Študujte teplotu a teplo so zoznamom cvičení na: nastavenie teploty a tepla, expanzia a tepelná rovnováha, termometrické stupnice, prenos tepla, latentné a citeľné teplo. Existuje niekoľko vyriešených a komentovaných cvičení, aby ste sa naučili a vyriešili svoje pochybnosti.
Cvičenie na nastavenie teploty a tepla
Cvičenie 1
Definujte a rozlišujte teplotu a teplo.
Teplota je mierou tepelného stavu fyzického tela alebo systému. Určuje stupeň premiešania častíc, ktoré tvoria tento systém.
Teplota je teda veličina, niečo, čo sa dá merať. V medzinárodnom systéme jednotiek je jednotkou merania teploty Kelvin (K). Ďalšie bežné jednotky sú Celsius (°C) a Fahrenheit (°F).
Teplo je pohyb tepelnej energie. Tepelná energia sa prenáša z energetickejších telies s vyššou teplotou do menej energetických telies a systémov s nižšou teplotou. Tento prenos energie sa uskutočňuje prostredníctvom procesov, ako sú: vedenie, prúdenie a ožarovanie.
Keďže teplo je forma energie, v Medzinárodnej sústave jednotiek sa meria v jouloch (J). Ďalším bežným meradlom tepla je kalória (vápno).
Hlavný rozdiel medzi teplotou a teplom je v tom, že teplota je mierou tepelného stavu, zatiaľ čo teplo je prenos tepelnej energie medzi telesami.
Cvičenie 2
Definujte, čo je tepelná rovnováha.
Tepelná rovnováha je stav, v ktorom majú rôzne telesá v rovnakom prostredí rovnakú teplotu, to znamená, že majú rovnaký tepelný stav.
Pretože teplo je prenos tepelnej energie z teplejších telies na chladnejšie, predtým teplejšie telesá sa ochladzujú, pretože vydávajú teplo. Na druhej strane telesá, ktoré toto teplo prijímajú a ktoré boli predtým chladnejšie, sa ohrievajú.
Toto kolísanie teploty prestane, keď medzi telesami už nie je teplo, čo znamená, že medzi nimi už nedochádza k žiadnemu prenosu tepelnej energie. V tomto stave sú ich teploty rovnaké.
Cvičenie 3
Vysvetlite nasledujúci jav:
Laura sa práve prebudila a vstala z postele v chladný zimný deň. Keď vstane z teplej postele, dotkne sa chodidlami kobercovej podlahy v spálni a cíti sa pohodlne, dokonca aj na bosých nohách. Keď vojdete do kuchyne, vaše bosé nohy pocítia pri dotyku s dlažbou chlad.
Celé prostredie domu bolo počas celej noci vystavené rovnakým teplotným podmienkam. Prečo má Laura iné pocity pri chôdzi naboso v spálni a v kuchyni?
Pocity tepla a chladu súvisia s viacerými faktormi, niektoré sú dokonca subjektívne. Rôzni ľudia môžu cítiť a vnímať rovnakú teplotu rôznymi spôsobmi. Tá istá osoba má však v texte iné vnemy v prostredí, ktoré má byť v tepelnej rovnováhe, teda kde sú telesá v rovnakej teplote.
Rozdiel je len v materiáli, s ktorým prichádza do styku. Súčiniteľ tepelnej vodivosti je vlastnosťou materiálov a udáva, ako ľahko sa prenáša tepelná energia. Čím vyššia je hodnota tepelnej vodivosti, tým jednoduchší je prenos tepelnej energie.
Keďže keramická podlaha má väčšiu tepelnú vodivosť ako vlna alebo bavlnený koberec, Laurino telo veľa stráca. viac energie pri chôdzi po kuchyni ako pri chôdzi po koberci, čo ju núti interpretovať, že podlaha je viac chladný.
