w puszce otwór, aby skondensowane mleko spuścić do rondla. Jego matka, widząc taką postawę, zasugerowała, aby syn wywiercił kolejny otwór w puszce, aby łatwiej mógł usunąć ten płyn. Kiedy stawiano garnek na ogniu, by poruszyć brygadeiro, dziecko poczuło, że po kilku minutach rączka łyżki się rozgrzała i narzekało: „Mamo, łyżka pali mi rękę”. Tak więc jego matka poprosiła go, aby użył drewnianej łyżki, aby zapobiec poparzeniom.
O rozgrzaniu się łyżki, które w skardze dziecka świadczyło, że paliło mu rękę, można powiedzieć, że
a) łyżką drewnianą, która jest doskonałym izolatorem termicznym, nagrzewa się szybciej niż łyżka stalowa.
b) dzieje się tak, ponieważ cząsteczki tworzące łyżkę wytwarzają prądy konwekcyjne, podgrzewając ją całkowicie od jednego końca do drugiego.
c) na skutek napromieniowania łyżka nagrzewa się całkowicie, od jednego końca do drugiego.
d) łyżką drewnianą, która jest doskonałym przewodnikiem ciepła, nagrzewa się szybciej niż łyżka stalowa.
e) dzieje się tak, ponieważ cząsteczki tworzące łyżkę zaczynają przewodzić pochłonięte tam ciepło z jednego końca na drugi.
Prawidłowa odpowiedź: e) dzieje się tak, ponieważ cząsteczki tworzące łyżkę zaczynają przewodzić pochłonięte tam ciepło z jednego końca na drugi.
Procesem propagacji ciepła jest przewodzenie. Tylko energia jest przekazywana z cząsteczki do jej otoczenia. Metale są doskonałymi przekaźnikami ciepła.
Ćwiczenie 10
(Enem 2016) W eksperymencie nauczyciel zostawia na stole laboratoryjnym dwie tace o tej samej masie, jedną plastikową i drugą aluminiową. Po kilku godzinach prosi uczniów, aby za pomocą dotyku ocenili temperaturę obu tac. Jego uczniowie kategorycznie twierdzą, że taca aluminiowa ma niższą temperaturę. Zaintrygowany proponuje drugą czynność, w której na każdej z tac kładzie kostkę lodu, co są w równowadze termicznej z otoczeniem i pytają, w jakim tempie będzie topnieć lód większy.
Uczeń, który poprawnie odpowie na pytanie nauczyciela, powie, że nastąpi stopienie
a) szybciej na tacy aluminiowej, ponieważ ma wyższą przewodność cieplną niż plastik.
b) szybciej na plastikowej tacce, ponieważ początkowo ma wyższą temperaturę niż aluminiowa.
c) szybciej na tacce plastikowej, ponieważ ma większą pojemność cieplną niż ta aluminiowa.
d) szybciej na tacy aluminiowej, ponieważ ma niższe ciepło właściwe niż taca plastikowa.
e) z taką samą prędkością na obu tacach, ponieważ będą miały tę samą zmianę temperatury.
Prawidłowa odpowiedź: a) szybciej na tacy aluminiowej, ponieważ ma wyższą przewodność cieplną niż ta plastikowa.
Lód topi się szybciej w tacce, która przenosi ciepło z większą szybkością, czyli szybciej. Ponieważ metale mają większą przewodność cieplną, taca aluminiowa przenosi więcej ciepła na lód i szybciej się topi.
Ćwiczenie 11
(Enem 2021) W mieście São Paulo wyspy ciepła odpowiadają za zmianę kierunku przepływu morskiej bryzy, która powinna dotrzeć do regionu wiosennego. Ale podczas przekraczania wyspy ciepła morska bryza napotyka teraz pionowy przepływ powietrza, który przenosi się dla niej energia cieplna pochłonięta z gorących powierzchni miasta, przenosząca ją w wysokie miejsca wysokości. W ten sposób w centrum miasta, zamiast na wiosnę, występuje kondensacja i ulewne deszcze. Obraz przedstawia trzy podsystemy, które wymieniają energię w tym zjawisku.
Mechanizmy te to odpowiednio
a) napromienianie i konwekcja.
b) napromienianie i napromienianie.
c) przewodnictwo i napromienianie.
d) konwekcja i napromienianie.
e) konwekcja i konwekcja.
Prawidłowa odpowiedź: a) napromienianie i konwekcja.
Napromieniowanie to proces przenoszenia ciepła między słońcem a miastami. W tym procesie ciepło jest przenoszone przez promieniowanie elektromagnetyczne.
Konwekcja to proces przenoszenia ciepła między wyspami ciepła a bryzą morską. W procesie tym ciepło jest przenoszone przez czynnik płynny, w tym przypadku powietrze, poprzez jego ruchy. W konwekcji gorące powietrze, które rozszerza się, staje się mniej gęste i unosi się. Chłodniejsze powietrze na wyższych wysokościach, gęstsze, opada tworząc prądy powietrzne, które wymieniają ciepło.
