Вивчіть температуру і тепло з переліком вправ з: встановлення температури і тепла, розширення і теплової рівноваги, термометричних шкал, теплообміну, прихованого і відчутного тепла. Існує кілька розв’язаних і прокоментованих вправ, які допоможуть вам вивчити та розв’язати свої сумніви.
Вправи на встановлення температури і тепла
Вправа 1
Визначте і розмежуйте температуру і теплоту.
Температура є мірою теплового стану фізичного тіла або системи. Він визначає ступінь перемішування частинок, що входять до складу цієї системи.
Тому температура — це величина, те, що можна виміряти. У Міжнародній системі одиниць одиницею вимірювання температури є Кельвін (К). Іншими поширеними одиницями є градус Цельсія (°C) і Фаренгейт (°F).
Теплота – це рух теплової енергії. Теплова енергія передається від більш енергійних тіл з вищою температурою до менш енергійних тіл і систем з нижчою температурою. Ця передача енергії відбувається за допомогою таких процесів, як провідність, конвекція та випромінювання.
Оскільки теплота є формою енергії, у Міжнародній системі одиниць вона вимірюється в джоулях (Дж). Іншим поширеним показником тепла є калорійність (лайм).
Основна відмінність між температурою і теплом полягає в тому, що температура є мірою теплового стану, тоді як теплота є перенесенням теплової енергії між тілами.
Вправа 2
Визначте, що таке теплова рівновага.
Теплова рівновага — це стан, при якому різні тіла в одному середовищі мають однакову температуру, тобто вони мають однаковий тепловий стан.
Оскільки тепло — це передача теплової енергії від більш теплих тіл до більш холодних, раніше гарячі тіла охолоджуються, віддаючи тепло. З іншого боку, тіла, які отримують це тепло, які раніше були холоднішими, стають теплими.
Ця зміна температури припиняється, коли між тілами перестає тепло, а це означає, що передача теплової енергії між ними більше не відбувається. У цьому стані їх температури однакові.
Вправа 3
Поясніть таке явище:
Лаура щойно прокинулася і встала з ліжка в холодний зимовий день. Вставши з теплого ліжка, вона торкається ногами килимової підлоги своєї спальні й почувається комфортно навіть босоніж. Коли ви заходите на кухню, ваші босі ноги відчувають холод при дотику до кахельної підлоги.
Усе середовище будинку піддавалося однаковим температурним умовам протягом ночі. Чому Лора відчуває різні відчуття, коли ходить босоніж у спальні та на кухні?
Відчуття гарячого та холодного пов’язані з кількома факторами, деякі навіть суб’єктивними. Різні люди можуть по-різному відчувати та сприймати ту саму температуру. Однак у тексті одна і та ж людина відчуває різні відчуття в середовищі, яке нібито перебуває в тепловій рівновазі, тобто де тіла мають однакову температуру.
Єдина відмінність полягає в тому, з яким матеріалом він контактує. Коефіцієнт теплопровідності є властивістю матеріалів і показує, наскільки легко передається теплова енергія. Чим більше значення теплопровідності, тим легше відбувається передача теплової енергії.
Оскільки керамічна підлога має більшу теплопровідність, ніж вовняний або бавовняний килим, тіло Лаури багато втрачає. більше енергії, коли йде по кухні, ніж коли йде по килиму, що змушує її інтерпретувати, що підлоги більше холодний.
Вправи на теплову рівновагу
Вправа 4
(IFF 2016) Під час лабораторної роботи вчитель фізики пропонує студентам змішати 1 л води температурою 100°C з 500 мл води 4°C. Однак перед змішуванням і вимірюванням температури теплової рівноваги учням необхідно обчислити температуру теплової рівноваги. Враховують незначні теплові втрати і теоретичний результат дорівнює експериментальному значенню. Можна сказати, що ця рівноважна температура справедлива:
а) 68°С.
б) 74°С.
в) 80°С.
г) 32°С.
д) 52°С.
Правильна відповідь: а) 68°С.
Мета: визначити температуру теплової рівноваги ().
Дані:
1 л = 1000 мл води при 100°C;
500 мл води 4°С
Фізико-математична модель
У тепловій рівновазі передача теплової енергії більше не відбувається, тому сума теплот порцій води при 100°С і 4°С дорівнює нулю.
Оскільки в обох частинах рівняння питома теплоємність однакова, ми можемо їх скасувати.
Отже, рівноважна температура становитиме 68°С.
