Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu

Prezentacja na temat: "Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu"— Zapis prezentacji:

1 Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu www.szkolnictwo.pl
Wszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.

2 ENERGIA W ZJAWISKACH CIEPLNYCH

3 Spis treści: Energia wewnętrzna Temperatura a energia wewnętrzna Zmiana energii wewnętrznej ciała Cieplny przepływ energii I zasada termodynamiki Podział ciał ze względu na właściwości cieplne Ciepło właściwe Od czego zależy ilość energii potrzebnej do ogrzania substancji ? Bilans cieplny Kalorymetr Zjawiska cieplne zachodzące podczas zmian stanu skupienia materii Podsumowanie

4 Cząsteczki, atomy czy jony substancji są w ciągłym chaotycznym ruchu.
ENERGIA WEWNĘTRZNA Cząsteczki, atomy czy jony substancji są w ciągłym chaotycznym ruchu. Drgają wokół swoich położeń równowagi. Poruszają się od zderzenia do zderzenia Na skutek wzajemnych zderzeń różne cząsteczki mają różne prędkości, więc i również różną wartość energii kinetycznej. Każda cząsteczka przyciąga inne cząsteczki i sama jest przez nie przyciągana. Gdy natomiast działając z zewnątrz chcemy zbytnio zbliżyć do siebie cząsteczki, wtedy pojawiają się siły wzajemnego odpychania. Siły międzycząsteczkowe są siłami wzajemnego przyciągania lub odpychania. W związku z istnieniem sił międzycząsteczkowych cząsteczki posiadają energię potencjalną Ep. Jej wartości zależy od wielkości tych sił, co jest związane z rodzajem cząsteczek oraz odległościami miedzy nimi. Energia wewnętrzna jest sumą energii kinetycznej cząstek ciała i energii ich wzajemnego oddziaływania ( energii potencjalnej).

5 TEMPERATURA A ENERGIA WEWNĘTRZNA
W wyższej temperaturze zachodzi bardziej intensywny ruch bezładny cząsteczek. Wzrost energii kinetycznej cząsteczek powoduje wzrost temperatury ciała. Jeśli ciała maja taką samą temperaturę, to średnia energia kinetyczna cząstek, z których są zbudowane, dla obu ciał jest taka sama. Temperatura jest miarą energii kinetycznej cząstek materii (atomów, cząsteczek, jonów itp. ). Im wyższa jest jej wartość, tym większą średnią energię kinetyczną posiadają cząstki budujące dane ciało. Do określenia temperatury używamy najczęściej skali Celsjusza i skali Kelvina. Kelvin[K] jest jednostką układu SI Między obiema skalami zachodzą więc następujące zależności: Temperatura 0[K] to zero absolutne, najniższa możliwa temperatura, w której cząsteczki nie wykonują żadnych drgań. Zero absolutne nigdy nie zostało osiągnięte

6 ZMIANA ENERGII WEWNĘTRZNEJ CIAŁA
Wartość energii wewnętrznej jest trudna do ustalenia. Istotniejsza i łatwiejsza do określenia jest zmiana energii wewnętrznej, dlatego określając energię wewnętrzną układu pomija się te rodzaje energii, które nie zmieniają się w rozpatrywanym układzie termodynamicznym. Praca na pokonanie siły tarcia Wzrost energii ruchu cząsteczek trących się ciał Wzrost energii wewnętrznej ciał T F s Przykłady: rozgrzewanie się opon podczas hamowania, wierteł podczas pracy, metalu podczas piłowania Kosztem wykonania pracy nad ciałem (układem ciał) wzrosła ich energia wewnętrzna. Wykonanie pracy przez ciało (układ ciał) powoduje zmniejszenie jego energii wewnętrznej. Przykład: rozprężanie gazów

