Preučite temperaturo in toploto s seznamom vaj na temo: nastavitev temperature in toplote, razteznost in toplotno ravnovesje, termometrične lestvice, prenos toplote, latentna in občutna toplota. Obstaja več rešenih in komentiranih vaj, s katerimi se lahko naučite in razrešite svoje dvome.
Vaje za nastavitev temperature in toplote
vaja 1
Določite in ločite temperaturo in toploto.
Temperatura je merilo toplotnega stanja fizičnega telesa ali sistema. Določa stopnjo vznemirjenosti delcev, ki sestavljajo ta sistem.
Temperatura je torej količina, nekaj, kar je mogoče izmeriti. V mednarodnem sistemu enot je merska enota za temperaturo Kelvin (K). Druge običajne enote so Celzij (°C) in Fahrenheit (°F).
Toplota je gibanje toplotne energije. Toplotna energija se prenaša iz bolj energijskih teles z višjo temperaturo na manj energična telesa in sisteme z nižjo temperaturo. Ta prenos energije poteka skozi procese, kot so: prevodnost, konvekcija in obsevanje.
Ker je toplota oblika energije, se v mednarodnem sistemu enot meri v joulih (J). Drugo običajno merilo za toploto je kalorija (apno).
Glavna razlika med temperaturo in toploto je v tem, da je temperatura merilo toplotnega stanja, medtem ko je toplota prenos toplotne energije med telesi.
vaja 2
Določite, kaj je toplotno ravnotežje.
Toplotno ravnotežje je stanje, v katerem so različna telesa v istem okolju pri isti temperaturi, torej imajo enako toplotno stanje.
Ker je toplota prenos toplotne energije s toplejših teles na hladnejša, se prej vroča telesa ohlajajo, ko oddajajo toploto. Po drugi strani pa se telesa, ki prejmejo to toploto, ki so bila prej hladnejša, segrejejo.
To temperaturno nihanje preneha, ko med telesi ni več toplote, kar pomeni, da ni več prenosa toplotne energije med njimi. V tem stanju so njihove temperature enake.
3. vaja
Pojasnite naslednji pojav:
Laura se je ravnokar zbudila in vstala iz postelje na mrzel zimski dan. Ko vstane iz tople postelje, se z nogami dotakne preproge spalnice in se počuti udobno, tudi v bosih nogah. Ko greste v kuhinjo, vaše bose noge občutite hladen občutek, ko se dotaknete talnih ploščic.
Celotno okolje hiše je bilo vso noč izpostavljeno enakim temperaturnim razmeram. Zakaj Laura občuti različne občutke, ko bosa hodi po spalnici in kuhinji?
Občutki vročega in hladnega so povezani z več dejavniki, nekateri celo subjektivnimi. Različni ljudje lahko občutijo in zaznajo isto temperaturo na različne načine. Vendar pa ima v besedilu ista oseba različne občutke v okolju, ki naj bi bilo v toplotnem ravnovesju, torej kjer so telesa enake temperature.
Edina razlika je v materialu, s katerim pride v stik. Koeficient toplotne prevodnosti je lastnost materialov in kaže, kako enostavno se toplotna energija prenaša. Večja kot je vrednost toplotne prevodnosti, lažji je prenos toplotne energije.
Ker ima keramična tla večjo toplotno prevodnost kot volnena ali bombažna preproga, Laurino telo izgubi veliko. več energije pri hoji po kuhinji kot pri hoji po preprogi, zaradi česar si razlaga, da je tal več hladno.
Vaje za toplotno ravnovesje
4. vaja
(IFF 2016) Pri laboratorijski dejavnosti učitelj fizike predlaga, da učenci zmešajo 1 l vode s temperaturo 100°C s 500 mL vode s temperaturo 4°C. Pred mešanjem in merjenjem temperature toplotnega ravnotežja pa morajo učenci izračunati temperaturo toplotnega ravnotežja. Upoštevajte zanemarljive toplotne izgube in da je teoretični rezultat enak eksperimentalni vrednosti. Lahko rečemo, da je ta ravnotežna temperatura veljavna:
a) 68°C.
b) 74°C.
c) 80°C.
d) 32°C.
e) 52°C.