Cvičenia o tepelnej rovnováhe
Cvičenie 4
(MFF 2016) V rámci laboratórnej aktivity učiteľ fyziky navrhuje, aby žiaci zmiešali 1 l vody s teplotou 100°C s 500 ml vody s teplotou 4°C. Pred zmiešaním a meraním teploty tepelnej rovnováhy však študenti musia vypočítať teplotu tepelnej rovnováhy. Zvážte zanedbateľné tepelné straty a že teoretický výsledok sa rovná experimentálnej hodnote. Dá sa povedať, že táto rovnovážna teplota platí:
a) 68 °C.
b) 74 °C.
c) 80 °C.
d) 32 °C.
e) 52 °C.
Správna odpoveď: a) 68°C.
Cieľ: určiť tepelnú rovnovážnu teplotu ().
údaje:
1 1 = 1000 ml vody pri 100 °C;
500 ml vody s teplotou 4 °C
Fyzikálny a matematický model
V tepelnej rovnováhe už nedochádza k prenosu tepelnej energie, takže súčet teplôt podielov vody pri 100°C a 4°C je rovný nule.
Keďže na oboch stranách rovnice je špecifické teplo rovnaké, môžeme ich zrušiť.
Preto bude rovnovážna teplota 68°C.
Cvičenia na termometrických váhach
Cvičenia 5
(SENAC - SP 2013) Príchod človeka na Mesiac sa udial v roku 1969. Štruktúra mesiaca je kamenná a nemá prakticky žiadnu atmosféru, čo znamená, že cez deň teplota dosahuje 105 °C a v noci klesá na −155 °C.
Táto teplotná odchýlka, meraná na teplotnej stupnici Fahrenheita, je platná
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Správna odpoveď: d) 468.
Vzťah medzi stupnicou Celzia °C a stupnicou °F je daný vzťahom:
Kde,
je kolísanie teploty v stupňoch Celzia a
je variácia na Fahrenheita.
Teplota na mesačnom povrchu sa pohybuje medzi 105°C a v noci -155°C. Preto je celková odchýlka 260 °C.
105 - (-155) = 260
Nahradením vo vzorci máme:
Cvičenia 6
(UESPI 2010) Študent číta sci-fi román „451 Fahrenheit“ od Raya Bradburyho. V istej pasáži jedna z postáv tvrdí, že 451 °F je teplota na stupnici Fahrenheita, pri ktorej horí papier, z ktorého sa vyrábajú knihy. Študent vie, že na tejto stupnici je teplota topenia a varu vody 32 °F a 212 °F. Správne dospel k záveru, že 451 °F je zhruba ekvivalentné:
a) 100 °C
b) 205 °C
c) 233 °C
d) 305 °C
e) 316 °C
Správna odpoveď: c) 233 °C.
Stupnice Celsia a Fahrenheita súvisia podľa:
Výmena 451°F za , máme:
Z možností odozvy je najbližšie 233°C.
Cvičenia 7
(FATEC 2014) Počas pretekov Formuly Indy alebo Formuly 1 sú jazdci vystavení horúcemu mikroprostrediu v kokpite, ktoré dosahuje 50°C, generovaných rôznymi zdrojmi tepla (zo slnka, motora, terénu, metabolizmu mozgu, svalovej aktivity atď.). Táto teplota je vysoko nad tolerovateľnou priemernou telesnou teplotou, takže by mali byť vždy v dobrej fyzickej kondícii.
Preteky Formuly Indy sú tradičnejšie v USA, kde sa meranie teploty používa na stupnici Fahrenheita. Na základe informácií uvedených v texte je správne tvrdiť, že teplota v kokpite, ktorú vozidlo Formuly Indy dosiahne počas pretekov, v stupňoch Fahrenheita, je
údaje:
Teplota topenia ľadu = 32°F;
Teplota vriacej vody = 212°F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Správna odpoveď: d) 122
Na porovnanie týchto dvoch teplôt použijeme rovnicu:
nahradenie za 50 a riešenie za
, máme:
Preto je teplota v kokpite vo stupňoch Fahrenheita 122 °F.
Cvičenie o šírení tepla
Cvičenie 8
(Enem 2021) V návode na použitie chladničky sú nasledujúce odporúčania:
• Dvere chladničky nechajte otvorené len tak dlho, ako je to nevyhnutné;
• Je dôležité nebrániť cirkulácii vzduchu zlým rozložením potravín na policiach;
• Medzi zadnou časťou produktu (hadicový chladič) a stenou ponechajte priestor aspoň 5 cm.
