Проучавати температуру и топлоту са списком вежби на: подешавање температуре и топлоте, експанзију и топлотну равнотежу, термометричке скале, пренос топлоте, латентну и осетљиву топлоту. Постоји неколико решених и коментарисаних вежби које можете научити и решити своје недоумице.
Вежбе за подешавање температуре и топлоте
Вежба 1
Дефинисати и разликовати температуру и топлоту.
Температура је мера топлотног стања физичког тела или система. Одређује степен агитације честица које чине овај систем.
Температура је дакле величина, нешто што се може измерити. У Међународном систему јединица, јединица мере за температуру је Келвин (К). Друге уобичајене јединице су Целзијус (°Ц) и Фаренхајт (°Ф).
Топлота је кретање топлотне енергије. Топлотна енергија се преноси са енергетскијих тела, са вишом температуром, на мање енергична тела и системе, са нижом температуром. Овај пренос енергије се одвија кроз процесе као што су: проводљивост, конвекција и зрачење.
Пошто је топлота облик енергије, у Међународном систему јединица она се мери у џулима (Ј). Још једна уобичајена мера за топлоту је калорија (креч).
Главна разлика између температуре и топлоте је у томе што је температура мера топлотног стања док је топлота пренос топлотне енергије између тела.
Вежба 2
Дефинишите шта је топлотна равнотежа.
Топлотна равнотежа је стање у коме су различита тела у истој средини на истој температури, односно имају исто топлотно стање.
Пошто је топлота пренос топлотне енергије са топлијих тела на хладнија, претходно топлија тела се хладе док одају топлоту. С друге стране, тела која примају ову топлоту, која су раније била хладнија, постају топла.
Ова температурна варијација престаје када више нема топлоте између тела, што значи да нема више преноса топлотне енергије између њих. У овом стању, њихове температуре су исте.
Вежба 3
Објасните следећи феномен:
Лаура се управо пробудила и устала из кревета једног хладног зимског дана. Након што је устала из свог топлог кревета, стопалима додирује под своје спаваће собе прекривен тепихом и осећа се удобно, чак и босих ногу. Када уђете у кухињу, ваше босе ноге осећају хладноћу када додирнете под од плочица.
Целокупна околина куће била је изложена истим температурним условима током целе ноћи. Зашто Лаура осећа различите сензације када хода боса у спаваћој соби и кухињи?
Осећај топлог и хладног је повезан са неколико фактора, неки чак и субјективни. Различити људи могу осетити и перципирати исту температуру на различите начине. Међутим, у тексту иста особа има различите сензације у окружењу за које се претпоставља да је у топлотној равнотежи, односно где су тела на истој температури.
Једина разлика је материјал са којим долази у контакт. Коефицијент топлотне проводљивости је својство материјала и показује колико се лако преноси топлотна енергија. Што је већа вредност топлотне проводљивости, то је лакши пренос топлотне енергије.
Пошто керамички под има већу топлотну проводљивост од вуненог или памучног тепиха, Лаурино тело много губи. више енергије када хода кроз кухињу него када хода по тепиху, што је тера да тумачи да је под више хладно.
Вежбе о топлотној равнотежи
Вежба 4
(ИФФ 2016) У лабораторијској активности наставник физике предлаже да ученици помешају 1Л воде температуре 100°Ц са 500 мЛ воде на 4°Ц. Међутим, пре мешања и мерења температуре топлотне равнотеже, ученици треба да израчунају температуру топлотне равнотеже. Узмите у обзир занемарљиве топлотне губитке и да је теоретски резултат једнак експерименталној вредности. Може се рећи да је ова равнотежна температура важећа:
а) 68°Ц.
б) 74°Ц.
ц) 80°Ц.
г) 32°Ц.
е) 52°Ц.
Тачан одговор: а) 68°Ц.
Објективан: одредити температуру топлотне равнотеже ().
Подаци:
1Л = 1000 мл воде на 100°Ц;
500 мл воде на 4°Ц
Физичко-математички модел
У топлотној равнотежи више нема преноса топлотне енергије, па је збир топлота делова воде на 100°Ц и 4°Ц једнак нули.
Пошто је на обе стране једначине специфична топлота иста, можемо их поништити.
Према томе, равнотежна температура ће бити 68°Ц.