7 Cieplny przepływ energii
Oddziaływanie między cząsteczkami ciał o różnych temperaturach Wymiana energii kinetycznej miedzy cząsteczkami tych ciał Wzrost energii wewnętrznej jednego z ciał, a zmniejszenie energii wewnętrznej drugiego Przy bezpośrednim kontakcie ciał o różnych Ek ruchu cząsteczek (różne temperatury ciał), następuje przekazywanie Ek od cząsteczek o jej większej wartości do cząsteczek o mniejszej wartości energii kinetycznej. Jeżeli EK1 > EK2 (T1 > T2) to proces przebiega od ciała 1 do ciała 2. Proces przekazywania energii trwa tak długo, aż stany energii kinetycznej cząsteczek obu ciał będą jednakowe ( T1 = T2) Cieplny przepływ energii – proces fizyczny polegający na zderzaniu się cząsteczek ciał o różnej temperaturze, w wyniku czego dochodzi do wyrównania temperatur Ilość energii przekazywaną w cieplnym przepływie energii oznacza się literą Q i nazywa się ciepłem.

8 Podczas wymiany ciepła nie jest wykonana praca mechaniczna, a przekazywanie energii odbywa się na drodze przewodzenia, konwekcji lub promieniowania Formy wymiany ciepła: konwekcja - przekazywanie energii w gazach i cieczach przez przemieszczanie się większych ilości cząsteczek, typowym przykładem jest obieg powietrza w pokoju w którym źródło ciepła umieszczone jest na podłodze, nagrzane powietrze uniesie się do sufitu (jest lżejsze niż powietrze chłodniejsze) i zajmie miejsca powietrza chłodniejszego , które opadnie i nagrzeje się, przewodzenie - ciała pomiędzy którymi zachodzi wymiana ciepła są ze sobą w bezpośrednim kontakcie, promieniowanie - energia jest przekazywana przez promieniowanie elektromagnetyczne, które może być wytworzone przez drgania elektronów i protonów w innym ciele. Energię wewnętrzną (Ew) można zmienić przez wykonanie pracy lub przez cieplny przepływ energii (Q), albo obydwoma sposobami naraz (przykład: rozgrzane kowadło uderzane młotem).

9 I ZASADA TERMODYNAMIKI
Zmiana energii wewnętrznej jest równa sumie pracy (W) wykonanej przez układ bądź nad układem i ciepła (Q)dostarczonego lub oddanego przez układ. Umowa dotycząca znaku  Jeśli praca lub ciepło są dostarczane do ciała (układu ciał), to są one liczone ze znakiem plus - są dodatnie. Jeżeli są odbierane od ciała (układu ciał) , czyli jeśli to ciało/układ wykonuje jakąś pracę, to odpowiednie wartości będą ujemne. Jeśli wzrost energii wewnętrznej ciała odbywa się tylko na skutek pobierania ciepła, to ∆E = Q przykład Podczas prasowania żelazko podgrzało tkaninę energią 200 J, a w wyniku tarcia została do niego dodatkowo dostarczona energia 10 J (zakładamy, że nie było ubytków ciepła). W rezultacie energia wewnętrzna tkaniny wzrosła o: ∆E= Q + W = 200 J + 10 J = 210 J

10 PODZIAŁ CIAŁ ZE WZGLĘDU NA WŁAŚCIWOŚCI CIEPLNE
Przewodniki cieplne – ciała które dobrze przewodzą ciepło.        Do  najlepszych przewodników należą metale: srebro, miedź aluminium,                   Dobrym przewodnikiem ciepła jest także diament.     Izolator cieplne – ciała, które źle cieplnie przewodzą energię.        Dobrymi izolatorami cieplnymi są: tworzywa sztuczne, drewno, szkło, tłuszcze, futro, pierze, próżnia, unieruchomione powietrze. Zastosowanie przewodników i izolatorów: Przewodniki i izolatory będą miały zupełnie inne zastosowania.  Wszelkiego rodzaju elementy urządzeń grzewczych wykonamy z materiałów dobrze  przewodzących ciepło np. kaloryfer.  Wszędzie tam gdzie chcemy zapobiec  przewodzeniu stosujemy izolatory np.:  w mroźne zimowe dni  siedzące nieruchomo ptaki stroszą pióra, aby utworzyć między nimi jak, najgrubszą warstwę powietrza, która stanowi dobrą izolację przed wymianą ciepła z otoczeniem.  Eskimosi budują igloo, gdyż własności izolujące lodu nie pozwalają aby ciepło wydostawało się na zewnątrz. Najlepszym izolatorem jest próżnia. W próżni nie ma cząsteczek.