Ćwiczenia dotyczące ciepła utajonego i ciepła wrażliwego
Ćwiczenie 12
(Enem 2015) Wysokie temperatury spalania i tarcie pomiędzy jego ruchomymi częściami to tylko niektóre z czynników powodujących nagrzewanie się silników spalinowych. Aby zapobiec przegrzaniu i w konsekwencji uszkodzeniu tych silników, opracowano obecne układy chłodzenia, w których płyn chłodnica o specjalnych właściwościach krąży we wnętrzu silnika, pochłaniając ciepło, które przechodząc przez chłodnicę oddawane jest do atmosfera.
Jaką właściwość musi mieć płyn chłodzący, aby najefektywniej spełniał swoje przeznaczenie?
a) Wysokie ciepło właściwe.
b) Wysokie utajone ciepło topnienia.
c) Niska przewodność cieplna.
d) Niska temperatura wrzenia.
e) Wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej.
Prawidłowa odpowiedź: a) Wysokie ciepło właściwe.
Ciepło właściwe jest właściwością materiału, w tym przypadku chłodziwa. Wskazuje ilość ciepła, którą musi odebrać lub oddać dla jednej jednostki masy, aby zmienić jedną jednostkę temperatury.
Innymi słowy, im wyższe ciepło właściwe, tym więcej ciepła może otrzymać bez zbytniego zwiększania swojej temperatury. Substancje o wysokim cieple właściwym mają mniejszą wrażliwość na zmiany temperatury.
W ten sposób płyn chłodzący o wysokim cieple właściwym może „zbierać” większą ilość energii cieplnej z silnika bez wrzenia.
Ćwiczenie 13
(FATEC 2014) Na zajęciach z dyscypliny Fizyka na kursie spawalniczym w firmie Fatec odpowiedzialny nauczyciel omawia z uczniami temat, który widzieli w liceum. Wyjaśnia, jak przeprowadzić analizę wykresu zmian stanu danej hipotetycznie czystej substancji. W tym celu wystarczy ocenić wielkości fizyczne reprezentowane na osiach i wykres utworzony przez związek między tymi wielkościami. Na tym wykresie sekcja przedstawiająca nachylenie wskazuje zmianę temperatury spowodowaną absorpcją energii, a sekcja przedstawiająca plateau (przekrój poziomy) wskazuje zmianę stanu spowodowaną absorpcją energii.
Po tym wyjaśnieniu pyta uczniów, jaka była całkowita ilość energii pochłoniętej przez substancji między końcem zmiany stanu dla cieczy, do końca zmiany stanu dla gazowy.
Prawidłowa odpowiedź na to pytanie w kaloriach to
a) 2000.
b) 4000.
c) 6000.
d) 10 000.
e) 14 000.
Prawidłowa odpowiedź: d) 10 000.
Ta zmiana ma miejsce między 4000 a 14000 kalorii. Substancja jest całkowicie w stanie płynnym, gdy rampa rozpoczyna się po pierwszym plateau. Na drugim płaskowyżu zachodzi przemiana z fazy ciekłej w gazową.
Ćwiczenia z dylatacji termicznej
Ćwiczenie 14
(URCA 2012) Promień podstawy metalowego stożka o gęstości 10 g/cm3 ma w temperaturze 0°C długość początkową Ro = 2 cm. Po podgrzaniu tego stożka do temperatury 100°C jego wysokość zmienia się Δh = 0,015 cm. Przy masie stożka 100 g średni współczynnik rozszerzalności liniowej materiału wynosi:
Poprawna odpowiedź:
Cel: określić współczynnik rozszerzalności liniowej ().
Dane = 0,015 cm
Promień początkowy, = 2 cm = 100°C
masa, m = 100 g
gęstość, d = 10 g/cm3
Matematyczny i fizyczny model liniowej rozszerzalności cieplnej
Gdzie, jest współczynnikiem rozszerzalności liniowej.
to zmienność wysokości.
to wysokość początkowa.
to zmiana temperatury.
Izolacyjny ,
oraz
Są zapewnione. W ten sposób, aby określić
, konieczne jest ustalenie
.
Określić użyjmy proporcji objętości i gęstości.
objętość stożka
Gęstość
Izolowanie V,
Podstawienie wartości V i r w równaniu objętości i zrobienie = 3,
Teraz możemy wymienić w równaniu współczynnika rozszerzalności cieplnej,
zamieniając się w notację naukową
0,0006 =
dowiedz się więcej o
- ciepło i temperatura.
- propagacja ciepła
- wrażliwe ciepło
- Ciepło właściwe
- Energia cieplna
- Rozszerzalność termiczna
- Pojemność cieplna
- przewodnictwo cieplne
- Konwekcja cieplna
- Promieniowanie cieplne