Na základe princípov termodynamiky sú odôvodnenia týchto odporúčaní, resp.
a) Znížte výstup chladu z chladničky do okolia, zabezpečte prenos chladu medzi potravinami na polici a umožnite výmenu tepla medzi chladičom a okolím.
b) Znížte chladiaci výkon chladničky do okolia, zaručte konvekciu vnútorného vzduchu, zaručte tepelnú izoláciu medzi vnútornou a vonkajšou časťou.
c) Znížte tok tepla z okolia do vnútra chladničky, zabezpečte konvekciu vnútorného vzduchu a umožnite výmenu tepla medzi chladičom a okolím.
d) Znížte tok tepla z okolia do vnútra chladničky, zabezpečte prenos chladu medzi potravinami na polici a umožňujú výmenu tepla medzi drezom a prostredím.
e) Znížte tok tepla z okolia do vnútra chladničky, zaručte prúdenie vnútorného vzduchu a zaručte tepelnú izoláciu medzi vnútornou a vonkajšou časťou.
Správna odpoveď: c) Znížte tok tepla z miestnosti do vnútra chladničky, zabezpečte konvekciu vnútorného vzduchu a umožnite výmenu tepla medzi chladičom a okolím.
Ponechaním zatvorených dvierok chladničky, otváraním len nevyhnutným spôsobom, sa bráni prenikaniu tepla z vonkajšieho prostredia.
Výmena tepla medzi chladným vnútorným prostredím a potravinami vo vnútri chladničky vytvára prúdenie vzduchu prostredníctvom konvekcie. Tieto prúdy sú potrebné na chladenie potravín.
Teplo odobraté z potravín a vymenené s chladivom chladničky sa prenáša do chladiča v zadnej časti. Toto teplo sa bude vymieňať s okolím hlavne konvekciou, preto je potrebný priestor.
Cvičenie 9
(UEPB 2009) Dieťa, ktoré si obľúbilo brigadeiro, sa rozhodlo vyrobiť tento cukrík, a preto začalo oddeľovať ingrediencie a náčinie. Najprv vzal plechovku s kondenzovaným mliekom, práškovú čokoládu a margarín, potom oceľovú panvicu a lyžicu a otvárač na konzervy. Dieťa vyvŕtalo dieru do plechovky, aby vypustilo kondenzované mlieko do panvice. Jeho matka, keď videla tento postoj, navrhla synovi, aby vyvŕtal ďalšiu dieru do plechovky, aby mohol tekutinu ľahšie odstrániť. Keď položili hrniec na oheň, aby miešalo brigadeiro, dieťa pocítilo, že po niekoľkých minútach sa rukoväť lyžice zahriala a sťažovalo sa: „Mami, lyžica mi páli ruku“. Preto ho matka požiadala, aby použil drevenú lyžicu, aby sa nepopálil.
Môžeme povedať, že o zahriatí lyžice v sťažnosti dieťaťa, že ho horí ruka
a) s drevenou lyžicou, ktorá je výborným tepelným izolantom, sa zohreje rýchlejšie ako oceľová lyžica.
b) stáva sa to preto, že častice, ktoré tvoria lyžicu, vytvárajú konvekčné prúdy, ktoré ju úplne ohrievajú z jedného konca na druhý.
c) v dôsledku ožiarenia sa lyžica úplne zohreje od jedného konca k druhému.
d) s drevenou lyžicou, ktorá je výborným tepelným vodičom, sa zohreje rýchlejšie ako oceľová lyžica.
e) stane sa to preto, že častice, ktoré tvoria lyžicu, začnú prenášať teplo absorbované z jedného konca na druhý.
Správna odpoveď: e) stáva sa to preto, že častice, ktoré tvoria lyžicu, začnú odvádzať teplo absorbované z jedného konca na druhý.