Pravilen odgovor: a) 68°C.
Cilj: določi temperaturo toplotnega ravnotežja ().
Podatki:
1L = 1000 ml vode pri 100°C;
500 ml vode pri 4°C
Fizikalni in matematični model
V toplotnem ravnovesju ni več prenosa toplotne energije, zato je vsota toplot delov vode pri 100°C in 4°C enaka nič.
Ker je na obeh straneh enačbe specifična toplota enaka, ju lahko izničimo.
Zato bo ravnotežna temperatura 68°C.
Vaje na termometričnih lestvicah
Vaje 5
(SENAC - SP 2013) Prihod človeka na Luno se je zgodil leta 1969. Struktura lune je kamnita in praktično nima atmosfere, kar pomeni, da podnevi temperatura doseže 105 °C, ponoči pa pade na −155 °C.
Ta toplotna variacija, merjena na Fahrenheitovi temperaturni lestvici, je veljavna
a) 50.
b) 90.
c) 292.
d) 468.
e) 472.
Pravilen odgovor: d) 468.
Razmerje med lestvico Celzija °C in lestvico °F je podano z:
Kje,
je temperaturna sprememba v stopinjah Celzija in,
je različica Fahrenheita.
Temperatura na lunini površini se giblje med 105°C in ponoči -155°C. Zato je skupna variacija 260°C.
105 - (-155) = 260
Če zamenjamo v formuli, imamo:
vaje 6
(UESPI 2010) Študent bere znanstvenofantastični roman Raya Bradburyja »Fahrenheit 451«. V določenem odlomku eden od likov trdi, da je 451 °F temperatura na Fahrenheitovi lestvici, pri kateri izgoreva papir, iz katerega so narejene knjige. Študent ve, da sta na tej lestvici temperatura tališča in vrelišča vode 32°F oziroma 212°F. Upravičeno sklepa, da je 451 ° F približno enako:
a) 100 °C
b) 205 °C
c) 233 °C
d) 305 °C
e) 316 °C
Pravilen odgovor: c) 233 °C.
Lestvi Celzija in Fahrenheita sta povezana z:
Zamenjava 451°F z , imamo:
Od odzivnih možnosti je najbližja 233°C.
vaje 7
(FATEC 2014) Med dirko Formule Indy ali Formule 1 so vozniki izpostavljeni vročemu mikrookolju v kokpitu, ki doseže 50°C, ki ga ustvarjajo različni viri toplote (od sonca, motorja, terena, možganske presnove, mišične aktivnosti itd.). Ta temperatura je precej višja od sprejemljive povprečne telesne temperature, zato morajo biti vedno v dobri telesni kondiciji.
Dirke Formula Indy so bolj tradicionalne v ZDA, kjer je odčitavanje temperature sprejeto po Fahrenheitovi lestvici. Na podlagi informacij, predstavljenih v besedilu, je pravilno navesti, da je temperatura v pilotski kabini, ki jo avtomobil Formule Indy doseže med dirko, v stopinjah Fahrenheita,
Podatki:
Temperatura taljenja ledu = 32°F;
Temperatura vrele vode = 212°F.
a) 32.
b) 50.
c) 82.
d) 122.
e) 212.
Pravilen odgovor: d) 122
Za povezavo dveh temperatur uporabimo enačbo:
zamenjava za 50 in reševanje za
, imamo:
Zato je temperatura v pilotski kabini v Fahrenheitu 122 °F.