11 Przykładowe wartości ciepła właściwego
CIEPŁO WŁAŚCIWE Wiemy, że jedne substancje ogrzewają się szybciej np. ołów, stal, a inne wolniej np woda. Oczywiście związane jest to z ich budową wewnętrzną. Aby dokładnie opisać tą właściwość wprowadzono pojęcie ciepła właściwego. Ciepło właściwe jest to wielkość fizyczna, która informuje nas ile ciepła ( energii) należy dostarczyć, aby ogrzać 1 kg danej substancji o 1 K ( 1 oC) Symbol ciepła właściwego cw przykład Ciepło właściwe wody ma wartość Oznacza to, że aby ogrzać 1 kilogram wody o 1K (1oC) potrzebne jest dostarczenie energii o wartości 4200 dżuli. Przykładowe wartości ciepła właściwego ołów 130 lód 2100 tlen 916 spirytus 2400

12 OD CZEGO ZALEŻY ILOŚĆ ENERGII POTRZEBNEJ DO OGRZANIA SUBSTANCJI ?
Wiemy, że zmiana temperatury związana jest ściśle z energią kinetyczną cząsteczek. Im wzrost temperatury większy, tym większa wartość dostarczonego ciepła - ∆T Wiemy, że jedne ciała ogrzewają się łatwiej inne trudniej. Zależy, więc od rodzaju substancji z której wykonane jest ciało – cw Im większa ilość ogrzewanej substancji, tym więcej energii trzeba dostarczyć - m Ciepło potrzebne do ogrzania ciała o ∆T można obliczyć ze wzoru na ilość ciepła: Q– ilość ciepła; cw– ciepło właściwe; ∆T – różnica temperatur; m– masa ciała Q= cw· m·∆T

13 Ew = cw∙m∙∆T ► Ew = cw∙ m∙ (Tk – Tp) Ew = 4200∙2∙(350 – 300)
przykład Ile energii należy dostarczyć wodzie m=2kg, o temperaturze T1=300K, aby podgrzać ją do temperatury T2 = 350K. Ciepło właściwe wody wynosi: Dane: m = 2 kg Tp = 300K Tk = 350K cw = 4200J/kgK Ew = cw∙m∙∆T ► Ew = cw∙ m∙ (Tk – Tp) Ew = 4200∙2∙(350 – 300) Ew = J przykład Ile ciepła przekaże do otoczenia 250ml wody to temperaturze 80 ºC pozostawionej w pomieszczeniu o temperaturze 20 ºC do czasu wyrównania się temperatury wody z otoczeniem. Dane: V = 250 ml = 0,25 dm3 → m = 0,25 kg Tp = 80oC Tk = 20oC Cw = 4200 J/kgoC Q = cw∙m∙∆T ► Q = cw∙ m∙ (Tp – Tk) Ew = 4200∙0,25∙(80 – 20) Ew =63000J

14 BILANS CIEPLNY Bilansem cieplnym nazywamy zasadę zachowania energii cieplnej dla stykających sie ciał o różnej temperaturze, między którymi zachodzi wymiana energii. Jeżeli nie ma wymiany ciepła z otoczeniem (co jest spełnione w dobrze izolowanym kalorymetrze) to ilość ciepła traconego przez ciała o wyższej temperaturze równa jest ilości ciepła pobranego przez ciało o niższej temperaturze. Przy założeniu, że nie zachodzi wymiana energii z otoczeniem tzn. układ jest izolowany. ciepło oddane = ciepło pobrane Qoddane = Q pobrane przykład Do wanny zawierającej 30l wody o temp. 20oC dolano 10l wody o temp. 80oC. Jaka będzie temperatura końcowa wody zmieszanej? Nie bierzemy pod uwagę strat energii na ogrzanie otoczenia. Dane: V1 = 30l = 30dm3 ; T1 = 20oC szukane: Tk = ? m= d∙V → m1 = 30kg; m2 = 10 kg V2 = 10l = 10 dm3; T2 = 80oC d wody = 1kg/dm3 Q1 = cw∙m1∙(Tk –T1) ---- ciepło pobrane cw = 4200J/kgoC Q2 = cw∙m2∙( T2 –Tk) ----ciepło oddane Q1 = Q2

15 cw∙m1∙(Tk –T1) = cw∙m2∙( T2 –Tk) |: cw
m1(Tk –T1) = m2(T2 – Tk) → m1Tk – m1T1 = m2T2 –m2Tk ( wyznaczamy Tk) Odp. Końcowa temperatura wody to 35oC.