Procesom šírenia tepla je vedenie. Z častice do okolia sa prenáša iba energia. Kovy sú vynikajúce prenášače tepla.
Cvičenie 10
(Enem 2016) V experimente učiteľ nechá na laboratórnom stole dva podnosy rovnakej hmotnosti, jeden plastový a druhý hliníkový. Po niekoľkých hodinách požiada študentov, aby pomocou dotyku zhodnotili teplotu dvoch podnosov. Jeho študenti kategoricky tvrdia, že hliníkový podnos má nižšiu teplotu. Zaujatý navrhne druhú aktivitu, pri ktorej položí kocku ľadu na každú z podnosov, sú v tepelnej rovnováhe s prostredím a pýta sa ich, akou rýchlosťou bude topenie ľadu väčší.
Žiak, ktorý správne odpovie na otázku učiteľa, povie, že k topeniu dôjde
a) rýchlejšie na hliníkovom podnose, pretože má vyššiu tepelnú vodivosť ako plast.
b) rýchlejšie na plastovom podnose, pretože má spočiatku vyššiu teplotu ako hliníková.
c) rýchlejšie na plastovom podnose, pretože má vyššiu tepelnú kapacitu ako hliníková.
d) rýchlejšie na hliníkovom podnose, keďže má nižšie špecifické teplo ako plastový.
e) s rovnakou rýchlosťou na oboch podnosoch, pretože budú mať rovnaké kolísanie teploty.
Správna odpoveď: a) rýchlejšie na hliníkovom podnose, keďže má vyššiu tepelnú vodivosť ako plastový.
Ľad sa topí rýchlejšie v podnose, ktorý prenáša teplo vyššou rýchlosťou, tj rýchlejšie. Keďže kovy majú väčšiu tepelnú vodivosť, hliníková tácka prenesie viac tepla na ľad a ten sa rýchlejšie roztopí.
Cvičenie 11
(Enem 2021) V meste São Paulo sú tepelné ostrovy zodpovedné za zmenu smeru prúdenia morského vánku, ktorý by sa mal dostať do jarnej oblasti. Ale pri prechode cez tepelný ostrov sa morský vánok teraz stretáva s vertikálnym prúdením vzduchu, ktorý sa prenáša pre ňu tepelná energia absorbovaná z horúcich povrchov mesta, ktorá ju premiestňuje na vysoké miesta nadmorských výškach. Týmto spôsobom dochádza ku kondenzácii a výdatným dažďom v centre mesta namiesto v jarnom regióne. Obrázok ukazuje tri podsystémy, ktoré si pri tomto jave vymieňajú energiu.
Tieto mechanizmy sú, resp.
a) ožarovanie a konvekcia.
b) ožarovanie a ožarovanie.
c) vedenie a ožarovanie.
d) konvekcia a ožarovanie.
e) konvekcia a konvekcia.
Správna odpoveď: a) ožarovanie a konvekcia.
Ožarovanie je proces prenosu tepla medzi slnkom a mestami. Pri tomto procese sa teplo prenáša elektromagnetickým žiarením.
Konvekcia je proces prenosu tepla medzi tepelnými ostrovmi a morským vánkom. Pri tomto procese je teplo prenášané tekutým médiom, v tomto prípade vzduchom, prostredníctvom svojich pohybov. Pri konvekcii sa horúci vzduch, ktorý expanduje, stáva menej hustým a stúpa. Chladnejší vzduch vo vyšších nadmorských výškach, hustejší, klesá a vytvára vzduchové prúdy, ktoré si vymieňajú teplo.
Cvičenie na latentné teplo a citlivé teplo
Cvičenie 12
(Enem 2015) Vysoké teploty spaľovania a trenie medzi jeho pohyblivými časťami sú niektoré z faktorov, ktoré spôsobujú zahrievanie spaľovacích motorov. Aby sa predišlo prehriatiu a následnému poškodeniu týchto motorov, boli vyvinuté súčasné chladiace systémy, v ktorých je kvapalina chladič so špeciálnymi vlastnosťami cirkuluje vo vnútri motora a pohlcuje teplo, ktoré sa pri prechode chladičom prenáša do atmosféru.