Вежбе на термометричким вагама
Вежбе 5
(СЕНАЦ – СП 2013) Долазак човека на Месец догодио се 1969. године. Структура Месеца је стеновита и практично нема атмосферу, што значи да током дана температура достиже 105 °Ц, а ноћу пада на −155 °Ц.
Ова термичка варијација, мерена на Фаренхајтовој температурној скали, важи
а) 50.
б) 90.
в) 292.
г) 468.
д) 472.
Тачан одговор: г) 468.
Однос између Целзијусове скале °Ц и скале °Ф је дат:
Где,
је температурна варијација у степенима Целзијуса и,
је варијација на Фаренхајту.
Температура на површини Месеца варира између 105°Ц и ноћу -155°Ц. Дакле, укупна варијација је 260°Ц.
105 - (-155) = 260
Заменивши формулу, имамо:
Вежбе 6
(УЕСПИ 2010) Ученик чита научнофантастични роман Реја Бредберија „Фаренхајт 451“. У одређеном пасусу, један од ликова тврди да је 451 °Ф температура на Фаренхајтовој скали на којој гори папир од којег се праве књиге. Ученик зна да су, на овој скали, температуре топљења и кључања воде 32°Ф и 212°Ф, респективно. Он исправно закључује да је 451 ° Ф отприлике еквивалентно:
а) 100 °Ц
б) 205 °Ц
ц) 233 °Ц
г) 305 °Ц
е) 316 °Ц
Тачан одговор: в) 233 °Ц.
Скале Целзијуса и Фаренхајта су повезане са:
Замена 451°Ф са , имамо:
Од опција одговора 233°Ц је најближе.
Вежбе 7
(ФАТЕЦ 2014) Током трке Формуле Инди или Формуле 1, возачи су изложени врућем микроокружењу у кокпиту које достиже 50°Ц, генерисан из различитих извора топлоте (од сунца, мотора, терена, метаболизма мозга, активности мишића итд.). Ова температура је далеко изнад подношљиве просечне телесне температуре, тако да увек треба да буду у доброј физичкој кондицији.
Трке Формуле Инди су традиционалније у САД, где је очитавање температуре усвојено на Фаренхајтовој скали. На основу информација изнетих у тексту, тачно је констатовати да је температура у кокпиту коју аутомобил Формуле Инди током трке, у степенима Фаренхајта, износи
Подаци:
Температура топљења леда = 32°Ф;
Температура кључале воде = 212°Ф.
а) 32.
б) 50.
в) 82.
г) 122.
д) 212.
Тачан одговор: г) 122
Да бисмо повезали две температуре, користимо једначину:
замењујући за 50 и решавање за
, имамо:
Према томе, температура у кокпиту у Фаренхајту је 122°Ф.
Вежбе о ширењу топлоте
Вежба 8
(Енем 2021) У упутству за употребу фрижидера постоје следеће препоруке:
• Држите врата фрижидера отворена само онолико колико је потребно;
• Важно је да не ометате циркулацију ваздуха лошом дистрибуцијом хране на полицама;
• Оставите размак од најмање 5 цм између задње стране производа (змијолик хладњак) и зида.
На основу принципа термодинамике, оправдања за ове препоруке су, односно:
а) Смањите излаз хладноће из фрижидера у околину, обезбедите пренос хладноће између намирница на полици и омогућите размену топлоте између хладњака и околине.
б) Смањите излаз хладноће фрижидера у околину, гарантујте конвекцију унутрашњег ваздуха, гарантујте топлотну изолацију између унутрашњих и спољашњих делова.
ц) Смањите проток топлоте из околине у унутрашњост фрижидера, обезбедите конвекцију унутрашњег ваздуха и омогућите размену топлоте између хладњака и околине.
д) Смањите проток топлоте из околине у унутрашњост фрижидера, обезбедите пренос хладноћу између намирница на полици и омогућавају размену топлоте између судопера и околине.
е) Смањите проток топлоте из околине у унутрашњост фрижидера, гарантујте конвекцију унутрашњег ваздуха и гарантујте топлотну изолацију између унутрашњих и спољашњих делова.
Тачан одговор: ц) Смањите проток топлоте из просторије у унутрашњост фрижидера, обезбедите конвекцију унутрашњег ваздуха и омогућите размену топлоте између хладњака и околине.
