Открытый урок в 8-м классе по теме: Тепловой баланс. Решение задач

  • Журун Татьяна Юрьевна, учитель физики

Урок рассчитан на 2 часа. Этот урок является
обобщающим по теме: “Тепловые явления”.

При подготовке данного урока заранее даются
темы двух докладов (темы и планы докладов
приведены в тексте), выбирается группа учеников,
которые будут выполнять эксперимент.

Цель урока:

1. Обобщить знания по теме: “Тепловые явления”
на примере теоретического и практического
решения задачи на тепловой баланс.
2. Проверить: знания по теме: “Тепловые явления”,
умение решать задачи на тепловой баланс, навыки
выполнения лабораторных опытов.

Задачи урока: Привить навыки обращения с
физическими измерительными приборами.

План урока.

  1. Обобщающая беседа по теме: “Вычисление
    количества теплоты”.
  2. Теоретическое решение задач на тепловой баланс.
  3. Практическое решение задачи.
  4. Нахождение КПД тепловой установки.
  5. Доклады по темам: “Образование облаков.
    Осадки”, “Роса. Туман”.
  6. Подведение итогов.

Обобщающая беседа по теме: “Тепловые
явления”.

На предыдущих уроках мы познакомились с
понятием теплового баланса.

В любой замкнутой системе соблюдается закон
сохранения полной энергии. E=W+U+Q

В тепловых явлениях изменение механической
энергии может не происходить, поэтому,
рассматривая процессы, происходящие в атмосфере,
можно рассматривать только изменение внутренней
энергии вещества и количества теплоты.

Любые процессы, в которых изменяется
внутренняя энергия, называются тепловыми. К ним
относятся нагревание и охлаждение, испарение и
конденсация, плавление и кристаллизация.

Количество теплоты, которое поглощается или
выделяется в данных процессах, вычисляется с
учетом массы тела и его свойств.

Количество теплоты при нагревании или
охлаждении тела рассчитывается по формуле

Q= cm T ,

где с — удельная теплоемкость вещества,
которая зависит от его свойств и находится
экспериментально, m — масса, Т — изменение
температуры.

В процессе плавления (кристаллизации)
количество теплоты, потребляемое (выделяемое)
телом, вычисляется с учетом того, что данное
явление сопровождаются разрушением
(восстановлением) межмолекулярных связей. В этом
случае вся энергия, полученная телом, уходит на
это. Q= m , где m — масса вещества, — удельная теплота плавления
(кристаллизации), зависящая от свойств веществ,
определяется с помощью эксперимента. Этот
процесс всегда происходит при температуре
плавления, и т.к. она постоянна, то Т = 0.

При кипении (конденсации) все количество
теплоты, подводимое (выделяемое) к телу,
затрачивается, также как и в процессе плавления
(кристаллизации), на разрыв межмолекулярных
связей, но для этого требуется несколько меньшая
энергия, чем при плавлении (кристаллизации).
Изменение температуры не происходит.
Следовательно, и количество теплоты тоже
потребуется другое.

Q = mr,

где m — масса тела,
r — удельная теплота парообразования,
определяемая взаимодействием молекул в жидкости
(экспериментально).

Если в системе присутствует нагреватель,
работающий на топливе, то количество теплоты,
выделяемое сгорающим топливом Q = mтq, где mт
– масса топлива, q –удельная теплота сгорания
данного топлива (определяется экспериментально).

В замкнутой теплоизолированной системе обмен
энергией между телами происходит без потери
тепла, т.е. теплообмен с окружающей средой не
происходит. Таким образом, уравнение теплового
баланса для такой системы запишется

Q = Q i,

где Q — количество теплоты, выделяемое в
системе,
Qi — количество теплоты, которое
поглощается телами, составляющими эту систему.

Чтобы это стало более понятно, давайте решим
несколько задач:

  1. Смесь, состоящую из 2,51 кг льда и 7,53 кг воды, при
    общей температуре 0° С нужно нагреть до
    температуры 50° С, пропуская через нее пар при
    температуре 100° С. Определить необходимое для
    этого количество (в г) пара. Удельная
    теплоемкость воды 4200 Дж/(кг*°С), удельная теплота
    парообразования воды 2,3 МДж/ кг, удельная теплота
    плавления льда 330 кДж/кг.
  2. В ванну влито 80 л воды при температуре 10° С.
    Сколько литров воды при 100° С нужно прибавить в
    ванну, чтобы температура смеси была 25° С.
  3. Какое количество теплоты потребовалось для
    получения дистиллированной воды объемом 5 л, если
    вода в дистиллятор поступила при температуре 14°
    С? (Потерями энергии принебречь).
  4. Сколько льда, взятого при 0° С, расплавится, если
    ему сообщить такое количество теплоты, которое
    выделится при конденсации водяного пара, масса
    которого равна 8 кг, а температура равна 100° С, при
    нормальном атмосферном давлении.
  5. Сколько спирта нужно сжечь для того, чтобы
    нагреть 100 г воды, взятой при температуре 0° С, и
    испарить ее. Внешними потерями энергии
    пренебречь.