Вправи на термометричних вагах
Вправи 5
(SENAC - SP 2013) Прибуття людини на Місяць відбулося в 1969 році. Будова Місяця кам’яниста і практично не має атмосфери, а це означає, що вдень температура досягає 105 °C, а вночі опускається до −155 °C.
Ця теплова зміна, виміряна за температурною шкалою Фаренгейта, є дійсною
а) 50.
б) 90.
в) 292.
г) 468.
д) 472.
Правильна відповідь: г) 468.
Співвідношення між шкалою °C за Цельсієм і шкалою °F визначається як:
де,
- зміна температури в градусах Цельсія і,
це варіація за Фаренгейтом.
Температура на поверхні Місяця коливається від 105°C до -155°C вночі. Таким чином, загальна зміна становить 260°C.
105 - (-155) = 260
Підставляючи у формулу, маємо:
Вправи 6
(UESPI 2010) Студент читає науково-фантастичний роман Рея Бредбері «451 градус за Фаренгейтом». У певному уривку один із персонажів стверджує, що 451 °F — це температура за шкалою Фаренгейта, при якій горить папір, з якого виготовлені книги. Студент знає, що в цій шкалі температури плавлення та кипіння води становлять 32°F та 212°F відповідно. Він слушно робить висновок, що 451°F приблизно еквівалентно:
а) 100 °С
б) 205 °С
в) 233 °С
г) 305 °С
д) 316 °С
Правильна відповідь: в) 233 °С.
Шкали Цельсія і Фаренгейта пов'язані між собою:
Заміна 451°F на , ми маємо:
З варіантів відгуку 233°C є найближчим.
Вправи 7
(FATEC 2014) Під час гонок Formula Indy або Formula 1 гонщики піддаються впливу гарячого мікросередовища в кабіні, що вона досягає 50°C, генерується різними джерелами тепла (від сонця, двигуна, місцевості, обміну речовин мозку, м'язової активності тощо). Ця температура набагато вище допустимої середньої температури тіла, тому вони завжди повинні бути в хорошому фізичному стані.
Гонки Formula Indy є більш традиційними в США, де показання температури прийняті за шкалою Фаренгейта. На основі інформації, представленої в тексті, правильно стверджувати, що температура в кабіні, якої досягає автомобіль Formula Indy під час гонки, у градусах Фаренгейта, є
Дані:
Температура танення льоду = 32°F;
Температура окропу = 212°F.
а) 32.
б) 50.
в) 82.
г) 122.
д) 212.
Правильна відповідь: г) 122
Щоб зв'язати дві температури, ми використовуємо рівняння:
заміна для 50 і розв'язування за
, ми маємо:
Тому температура в кабіні за Фаренгейтом становить 122°F.
Вправи на поширення тепла
Вправа 8
(Enem 2021) В інструкції з експлуатації холодильника є такі рекомендації:
• Тримайте дверцята холодильника відкритими лише стільки, скільки необхідно;
• Важливо не перешкоджати циркуляції повітря при поганому розподілі їжі на полицях;
• Залиште простір не менше 5 см між задньою частиною виробу (змієвидним радіатором) і стіною.
Виходячи з принципів термодинаміки, ці рекомендації обґрунтовуються, відповідно:
а) Зменшіть вихід холоду з холодильника в навколишнє середовище, забезпечте передачу холоду між продуктами на полиці та забезпечте теплообмін між радіатором і навколишнім середовищем.
б) Зменшити вихід холоду з холодильника на навколишнє середовище, гарантувати конвекцію внутрішнього повітря, гарантувати теплоізоляцію між внутрішніми та зовнішніми частинами.
в) Зменшити тепловий потік з навколишнього середовища всередину холодильника, забезпечити конвекцію внутрішнього повітря і забезпечити теплообмін між радіатором і навколишнім середовищем.
г) Зменшити потік тепла з навколишнього середовища всередину холодильника, забезпечити передачу тепла холод між продуктами на полиці та забезпечують обмін теплом між раковиною та навколишнім середовищем.
e) Зменшіть тепловий потік з навколишнього середовища всередину холодильника, гарантуйте конвекцію внутрішнього повітря та гарантуйте теплоізоляцію між внутрішніми та зовнішніми частинами.
Правильна відповідь: в) Зменшити тепловий потік з кімнати всередину холодильника, забезпечити конвекцію внутрішнього повітря і забезпечити теплообмін між радіатором і навколишнім середовищем.
Тримаючи дверцята холодильника зачиненими, відкриваючи тільки необхідне, запобігає надходженню тепла із зовнішнього середовища.
