Одинакова ли внутренняя энергия одной и тоже массы холодной и горячей воды:  одинакова ли внутренняя энергия одной и той же массы холодной и горячей воды? почему?

Статьи — Abitu.net

В кинематике существуют три способа аналитического описания движения материальной точки в пространстве. Рассмотрим их, ограничившись случаем движения материальной точки на плоскости, что позволит нам при выборе системы отсчёта задавать лишь две координатные оси.

1. Векторный способ.

В этом способе положение материальной точки `A`  задаётся  с  помощью  так называемого  радиус-вектора  `vecr`,  который представляет собой вектор, проведённый из точки `O`, соответствующей началу отсчёта выбранной системы координат, в интересующую нас точку `A` (рис. 1). В процессе движения материальной точки её радиус-вектор может изменяться как по модулю, так и по направлению, являясь функцией времени `vecr=vecr(t)`. 

Геометрическое место концов радиус-вектора `vecr(t)` называют траекторией точки `A`.

В известном смысле траектория движения представляет собой след (явный или воображаемый), который «оставляет за собой» точка `A` после прохождения той или иной области пространства. Понятно, что геометрическая форма траектории зависит от выбора системы отсчёта, относительно которой ведётся наблюдение за движением точки.

Пусть в процессе движения по некоторой траектории в выбранной системе отсчёта за промежуток времени `Delta t` тело (точка `A`) переместилось из начального положения `1` с радиус-вектором `vec r_1` в конечное положение `2` с радиус-вектором  `vec r_2` (рис. 2). Приращение `Deltavec r` радиус-вектора тела в таком случае равно:  `Deltavec r = vec r_2- vec r_1`.

Вектор `Deltavec r`, соединяющий начальное и конечное положения тела, называют перемещением тела.

Отношение `Delta vec r//Delta t` называют средней скоростью (средним вектором скорости) `vec v_»cp»` тела за время `Delta t`:

`vecv_»cp»=(Deltavecr)/(Delta t)`                                                                   (1)

Вектор `vecv_»cp»` коллинеарен и сонаправлен с вектором `Deltavec r`, так как отличается от последнего лишь скалярным неотрицательным множителем `1//Delta t`.

Предложенное определение средней скорости справедливо для любых значений `Delta t`, кроме `Delta t=0`.  Однако ничто не мешает брать промежуток времени `Delta t` сколь угодно малым, но отличным от нуля.
Для точного описания движения вводят понятие мгновенной скорости, то есть скорости в конкретный момент времени `t` или в конкретной точке траектории. С этой целью промежуток времени `Delta t` устремляют к нулю. Вместе с ним будет стремиться к нулю и перемещение `Delta vec r`. При этом отношение `Deltavec r//Delta t` стремится к определённому значению, не зависящему от `Delta t`.

Величина, к которой стремится отношение  `Deltavec r//Delta t` при стремлении `Delta t` к нулю, называется мгновенной скоростью`vec v`: 

`vec v =(Delta vec r)/(Delta t)` при `Delta t -> 0`.

Теперь заметим, что чем меньше `Delta t`, тем ближе направление `Deltavec r` к направлению касательной к траектории в данной точке. Следовательно, вектор мгновенной скорости направлен по касательной к траектории в данной точке в сторону движения тела.

В дальнейшем там, где это не повлечёт недоразумений, мы будем опускать прилагательное «мгновенная» и говорить просто о скорости `vec v` тела (материальной точки).

Движение тела принято характеризовать также ускорением, по которому судят об изменении скорости в процессе движения. Его определяют через отношение приращения вектора скорости `Delta vec v` тела к промежутку времени `Delta t`, в течение которого это приращение произошло.

Ускорением `veca` тела называется величина, к которой стремится отношение `Delta vec v//Delta t` при стремлении к нулю знаменателя `Delta t`:

 `vec a =(Delta vec v)/(Delta t)` при `Delta t -> 0`                                              (2)

При уменьшении `Delta t` ориентация вектора`Delta vec v` будет приближаться к определённому направлению, которое принимается за направление вектора ускорения `vec a`. Заметим, что ускорение направлено в сторону малого приращения скорости, а не в сторону самой скорости!

Таким образом, зная зависимость `vec r(t)`, можно найти скорость `vec v` и ускорение $$ \overrightarrow{a}$$ тела в каждый момент времени.2`).

2. Координатный способ. 

В этом способе положение материальной точки `A` на плоскости в произвольный момент времени `t` определяется двумя координатами `x` и `y`, которые представляют собой проекции радиус-вектора $$ \overrightarrow{r}$$тела на оси `Ox` и `Oy` соответственно (рис. 3). При движении тела его координаты изменяются со временем, т. е. являются функциями `t`: $$ x=x\left(t\right)$$ и $$ y=y\left(t\right)$$. Если эти функции известны, то они определяют положение тела на плоскости в любой момент времени. В свою очередь, вектор скорости $$ \overrightarrow{v}$$ можно спроецировать на оси координат и определить таким образом скорости $$ {v}_{x}$$ и $$ {x}_{y}$$ изменения координат тела (рис. 4). В самом деле $$ {v}_{x}$$  и $$ {v}_{y}$$ будут равны значениям, к которым стремятся соответственно отношения `Delta x//Delta t` и `Delta y//Delta t` при стремлении к нулю промежутка времени `Delta t`.