Vaje o širjenju toplote
8. vaja
(Enem 2021) V priročniku za uporabo hladilnika so naslednja priporočila:
• Vrata hladilnika naj bodo odprta le toliko časa, kot je potrebno;
• Pomembno je, da s slabo razporeditvijo hrane po policah ne ovirate kroženja zraka;
• Pustite najmanj 5 cm prostora med zadnjo stranjo izdelka (kapasto hladilno telo) in steno.
Na podlagi načel termodinamike so utemeljitve teh priporočil:
a) Zmanjšajte izhod hladu iz hladilnika v okolje, zagotovite prenos mraza med živili na polici in omogočite izmenjavo toplote med hladilnim telesom in okoljem.
b) Zmanjšajte hladilno moč hladilnika v okolje, zagotovite konvekcijo notranjega zraka, zagotovite toplotno izolacijo med notranjimi in zunanjimi deli.
c) Zmanjšajte toplotni tok iz okolja v notranjost hladilnika, zagotovite konvekcijo notranjega zraka in omogočite izmenjavo toplote med hladilnikom in okoljem.
d) Zmanjšajte toplotni tok iz okolja v notranjost hladilnika, zagotovite prenos mraz med živili na polici in omogočajo izmenjavo toplote med umivalnikom in okoljem.
e) Zmanjšajte toplotni tok iz okolja v notranjost hladilnika, zagotovite konvekcijo notranjega zraka in zagotovite toplotno izolacijo med notranjimi in zunanjimi deli.
Pravilen odgovor: c) Zmanjšajte toplotni tok iz prostora v notranjost hladilnika, zagotovite konvekcijo notranjega zraka in omogočite izmenjavo toplote med hladilnikom in okoljem.
Če vrata hladilnika držite zaprta, odprete le potrebno, preprečite vstop toplote iz zunanjega okolja.
V notranjosti hladilnika izmenjava toplote med hladnim notranjim okoljem in hrano povzroča zračne tokove s konvekcijo. Ti tokovi so potrebni za hlajenje hrane.
Toplota, odvzeta iz hrane in izmenjana s hladilnim sredstvom hladilnika, se prenaša do hladilnika na zadnji strani. Ta toplota se bo izmenjevala z okoljem, predvsem s konvekcijo, zato je potreben prostor.
Vaja 9
(UEPB 2009) Otrok, ki mu je bil brigadeiro všeč, se je odločil narediti ta bonbon, zato je začel ločevati sestavine in pribor. Sprva je vzel pločevinko s kondenziranim mlekom, čokolado v prahu in margarino, nato jekleno ponev in žlico ter odpirač za konzerve. Otrok je v pločevinki izvrtal luknjo, da bi kondenzirano mleko odtekel v ponev. Njegova mati je, ko je videla tak odnos, predlagala, naj sin izvrta še eno luknjo v pločevinki, da bo lažje odstranil to tekočino. Ko je lonec postavil na ogenj, da je mešal brigadeiro, je otrok začutil, da se je po nekaj minutah ročaj žlice segrel, in pritoževal: »Mama, žlica me peče roko«. Zato ga je mati prosila, naj uporabi leseno žlico, da prepreči opekline.
O segrevanju žlice, ki je razvidno iz otrokove pritožbe, da ga je pekla roka, lahko rečemo, da
a) z leseno žlico, ki je odličen toplotni izolator, se segreje hitreje kot jeklena žlica.
b) to se zgodi, ker delci, ki sestavljajo žlico, ustvarjajo konvekcijske tokove in jo popolnoma segrejejo, od enega konca do drugega.
c) zaradi obsevanja se žlica popolnoma segreje, od enega konca do drugega.
d) z leseno žlico, ki je odličen toplotni prevodnik, se segreje hitreje kot jeklena žlica.
e) to se zgodi, ker delci, ki sestavljajo žlico, začnejo prenašati toploto, ki se tam absorbira, od enega konca do drugega.
Pravilen odgovor: e) to se zgodi, ker delci, ki sestavljajo žlico, začnejo prenašati toploto, ki se tam absorbira, od enega konca do drugega.
