Билет № 14

1. Расчёт количества теплоты при нагревании, плавлении, парообразовании

и сжигание топлива.

2. Электромагнитная природа света, скорость света.

3. Задача на расчёт кинетической и потенциальной энергии.

Ответы:

1. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ

Для подсчета количества теплоты необходимо знать удельную теплоемкость вещества, из которого сделано тело, его массу и разность между его начальной и конечной температурами. Предположим, что необходимо рассчитать количество теплоты, которое получает серебряная ложка массой 0,1 кг при нагревании от 20 °С до 60 °С. Для этого найдем в таблице удельную теплоемкость серебра

Это означает, что 1 кг серебра при нагревании на 1°С получает количество теплоты, равное 250 Дж. Соответственно 0,1 кг серебра при нагревании на 1 °С получает 25 Дж, а 0,1 кг серебра при нагревании на 40 °С— 25Дж-40°С= 1000 Дж, или 1 кДж.

Таким образом, для того чтобы найти количество теплоты, полученное телом при нагревании, нужно удельную теплоемкость вещества умножить на массу тела и на разность между конечной и начальной температурами.

Формула для расчета количества теплоты имеет следующий вид:

Где Q — количество теплоты, с — удельная теплоемкость вещества,

т — масса тела, t2 — конечная температура, tx — начальная температура.

По этой же формуле рассчитывается количество теплоты, отданное телом при охлаждении. В этом случае конечная температура тела меньше, чем начальная.

Разность температур и соответственно количество теплоты будут отрицательными. Знак «минус» перед Q означает, что внутренняя энергия тела уменьшается.

Энергия топлива

Хорошо известно, что для нагревания воды, приготовления пищи используют внутреннюю энергию топлива. Существуют различные виды топлива: уголь, торф, дрова, природный газ и др. При сгорании топлива выделяется энергия. Происходит это потому, что энергия топлива и кислорода, содержащегося в воздухе, больше, чем энергия образовавшегося из них углекислого газа.

Часто бывает необходимо рассчитать, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива. Это требуется, например, при проектировании двигателей для автомобилей, тепловозов, самолетов. Для этого нужно знать количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы массы различных видов топлива. Эта величина определяется опытным путем.

Удельной теплотой сгорания топлива называют физическую величину, равную количеству теплоты, которая выделяется при полном сгорании

1 кг топлива.

Удельную теплоту сгорания топлива обозначают буквой q и измеряют в

Удельная теплота сгорания природного газа равна

Это означает, что при полном сгорании 1 кг природного газа выделяется

4,4 • 10 энергии. При полном сгорании 5 кг природного газа выделяется

энергии в 5 раз больше, т. е. 22 • 10 Дж.

Таким образом, чтобы вычислить количество теплоты Q, выделившейся при полном сгорании топлива массой т, нужно удельную теплоту сгорания топлива q умножить на массу сгоревшего топлива т:

Плавление

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы превратить при температуре плавления кристаллическое вещество массой 1 кг в жидкость, называется удельной теплотой плавления.

Удельная теплота плавления обозначается буквой .Единица удельной теплоты плавления Удельная теплота плавления стали

Это означает, что для превращения 1 кг стали из твердого состояния в жидкое при температуре плавления (1500 °С) необходимо затратить

0,84 • 10 Дж энергии.

Для того чтобы рассчитать количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического вещества массой т при температуре плавления, нужно удельную теплоту плавления . умножить на массу вещества:

При кристаллизации энергия, наоборот, выделяется и передается окружающим телам. При отвердевании вещества выделяется такое же количество теплоты, которое поглощается при его плавлении:

Минус указывает на то, что внутренняя энергия тела уменьшается.

ИСПАРЕНИЕ

Парообразование — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное.

Различают два способа парообразования: испарение и кипение.

Испарение — процесс парообразования, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре.

Кипение – процесс парообразования, происходящий во всём объёме жидкости при определённой температуре.

Удельной теплотой парообразования называют физическую величину, показывающую, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры (чаще при температуре кипения).

Удельную теплоту парообразования обозначают буквой L и измеряют в

Удельная теплота парообразования эфира Это означает, что для превращения 1 кг эфира в пар при температуре кипения необходимо затратить 0,4 10 Дж энергии. Внутренняя энергия 1 кг эфира увеличится при этом на такую же величину. Чтобы вычислить количество теплотыQ, необходимое для превращения в пар жидкости массой т, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования L умножить на массу жидкости т: При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты, которое поглощается при парообразовании:

Знак минус в формуле для количества теплоты указывает на то, что внутренняя энергия в этом процессе уменьшается.

2. Электромагнитная природа света

Под светом в настоящее время понимают электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Длина воли воспринимаемого электромагнитного излучения лежит в интервале от 0,38 до 0,76 мкм. В физике часто называют светом и невидимые электромагнитные волны, лежащие за пределами этого интервала: от 0,0! до 340 мкм.

Это связано с тем, что физические свойства этих электромагнитных волн близки к свойствам световых волн. В 1873 г. Дж. Максвелл сформулировал уравнения, устанавливающие в любой точке пространства и в любой момент времени связь между значениями напряженности электрического Е и индукцией магнитного В полей, плотностей электрических токов j и зарядов. Из теории Максвелла вытекало, что изменения электрического и магнитного полей взаимосвязаны. На основе этой теории было сформулировано важнейшее понятие в физике — электромагнитное поле. В уравнения Максвелла вошла скорость, с которой должны распространяться в пространстве изменяющиеся электрическое и магнитное поля, т. е. электромагнитная волна. Эта скорость равна скорости света. Вот что об этом сказал сам Максвелл: «Едва ли мы можем избежать заключения, что свет — это поперечное волнообразное движение той же самой природы, которая вызывает электрические и магнитные явления». Итак, на основании своих теоретических исследований Максвелл сделал вывод: свет имеет электромагнитную природу. Экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света было получено в опытах Герца, показавшего, что электромагнитные волны, подобно свету на границе раздела двух сред, испытывают отражение и преломление. Помимо этого, тождественность природы световых и электромагнитных волн подтверждалась одинаковой скоростью их распространения.

Из уравнений Максвелла для электромагнитного поля, определяющих связь между Е и В, получена формула (17.1), связывающая, скорость

распространения света и электромагнитных волн в веществе с его электрическими и магнитными свойствами. Амплитуды гармонических колебаний частоты v (частота волны), совершаемых векторами Е и В распространяющейся электромагнитной плоской монохроматической волны, описываются выражениями