16 Masa porcelany mp = 100g = 0,1 kg Masa wody mw = 200g = 0,2 kg
przykład Do porcelanowej filiżanki o masie 100g, znajdującej się w pokoju, gdzie temperatura powietrza wynosi 200C, wlano 200g wrzątku (o temperaturze 1000C). temperatura wody i filiżanki ustaliła się na 930C. Ile wynosi ciepło właściwe porcelany? Dane: Masa porcelany mp = 100g = 0,1 kg Masa wody mw = 200g = 0,2 kg Temperatura początkowa porcelany Tpp = 20oC Temperatura początkowa wody Tpw = 100oC Temperatura końcowa wody i porcelany Tk = 93oC Ciepło właściwe wody cw = 4200 J/kgoC Ciepło właściwe porcelany - ??? Ciepło pobrane przez porcelanę Ciepło oddane przez wodę Z zasady zachowania energii wewnętrznej, otrzymujemy równanie: Wyznaczamy cp Ciepło właściwe porcelany wynosi ok.805 J/kgoC

17 KALORYMETR Kalorymetr to przyrząd laboratoryjny do pomiaru ciepła wydzielanego lub pobieranego podczas procesów fizycznych. i chemicznych. Wykorzystywany jest przede wszystkim do wyznaczania ciepła właściwego cieczy i ciał stałych, ciepła topnienia i ciepła parowania Najprostszy kalorymetr, tzw. "szkolny" składa się z dwóch naczyń, wykonanych najczęściej z aluminium, umieszczonych jedno wewnątrz drugiego. Wewnętrzne naczynie spoczywa na drewnianej podstawce (drewno jest dobrym izolatorem), a od góry przestrzeń między naczyniami zakrywa pokrywka, gdyż uwięzione powietrze pełni rolę izolatora. W przykrywce wewnętrznego naczynia są dwa otwory: z jednego wystaje mieszadło umożliwiające wyrównanie temperatur ciał w kalorymetrze, do drugiego można włożyć termometr. Tego rodzaju kalorymetr jest skuteczny gdy zmiany temperatury układu są duże i można go stosować wyłącznie do układów ciekłych. W laboratoriach wykorzystuje się kalorymetry o bardzo dużej dokładności i dobrze izolowane, często połączone z komputerem.

18 ZJAWISKA CIEPLNE ZACHODZĄCE PODCZAS ZMIAN STANU SKUPIENIA MATERII
Ciepło może również być wymieniane bez zmiany temperatury ! Prześledźmy proces topnienia lodu. Lód będzie powoli topniał, pobierając ciepło z otoczenia i tym samym powodując zmniejszenie jego temperatury. Po stopieniu ostatniej drobiny lodu okazuje się, że powstała woda ma również temperaturę identyczną z lodem, który topił się. ( temperatura topnienia – temperatura krzepnięcia) Cóż więc stało się z energią powietrza oddanego topniejącej bryłce lodu? Nie nastąpiło zwiększenie średniej energii kinetycznej cząsteczek wody Wraz z przejściem lodu w wodę, zmienił się układ cząsteczek wewnątrz substancji. Cząsteczki lodu tworzyły uporządkowaną sieć krystaliczną. Porządek został zniszczony, wbrew siłom chcącym znów zbliżać cząstki do siebie i połączyć je w zwartą sieć. Oddalenie cząstek i ich „oswobodzenie” wymagało dostarczenia sporej ilości energii, która została następnie, po rozerwaniu sieci, zmagazynowana w formie potencjalnej energii. W czasie topnienia temperatura ciała jest stała, ponieważ dostarczona energia zostaje zużyta na wykonanie pracy związanej ze zmianą skupienia. Ilość energii pobrana przez ciało podczas topnienia jest równa ilości energii oddanej podczas krzepnięcia. (Zgodnie z zasadą zachowania energii)