Proces širjenja toplote je prevodnost. Iz delca v njegovo okolico se prenaša samo energija. Kovine so odlični prenašalci toplote.
Vaja 10
(Enem 2016) V poskusu učitelj pusti na laboratorijski mizi dva pladnja enake mase, enega iz plastike in drugega iz aluminija. Po nekaj urah prosi učence, da z dotikom ocenijo temperaturo obeh pladnjev. Njegovi učenci kategorično trdijo, da je aluminijast pladenj pri nižji temperaturi. Zaintrigiran predlaga drugo dejavnost, pri kateri na vsak pladnje položi kocko ledu, ki so v toplotnem ravnovesju z okoljem in jih vpraša, pri kateri bo hitrost taljenja ledu večji.
Učenec, ki pravilno odgovori na učiteljevo vprašanje, bo rekel, da bo prišlo do taljenja
a) hitreje na aluminijastem pladnju, saj ima večjo toplotno prevodnost kot plastika.
b) hitreje na plastičnem pladnju, saj ima sprva višjo temperaturo kot aluminijasti.
c) hitreje na plastičnem pladnju, saj ima večjo toplotno zmogljivost kot aluminijasti.
d) hitreje na aluminijastem pladnju, saj ima nižjo specifično toploto kot plastični.
e) z enako hitrostjo na obeh pladnjih, saj bosta imela enako temperaturno nihanje.
Pravilen odgovor: a) hitreje na aluminijastem pladnju, saj ima večjo toplotno prevodnost kot plastični.
Led se hitreje topi v pladnju, ki prenaša toploto z višjo hitrostjo, tj. hitreje. Ker imajo kovine večjo toplotno prevodnost, aluminijasta posoda prenese več toplote na led in se bo ta hitreje stopil.
Vaja 11
(Enem 2021) V mestu São Paulo so toplotni otoki odgovorni za spreminjanje smeri toka morskega vetriča, ki naj bi dosegel pomladno regijo. Toda ob prečkanju toplotnega otoka morski vetrič zdaj naleti na navpični zračni tok, ki prenaša zanjo je toplotna energija, ki jo absorbira vroče površine mesta, in jo izpodriva na visoka mesta nadmorske višine. Tako prihaja do kondenzacije in močnega deževja v središču mesta, namesto v spomladanskem predelu. Slika prikazuje tri podsisteme, ki pri tem pojavu izmenjujejo energijo.
Ti mehanizmi so oz.
a) obsevanje in konvekcija.
b) obsevanje in obsevanje.
c) prevodnost in obsevanje.
d) konvekcija in obsevanje.
e) konvekcija in konvekcija.
Pravilen odgovor: a) obsevanje in konvekcija.
Obsevanje je proces prenosa toplote med soncem in mesti. Pri tem procesu se toplota prenaša z elektromagnetnim sevanjem.
Konvekcija je proces prenosa toplote med toplotnimi otoki in morskim vetričem. Pri tem procesu toploto prenaša tekoči medij, v tem primeru zrak, s svojimi premiki. Pri konvekciji se vroč zrak, ki se razširi, postane manj gost in se dvigne. Hladnejši zrak na višjih nadmorskih višinah, gostejši, se spušča in ustvarja zračne tokove, ki izmenjujejo toploto.
Vaje na latentno toploto in občutljivo toploto
Vaja 12
(Enem 2015) Visoke temperature zgorevanja in trenje med njegovimi gibljivimi deli so nekateri od dejavnikov, ki povzročajo segrevanje motorjev z notranjim zgorevanjem. Da bi preprečili pregrevanje in posledično poškodbe teh motorjev, so bili razviti trenutni hladilni sistemi, v katerih je tekočina Hladilnik s posebnimi lastnostmi kroži skozi notranjost motorja in absorbira toploto, ki se ob prehodu skozi radiator prenese na vzdušje.