Рассмотрим решение последней задачи
практически и теоретически.

Дано:

mв =100 г = 0,1 кг;
t1 = 0° С;
t2 = 100° С;
c = 4200 Дж/кг*°С;
q = 29 МДж/кг;
r = 29·106 Дж/ кг.
m с — ?

Решение:

Количество теплоты, выделяемое при сгорании
спирта, полностью затрачивается на нагревание,
плавление и испарение воды:

1. Qу = Q1 + Q2, где Qс
теплота, выделяемая при сгорании спирта, Q1 –кол-во
теплоты, требуемое для нагревания воды от 0° С до
температуры кипения, Q2 — кол-во теплоты,
требующееся для превращения воды в пар.
2. Кол-во теплоты, выделяемое при сгорании спирта Qс
= mсq
3. Кол-во теплоты, требуемое для нагревания воды Q1
= m c (t2 — t1)
4. Кол-во теплоты, требуемое для испарения воды Q2
= mпr
5. С учетом всех формул записываем уравнение
теплового баланса mсq = mв cв (tкип
— tпл) + mп r

Из выражения теплового баланса можно найти
массу спирта, требующуюся для данного процесса.

Ответ: для этого процесса потребуется сжечь 10 г
спирта.

Эту же задачу предлагается решить
экспериментально и сравнить результаты.

Для этого нужно собрать установку,
изображенную на рисунке 1, и провести опыт, целью
которого будет являться определение массы
спирта, сгоревшего в спиртовке.

Оборудование: штатив с кольцом, лапкой и
муфтами; термометр; спиртовка; спички; внутренний
стакан от калориметра; весы лабораторные с
разновесами; измерительный цилиндр.

Цель опыта: определить массу спирта, сгоревшего
при нагревании и парообразовании воды.

Ход работы:

  1. Определить массу спиртовки со спиртом до начала
    опыта.
  2. С помощью мензурки и весов отмерить 100 г воды и
    влить во внутренний стакан калориметра.
  3. Измерить температуру воды (убедиться, что ее
    температура 0 ° С).
  4. Нагреть и испарить воду.
  5. Определить массу спиртовки со спиртом по
    окончании опыта.
  6. Найти массу сгоревшего спирта.

Далее классу предлагается сравнить результаты,
полученные теоретически и практически, и
вычислить коэффициент полезного действия данной
тепловой установки.

Дано: mт = 0.1 кг; m пр — опр.эксперимент.
— ?

Решение:

1. КПД тепловой установки равен отношению
количества теплоты, полезного (нужного для
нагревания и испарения воды), и количества
теплоты, затраченного (выделившегося при
сгорании спирта).
2. Qп = mтq — полезное кол-во теплоты,
рассчитанное теоретически.
3. Qз = mпрq — затраченное кол-во теплоты,
определенное экспериментально.
4. Подставив выражения 2 и 3 в 1, получим:

Даже при максимальном уменьшении потерь тепла,
КПД практически не может быть более 60%, т.к.
полностью изолировать систему (вода — спирт) не
удается.

В атмосфере Земли происходят подобные явления.
Вы знаете, что испарение может происходить при
любой температуре. Благодаря этому,
осуществляется круговорот воды в природе.
Предлагаю на эту тему послушать доклад
“Образование облаков. Осадки”.

План доклада:

  1. Испарение и конденсация воды.
  2. Образование облаков.
  3. Виды облаков.
  4. Формирование осадков.

Но в природе конденсация воды происходит не
только непосредственно в атмосфере Земли, но и
вблизи ее поверхности. Это такие явления, как
роса, иней и туман. У нас есть еще один доклад
“Роса. Туман”, предлагаю его послушать.

План доклада:

  1. Сравнение удельных теплоемкостей почвы и
    воздуха.
  2. Утренняя роса.
  3. Вечерняя роса.
  4. Туман.

Итак, на этом уроке мы вспомнили закон
сохранения энергии в тепловых процессах,
выяснили, что в реальных условиях нельзя
пренебрегать потерями энергии, т.к. при любом
тепловом процессе система не является замкнутой,
а сообщается с атмосферой. И это нужно учитывать.
Рассчитали КПД реального нагревателя. Оказалось,
что он не превышает 60%.

Атмосфера Земли, так же является тепловой
системой, и поэтому в ней происходят
парообразования и конденсации, что приводит к
образованию облаков и выпадению осадков.


Внимание, только СЕГОДНЯ!
Ссылка на основную публикацию
2018