19 Ciepło skraplania jest równe ciepłu parowania w danej temperaturze
Ciepło topnienia to ilość energii potrzebna do stopienia 1 kg substancji w temperaturze topnienia różne (dla różnych substancji) Ciepło krzepnięcia (równe ciepłu topnienia) czyli ilość energii oddawana podczas krzepnięcia  1 kg substancji ( w temperaturze krzepnięcia). Ciepło parowania (w temperaturze wrzenia) to energią potrzebna do wyparowania 1 kg cieczy Ciepło skraplania jest równe ciepłu parowania w danej temperaturze ciepło potrzebne do stopienia ciała (bez zmiany temperatury) Qt= ct· m Qt– ilość ciepła; ct– ciepło topnienia; m– masa ciała ciepło oddane przez ciało krzepnące (bez zmiany temperatury) Qk= ck· m Qk– ilość ciepła; ck– ciepło krzepnięcia; m– masa ciała; (ck= ct) ciepło potrzebne do zmiany cieczy w parę (bez zmiany temperatury) Qp= cp· m Qp– ilość ciepła; cp– ciepło parowania; m– masa cieczy ciepło oddane przez parę pod- czas skraplania (bez zmiany temperatury) Qs= cs· m Qs– ilość ciepła; cs– ciepło skraplania; m– masa pary; (cs= cp)

20 Dla wody ciepło parowania w temp. wrzenia wynosi:2258000 J/kg
przykład Oblicz ilość ciepła, które należy dostarczyć 1 litrowi wody o temperaturze 20°C, by się zagotowała, a następnie wyparowała.  Dla wody ciepło parowania w temp. wrzenia wynosi: J/kg Dane: m=1kg T1=20stopni C T2=100 stopni C cw=4200 J/ kg oC cp= J/kg szukane: Q1=? Q1=ilość ciepła potrzebna do ogrzania wody do temperatury wrzenia Q2=? Q2= ilość ciepła potrzebna do wyparowania wody Q = Q1 + Q2 Q1=cw∙m∙∆T Q1=4200 J/kg oC ∙1 kg ∙ 80 oC Q1= J=336kJ Q2=cp∙m Q2= J/kg ∙ 1 kg   Q2= J=2258 kJ Q1 +Q2 = 2594 J Należy dostarczyć 2594 J energii.

21 podsumowanie Wielkość fizyczna Określenie Symbol/ wzór Jednostka Uwagi Energia wewnętrzna Suma energii kinetycznych i potencjalnych cząstek z których składa się ciało Ew dżul (J) Energię wewnętrzną ciała można zmienić, wykonując nad nim pracę (np. sprężając gaz) lub dostarczając mu ciepło Ilość ciepła Jest to ta energia, która przepływa od ciała o wyższej do ciała o niższej temperaturze Q=cw∙m∆T Ciepło może być przekazywane na trzy sposoby, przez przewodnictwo, przez konwekcję i przez promieniowanie Ciepło właściwe Jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania jednostki masy substancji o jeden Kelwin cw= Q/m∆T dżul na kilogram i Kelwin (J/kg*K) Ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/(kg∙K) Temperatura Jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek tworzących ciało T Kelwin (K) lub stopień Celsjusza (°C) 0 °C = 273 K Energia wewnętrzna przekazywana jest zawsze z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Przekazywanie energii ustaje, gdy wyrównają się temperatury ciał.

22 Dokończ zdania: Temperatura, to wielkość charakteryzująca stan danego ciała- jej miarą jest cząsteczek. Energia wewnętrzna ciała, to suma wszystkich cząsteczek substancji, z której zbudowane jest ciało. Ciepłem właściwym nazywa się ilość energii cieplnej, jakiej należy dostarczyć, aby Ciepłem topnienia nazywa się ilość energii cieplnej, jakiej należy dostarczyć, aby w temperaturze topnienia

23 Bibliografia: „ Nauczanie fizyki” H. Bonecki „ Fizyka 2” Rozenbajgier