Држање затворених врата фрижидера, отварање само неопходног, спречава улазак топлоте из спољашње средине.
Унутар фрижидера, размена топлоте између хладног унутрашњег окружења и хране ствара ваздушне струје кроз конвекцију. Ове струје су неопходне за хлађење хране.
Топлота која се узима из хране и размењује са расхладним средством фрижидера преноси се до хладњака на задњој страни. Ова топлота ће се размењивати са околином, углавном конвекцијом, тако да је потребан простор.
Вежба 9
(УЕПБ 2009) Дете које је волело бригадеиро одлучило је да направи овај слаткиш, па је за то почело да одваја састојке и прибор. Прво је узео конзерву са кондензованим млеком, чоколаду у праху и маргарин, затим челичну тепсију и кашику и отварач за конзерве. Дете је избушило рупу у конзерви како би кондензовано млеко испустило у тигањ. Његова мајка је, видевши тај став, предложила сину да избуши још једну рупу у конзерви, како би лакше извадио ту течност. Када је лонац ставио на ватру да промеша бригадеиро, дете је после неколико минута осетило да се дршка кашике загрејало и пожалило се: „Мајко, кашика ми пече руку”. Зато га је мајка замолила да дрвеном кашиком спречи опекотине.
О загревању кашике из притужбе детета да му гори рука, можемо рећи да
а) дрвеном кашиком, која је одличан термоизолатор, загрева се брже од челичне кашике.
б) дешава се зато што честице које чине кашику стварају конвекцијске струје, загревајући је у потпуности, од једног до другог краја.
в) услед озрачивања кашика се потпуно загреје, од једног до другог краја.
г) дрвеном кашиком, која је одличан топлотни проводник, загрева се брже од челичне кашике.
д) то се дешава зато што честице које чине кашику почињу да проводе топлоту која се ту апсорбује са једног краја на други.
Тачан одговор: д) то се дешава зато што честице које чине кашику почињу да проводе топлоту која се ту апсорбује са једног краја на други.
Процес ширења топлоте је проводљивост. Само енергија се преноси са честице у њено окружење. Метали су одлични преносиоци топлоте.
Вежба 10
(Енем 2016) У експерименту наставник оставља на лабораторијском столу две тацне исте масе, једну пластичну, а другу алуминијумску. После неколико сати, тражи од ученика да додиром оцене температуру две тацне. Његови ученици категорички тврде да је алуминијумска тацна на нижој температури. Заинтригиран, он предлаже другу активност, у којој ставља коцку леда на сваки послужавник, који су у топлотној равнотежи са околином и пита их којом ће се стопа топљења леда већи.
Ученик који тачно одговори на питање наставника рећи ће да ће доћи до топљења
а) брже на алуминијумском послужавнику, јер има већу топлотну проводљивост од пластике.
б) брже на пластичном послужавнику, јер у почетку има вишу температуру од алуминијумског.
ц) брже на пластичном послужавнику, јер има већи термички капацитет од алуминијумског.
г) брже на алуминијумском послужавнику, јер има мању специфичну топлоту од пластичног.
е) истом брзином на оба тацна, јер ће имати исту температурну варијацију.
Тачан одговор: а) брже на алуминијумском послужавнику, јер има већу топлотну проводљивост од пластичног.
Лед се брже топи у тацни која преноси топлоту већом брзином, односно брже. Како метали имају већу топлотну проводљивост, алуминијумска тацна преноси више топлоте на лед и он ће се брже топити.
Вежба 11
(Енем 2021) У граду Сао Паулу, топлотна острва су одговорна за промену правца тока морског поветарца који би требало да стигне до региона пролећа. Али када прелази преко острва топлоте, морски поветарац сада наилази на вертикални ток ваздуха, који преноси за њу је топлотна енергија апсорбована са врелих површина града, истичући је на висока места надморске висине. На овај начин долази до кондензације и обилне кише у центру града, уместо у пролећном региону. На слици су приказана три подсистема који размењују енергију у овом феномену.
Ови механизми су, тј.
а) зрачење и конвекција.
б) зрачење и зрачење.
в) проводљивост и зрачење.
г) конвекција и зрачење.
д) конвекција и конвекција.
Тачан одговор: а) зрачење и конвекција.
Зрачење је процес преноса топлоте између сунца и градова. У овом процесу, топлота се преноси електромагнетним зрачењем.