Усередині холодильника відбувається теплообмін між холодним внутрішнім середовищем і їжею, що створює повітряні потоки за допомогою конвекції. Ці струми необхідні для охолодження їжі.
Тепло, що відбирається від їжі та обмінюється з холодоагентом холодильника, транспортується до радіатора на задній панелі. Це тепло буде обмінюватися з навколишнім середовищем, в основному за допомогою конвекції, тому потрібен простір.
Вправа 9
(UEPB 2009) Дитина, якій сподобався бригадейро, вирішив зробити цю цукерку, і для цього він почав розділяти інгредієнти та посуд. Спочатку він взяв банку зі згущеним молоком, шоколадну пудру і маргарин, потім сталеву каструлю, ложку і консервну ножку. Дитина просвердлив в банку отвір для того, щоб злити згущене молоко в каструлю. Його мати, побачивши таке ставлення, запропонувала синові просвердлити ще одну дірку в банку, щоб йому було легше видалити цю рідину. Поставивши каструлю на вогонь, щоб розмішати бригадайро, дитина відчула, що через кілька хвилин ручка ложки нагрілася, і поскаржилася: «Мамо, ложка пече мені руку». Тому мати попросила його використати дерев’яну ложку, щоб запобігти опіку.
Про зігрівання ложки, що свідчить у скарзі дитини на те, що його рука горить, можна сказати, що
а) дерев’яною ложкою, яка є відмінним теплоізолятором, вона нагрівається швидше за сталеву.
б) це відбувається тому, що частинки, з яких складається ложка, створюють конвекційні струми, повністю нагріваючи її, від одного кінця до іншого.
в) внаслідок опромінення ложка нагрівається повністю, від одного кінця до іншого.
г) дерев’яною ложкою, яка є чудовим теплопровідником, вона нагрівається швидше за сталеву.
д) це відбувається тому, що частинки, з яких складається ложка, починають проводити поглинене там тепло від одного кінця до іншого.
Правильна відповідь: д) це відбувається тому, що частинки, з яких складається ложка, починають проводити поглинене нею тепло від одного кінця до іншого.
Процес поширення тепла є теплопровідністю. Від частинки до її оточення передається лише енергія. Метали є чудовими теплопередавачами.
Вправа 10
(Enem 2016) Під час експерименту вчитель залишає на лабораторному столі два лотки однакової маси, один пластиковий, інший — алюмінієвий. Через кілька годин він просить учнів оцінити температуру двох лотків за допомогою дотику. Його учні категорично стверджують, що алюмінієвий лоток має нижчу температуру. Заінтригований, він пропонує другий вправу, під час якого він кладе кубик льоду на кожен з лотків, який перебувають у тепловій рівновазі з навколишнім середовищем, і запитує їх, при якій буде швидкість танення льоду більший.
Учень, який правильно відповість на запитання вчителя, скаже, що плавлення відбудеться
а) швидше на алюмінієвому піддоні, оскільки він має вищу теплопровідність, ніж пластиковий.
б) швидше на пластиковому піддоні, оскільки він спочатку має вищу температуру, ніж алюмінієвий.
в) швидше на пластиковому лотку, оскільки він має більшу теплоємність, ніж алюмінієвий.
г) швидше на алюмінієвому лотку, оскільки він має меншу питому теплоємність, ніж пластиковий.
e) з однаковою швидкістю на обох лотках, оскільки вони будуть мати однакові зміни температури.
Правильна відповідь: а) швидше на алюмінієвому піддоні, оскільки він має вищу теплопровідність, ніж пластиковий.
Лід тане швидше в піддоні, який передає тепло з більшою швидкістю, тобто швидше. Оскільки метали мають більшу теплопровідність, алюмінієвий лоток передає більше тепла льоду, і він буде танути швидше.
Вправа 11
(Enem 2021) У місті Сан-Паулу острови тепла відповідають за зміну напрямку потоку морського бризу, який повинен досягти весняного регіону. Але, перетинаючи острів тепла, морський бриз тепер зустрічає вертикальний потік повітря, який переносить для неї теплова енергія поглинається з гарячих поверхонь міста, витісняючи її на високі місця висоти. Таким чином, у центрі міста, а не у весняному районі, конденсат і сильний дощ. На зображенні показано три підсистеми, які обмінюються енергією в цьому явищі.
Ці механізми, відповідно,
а) опромінення і конвекція.
б) опромінення та опромінення.
в) провідність та опромінення.
г) конвекція та опромінення.
д) конвекція і конвекція.
Правильна відповідь: а) опромінення та конвекція.
Опромінення - це процес передачі тепла між сонцем і містами. У цьому процесі тепло передається за допомогою електромагнітного випромінювання.