Kakšno lastnost mora imeti hladilna tekočina, da najučinkoviteje izpolnjuje svoj namen?
a) Visoka specifična toplota.
b) Visoka latentna toplota fuzije.
c) Nizka toplotna prevodnost.
d) Nizka temperatura vrelišča.
e) Visok koeficient toplotnega raztezanja.
Pravilen odgovor: a) Visoka specifična toplota.
Specifična toplota je lastnost materiala, v tem primeru hladilne tekočine. Označuje količino toplote, ki jo mora prejeti ali oddati za eno enoto mase, da spremeni eno temperaturno enoto.
Z drugimi besedami, višja kot je specifična toplota, več toplote lahko prejme, ne da bi preveč zvišala svojo temperaturo. Snovi z visoko specifično toploto so manj občutljive na temperaturne spremembe.
Na ta način lahko hladilna tekočina z visoko specifično toploto »zbere« večjo količino toplotne energije iz motorja brez vrenja.
Vaja 13
(FATEC 2014) Odgovorna učiteljica pri pouku discipline Fizika pri predmetu Varjenje na Fatecu z dijaki obravnava temo, ki so jo videli v srednji šoli. Pojasnjuje, kako izvesti analizo grafa spremembe stanja dane hipotetično čiste snovi. Za to moramo le ovrednotiti fizične količine, predstavljene na oseh, in graf, ki ga tvori razmerje med temi količinami. V tem grafu odsek, ki predstavlja naklon, označuje spremembo temperature zaradi absorpcije energije, tisti, ki predstavlja plato (horizontalni odsek), pa označuje spremembo stanja zaradi absorpcije energije.
Po tej razlagi vpraša učence, kolikšna je bila skupna količina energije, ki jo je absorbiral snov med koncem spremembe stanja za tekočino, do konca spremembe stanja za plinast.
Pravilen odgovor na to vprašanje v kalorijah je
a) 2000.
b) 4000.
c) 6.000.
d) 10 000.
e) 14 000.
Pravilen odgovor: d) 10 000.
Ta sprememba se zgodi med 4000 in 14000 kalorijami. Snov je popolnoma v tekočem stanju, ko se rampa začne po prvem platoju. Prehod iz tekoče v plinasto fazo poteka na drugem platoju.
Vaje za toplotno dilatacijo
Vaja 14
(URCA 2012) Polmer osnove kovinskega stožca, katerega gostota je 10 g/cm3, ima pri 0°C začetno dolžino Ro = 2 cm. S segrevanjem tega stožca na temperaturo 100°C se njegova višina spreminja Δh = 0,015 cm. Pri masi stožca 100 g je srednji linearni raztezni koeficient materiala:
Pravi odgovor:
Cilj: določite koeficient linearne ekspanzije ().
Podatki = 0,015 cm
Začetni polmer, = 2 cm = 100°C
masa, m = 100 g
gostota, d = 10 g/cm3
Matematični in fizikalni model linearnega toplotnega raztezanja
Kje, je koeficient linearne ekspanzije.
je variacija višine.
je začetna višina.
je sprememba temperature.
Izolacija ,
in
Zagotovljeni so. Na ta način določiti
, je treba določiti
.
Določiti uporabimo razmerja prostornine in gostote.
prostornina stožca
Gostota
Izolacijski V,
Zamenjava vrednosti V in r v enačbi prostornine in izdelava = 3,
Zdaj lahko zamenjamo v enačbi koeficienta toplotnega raztezanja,
spreminjajo v znanstveno notacijo
0,0006 =
izvedeti več o
- toplota in temperatura.
- širjenje toplote
- občutljiva toplota
- Specifična toplota
- Termalna energija
- Toplotno raztezanje
- Toplotna zmogljivost
- toplotna prevodnost
- Toplotna konvekcija
- Toplotno obsevanje