Конвекција је процес преноса топлоте између топлотних острва и морског поветарца. У овом процесу, топлота се својим кретањем преноси течним медијумом, у овом случају ваздухом. У конвекцији, топли ваздух који се шири, постаје мање густ и подиже се. Хладнији ваздух на већим висинама, гушћи, спушта се стварајући ваздушне струје које размењују топлоту.
Вежбе о латентној топлоти и осетљивој топлоти
Вежба 12
(Енем 2015) Високе температуре сагоревања и трење између његових покретних делова су неки од фактора који узрокују загревање мотора са унутрашњим сагоревањем. Да би се спречило прегревање и последична оштећења ових мотора, развијени су тренутни системи за хлађење у којима је течност хладњак са посебним својствима циркулише кроз унутрашњост мотора, упијајући топлоту која се, проласком кроз хладњак, преноси на атмосфера.
Коју особину мора имати расхладно средство да би најефикасније испунило своју сврху?
а) Висока специфична топлота.
б) Висока латентна топлота фузије.
ц) Ниска топлотна проводљивост.
д) Ниска температура кључања.
д) Висок коефицијент топлотног ширења.
Тачан одговор: а) Висока специфична топлота.
Специфична топлота је својство материјала, у овом случају расхладне течности. Означава количину топлоте коју треба да прими или ода за једну јединицу масе, да промени једну јединицу температуре.
Другим речима, што је већа специфична топлота, то више топлоте може да прими без превеликог повећања температуре. Супстанце са високом специфичном топлотом имају мању осетљивост на промену температуре.
На овај начин расхладна течност са високом специфичном топлотом може да „сакупи” већу количину топлотне енергије из мотора без кључања.
Вежба 13
(ФАТЕЦ 2014) На часу из дисциплине Физика на предмету Заваривање у Фатецу, одговорни наставник са ученицима се бави темом коју су видели у средњој школи. Објашњава како извршити анализу графика промене стања дате хипотетичке чисте супстанце. За ово, потребно је само да проценимо физичке величине представљене на осама и график формиран односом између ових величина. На овом графикону део који представља нагиб указује на промену температуре услед апсорпције енергије, а онај који представља плато (хоризонтални пресек) указује на промену стања услед апсорпције енергије.
Након овог објашњења, он пита ученике колика је укупна количина енергије коју је апсорбовао супстанце између краја промене стања за течност, до краја промене стања за гасовити.
Тачан одговор на ово питање, у калоријама, је
а) 2000.
б) 4000.
ц) 6.000.
г) 10 000.
е) 14 000.
Тачан одговор: г) 10 000.
Ова промена се дешава између 4000 и 14000 калорија. Супстанца је потпуно у течном стању када рампа почне након првог платоа. Трансформација из течне у гасовиту фазу одвија се на другом платоу.
Вежбе о термалној дилатацији
Вежба 14
(УРЦА 2012) Полупречник основе металног конуса, чија је густина једнака 10 г/цм3, има на 0°Ц почетну дужину Ро = 2 цм. Загревањем овог конуса до температуре од 100°Ц, његова висина варира Δх = 0,015 цм. Са масом конуса од 100 г, средњи коефицијент линеарне експанзије материјала је:
Прави одговор:
Објективан: одредити коефицијент линеарне експанзије ().
Подаци = 0,015 цм
Почетни полупречник, = 2 цм = 100°Ц
маса, м = 100 г
густина, д = 10 г/цм3
Математички и физички модел линеарног топлотног ширења
Где, је коефицијент линеарне експанзије.
је варијација висине.
је почетна висина.
је варијација у температури.
Изолирајући ,
и
Они су обезбеђени. На овај начин да се утврди
, потребно је утврдити
.
Одредити хајде да користимо односе запремине и густине.
запремина конуса
Густина
изоловање В,
Замена вредности В и р у једначину запремине и израда = 3,
Сада можемо заменити у једначини коефицијента топлотног ширења,
претварајући се у научну нотацију
0,0006 =
Сазнајте више о
- топлоте и температуре.
- ширење топлоте
- осетљива топлота
- Специфична топлота
- Топлотна енергија
- Термално ширење
- Тхермал Цапацити
- топлотна проводљивост
- Тхермал Цонвецтион
- Тхермал Иррадиатион