Конвекція – це процес передачі тепла між острівцями тепла та морським бризом. У цьому процесі теплота передається текучим середовищем, в даному випадку повітрям, шляхом її рухів. При конвекції гаряче повітря, яке розширюється, стає менш щільним і піднімається вгору. Більш прохолодне повітря на більшій висоті, більш щільне, опускається вниз, створюючи повітряні потоки, які обмінюються теплом.
Вправи на приховане тепло і чутливе тепло
Вправа 12
(Enem 2015) Високі температури згоряння та тертя між його рухомими частинами є одними з факторів, які викликають нагрівання двигунів внутрішнього згоряння. Щоб запобігти перегріву і, як наслідок, пошкодженню цих двигунів, були розроблені поточні системи охолодження, в яких рідина Охолоджувач з особливими властивостями циркулює по салону двигуна, поглинаючи тепло, яке, проходячи через радіатор, передається до атмосфера.
Якою властивістю повинен володіти теплоносій, щоб найбільш ефективно виконувати своє призначення?
а) Висока питома теплоємність.
б) Висока прихована теплота плавлення.
в) Низька теплопровідність.
г) Низька температура кипіння.
д) Високий коефіцієнт теплового розширення.
Правильна відповідь: а) Висока питома теплоємність.
Питома теплоємність - це властивість матеріалу, в даному випадку теплоносія. Він вказує кількість теплоти, яку необхідно отримати або віддати для однієї одиниці маси, щоб змінити одну одиницю температури.
Іншими словами, чим вище питома теплоємність, тим більше тепла він може отримати, не підвищуючи свою температуру занадто сильно. Речовини з високою питомою теплоємністю мають меншу чутливість до зміни температури.
Таким чином, охолоджуюча рідина з високою питомою теплоємністю може «збирати» більшу кількість теплової енергії від двигуна без кипіння.
Вправа 13
(FATEC 2014) На уроці з дисципліни «Фізика» на курсі «Зварювання» у Fatec відповідальний викладач обговорює з учнями тему, яку вони бачили в середній школі. Пояснює, як виконати аналіз графіка зміни стану даної гіпотетичної чистої речовини. Для цього нам просто потрібно оцінити фізичні величини, представлені на осях, і графік, утворений зв’язком між цими величинами. На цьому графіку ділянка, яка представляє нахил, вказує на зміну температури через поглинання енергії, а та, що представляє плато (горизонтальний розріз), вказує на зміну стану внаслідок поглинання енергії.
Після цього пояснення він запитує в учнів, яку загальну кількість енергії поглинув речовини між закінченням зміни стану для рідини, до кінця зміни стану для газоподібний.
Правильна відповідь на це питання в калоріях така
а) 2000 р.
б) 4000.
в) 6000.
г) 10 000.
д) 14 000.
Правильна відповідь: г) 10 000.
Ця зміна відбувається між 4000 і 14000 калорій. Речовина повністю перебуває в рідкому стані, коли рампа починається після першого плато. Перехід з рідкої фази в газоподібний відбувається на другому плато.
Вправи на теплову дилатацію
Вправа 14
(URCA 2012) Радіус основи металевого конуса, густина якого дорівнює 10 г/см3, має при 0°C початкову довжину Ro = 2 см. При нагріванні цього конуса до температури 100°C його висота змінюється на Δh = 0,015 см. При масі конуса 100 г середній коефіцієнт лінійного розширення матеріалу становить:
Правильна відповідь:
Мета: визначити коефіцієнт лінійного розширення ().
Дані = 0,015 см
Початковий радіус, = 2 см = 100°C
маса, m = 100 г
щільність, d = 10 г/см3
Математична та фізична модель лінійного теплового розширення
де, – коефіцієнт лінійного розширення.
є зміною висоти.
це початкова висота.
є зміною температури.
Ізолюючий ,
і
Вони забезпечені. Таким чином, щоб визначити
, необхідно визначити
.
Щоб визначити скористаємося співвідношенням обсягу та щільності.
об'єм конуса
Щільність
Ізолюючий V,
Підставляємо значення V і r в рівняння об’єму і складаємо = 3,
Тепер можемо замінити в рівнянні коефіцієнта теплового розширення,
перетворюючись на наукову нотацію
0,0006 =
дізнатися більше про
- тепло і температура.
- поширення тепла
- чутливе тепло
- Питома теплоємність
- Термальна енергія
- Теплове розширення
- Теплова ємність
- теплопровідність
- Теплова конвекція
- Теплове опромінення