Akú vlastnosť musí mať chladiaca kvapalina, aby čo najefektívnejšie plnila svoj účel?
a) Vysoké špecifické teplo.
b) Vysoké latentné teplo topenia.
c) Nízka tepelná vodivosť.
d) Nízka teplota varu.
e) Vysoký koeficient tepelnej rozťažnosti.
Správna odpoveď: a) Vysoké špecifické teplo.
Špecifické teplo je vlastnosťou materiálu, v tomto prípade chladiva. Udáva množstvo tepla, ktoré potrebuje prijať alebo odovzdať na jednotku hmotnosti, aby sa zmenila jedna jednotka teploty.
Inými slovami, čím vyššie je špecifické teplo, tým viac tepla môže prijať bez toho, aby príliš zvýšilo svoju teplotu. Látky s vysokým špecifickým teplom sú menej citlivé na zmenu teploty.
Chladiaca kvapalina s vysokým špecifickým teplom tak dokáže „zozbierať“ väčšie množstvo tepelnej energie z motora bez varu.
Cvičenie 13
(FATEC 2014) Na hodine odboru Fyzika vo zváraní vo Fatecu sa zodpovedný učiteľ so študentmi zaoberá témou, ktorú videli na strednej škole. Vysvetľuje, ako vykonať analýzu grafu zmeny skupenstva danej hypotetickej čistej látky. Na to nám stačí vyhodnotiť fyzikálne veličiny znázornené na osiach a graf vytvorený vzťahom medzi týmito veličinami. V tomto grafe časť, ktorá predstavuje sklon, označuje zmenu teploty v dôsledku absorpcie energie a časť, ktorá predstavuje plató (horizontálny rez), označuje zmenu stavu v dôsledku absorpcie energie.
Po tomto vysvetlení sa spýta študentov, aké bolo celkové množstvo energie, ktorú absorboval látka medzi koncom zmeny skupenstva pre kvapalinu, do konca zmeny skupenstva pre plynný.
Správna odpoveď na túto otázku v kalóriách je
a) 2000.
b) 4000.
c) 6 000.
d) 10 000.
e) 14 000.
Správna odpoveď: d) 10 000.
Táto zmena nastáva medzi 4000 a 14000 kalóriami. Látka je úplne v kvapalnom stave, keď sa rampa spustí po prvom plató. Premena z kvapalnej na plynnú fázu prebieha na druhej plošine.
Cvičenia o tepelnej dilatácii
Cvičenie 14
(URCA 2012) Polomer základne kovového kužeľa, ktorého hustota sa rovná 10 g/cm3, má pri 0°C počiatočnú dĺžku Ro = 2 cm. Zahriatím tohto kužeľa na teplotu 100°C sa jeho výška mení Δh = 0,015 cm. Pri hmotnosti kužeľa 100 g je stredný koeficient lineárnej rozťažnosti materiálu:
Správna odpoveď:
Cieľ: určiť koeficient lineárnej rozťažnosti ().
Údaje = 0,015 cm
Počiatočný polomer = 2 cm = 100 °C
hmotnosť, m = 100 g
hustota, d = 10 g/cm3
Matematický a fyzikálny model lineárnej tepelnej rozťažnosti
Kde, je koeficient lineárnej rozťažnosti.
je výškový rozdiel.
je počiatočná výška.
je zmena teploty.
Izolačné ,
a
Sú poskytované. Týmto spôsobom určiť
, je potrebné určiť
.
Na určenie použime pomery objemu a hustoty.
objem kužeľa
Hustota
Izolácia V,
Dosadenie hodnoty V a r v objemovej rovnici a vytvorenie = 3,
Teraz môžeme nahradiť v rovnici koeficientu tepelnej rozťažnosti,
premena na vedeckú notáciu
0,0006 =
naučiť sa viac o
- teplo a teplota.
- šírenie tepla
- citlivé teplo
- Špecifické teplo
- Termálna energia
- Tepelná rozťažnosť
- Tepelná kapacita
- vedenie tepla
- Tepelná konvekcia
- Tepelné ožarovanie