Аналогично с помощью проецирования вектора $$ \overrightarrow{a}$$ определяются ускорения $$ {a}_{x}$$ и $$ {a}_{y}$$ тела по направлениям координатных осей.2)`, а его направление может быть задано углом между этим вектором и любой осью координат. Так, угол $$ \alpha $$ между вектором $$ \overrightarrow{v}$$ и осью `Ox` определяется отношением `»tg»alpha=v_y//v_x`. Аналогичными формулами определяются модуль и направление вектора $$ \overrightarrow{a}$$.
Обратная задача – нахождение скорости и зависимостей $$ x\left(t\right)$$ и $$ y\left(t\right)$$ по заданному ускорению – будет иметь однозначное решение, если кроме ускорения заданы ещё и начальные условия: проекции скорости и координаты точки в начальный момент времени $$ t=0$$.

3. Естественный (или траекторный) способ.

Этот способ применяют тогда, когда траектория материальной точки известна заранее. На заданной траектории `LM` (рис. 5) выбирают начало отсчёта – неподвижную точку `O`, а положение движущейся материальной точки `A` определяют при помощи так называемой дуговой координаты `l`, которая представляет собой расстояние вдоль траектории от выбранного начала отсчёта `O` до точки `A`. При этом положительное направление отсчёта координаты `l` выбирают произвольно, по соображениям удобства, например так, как показано стрелкой на рис. 5.

Движение тела определено, если известны его траектория, начало отсчёта `O`, положительное направление отсчёта дуговой координаты `l` и зависимость $$ l\left(t\right)$$.

Следующие два важных механических понятия – это пройденный путь и средняя путевая скорость.
По определению, путь `Delta S` — это длина участка траектории, пройденного телом за промежуток времени `Delta t`.

Ясно, что пройденный путь – величина скалярная и неотрицательная, а потому его нельзя сравнивать с перемещением `Delta vec r`, представляющим собой вектор. Сравнивать можно только путь `Delta S` и модуль перемещения `
|Delta vecr|`. Очевидно, что `Delta S >=|Deltavec r|`.

Средней путевой скоростью `v_»cp»` тела называют отношение пути `Delta S` к промежутку времени `Delta t`, в течение которого этот путь был пройден:  

`v_»cp»=(Delta S)/(Delta t)`                                                                        (3)

Определённая ранее средняя скорость `v_»cp»` (см. формулу (1)) и средняя путевая   скорость отличаются друг от друга так же, как `Deltavec r` отличается от `Delta S`, но при этом важно понимать, что обе средние скорости имеют смысл только тогда, когда указан промежуток времени усреднения `Delta t`. Само слово «средняя» означает усреднение по времени.

Городской троллейбус утром вышел на маршрут, а через 8часов, проехав в общей сложности `72` км, возвратился в парк и занял своё обычное место на стоянке. Какова средняя скорость `vec v_»cp»` и средняя путевая скорость `v_»cp»` троллейбуса?

Поскольку начальное и конечное положения троллейбуса совпадают, то его перемещение `Delta vecr` равно нулю: `Deltavecr=0`, следовательно, `vecv_»ср»=Deltavecr//Deltat=0` и `|vecv_»ср»|=0`. Но средняя путевая скорость троллейбуса не равна нулю:

`v_»cp»=(Delta S)/(Delta t)=(72 «км»)/(8 «ч»)=9 «км»//»ч»`.

ЦОКО Карелия — ГАУ Республики Карелия «Центр оценки качества образования»

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ РЕСПУБЛИКИ КАРЕЛИЯ «ЦЕНТР ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОБРАЗОВАНИЯ» (ГАУ РК «ЦОКО») уважает ваше право на конфиденциальность и защищает от постороннего доступа персональную информацию, предоставляемую пользователями. В настоящем документе излагается порядок сбора и хранения вашей персональной информации, необходимой для предоставления запрашиваемых вами услуг, или в случае, когда вы сами решили предоставить персональную информацию с любой другой целью. В нем также описывается, как на веб-сайте ГАУ РК «ЦОКО» используются cookies.

Сбор информации

Когда вы просматриваете веб-сайт ГАУ РК «ЦОКО», Вы делаете это анонимно, за исключением тех случаев, когда вы осуществляете вход в свою учетную запись на сайте ГАУ РК «ЦОКО». ГАУ РК «ЦОКО» не собирает персональные данные автоматически, включая ваш адрес электронной почты. Как и многие другие веб-сайты, сайт ГАУ РК «ЦОКО» может использовать стандартные технологии, например, cookies и прочие средства языка HTML, чтобы собирать информацию об использовании сайта, отслеживать открытие материалов и переходы по ссылкам из материалов. ГАУ РК «ЦОКО» может отслеживать клиентские IP-адреса. IP-адрес не связан ни с какой персональной информацией, за исключением тех случаев, когда пользователь входит в свою учетную запись на сайте ГАУ РК «ЦОКО». Если вы вошли в свою учетную запись, ГАУ РК «ЦОКО» может собирать информацию о ресурсах, которые вы посещаете на веб-сайте. Персональные данные означают любую информацию, которая может быть использована, чтобы установить личность пользователя, включая (но не ограничиваясь ими) имя, фамилию, адрес электронной почты и почтовый адрес. ГАУ РК «ЦОКО» собирает персональные данные в случае, если пользователь регистрирует учетную запись на сайте ГАУ РК «ЦОКО», заполняет регистрационную контактную форму, подписывается на почтовую рассылку, использует обратную связь или участвует в интерактивных опросах. ГАУ РК «ЦОКО» использует данную информацию лишь в том случае, если она была собрана в соответствии с допустимой практикой сохранения конфиденциальности и существующим законодательством.

Использование информации

ГАУ РК «ЦОКО» использует собираемую с веб-сайта информацию, чтобы выполнять запросы пользователей по поводу услуг и информации, персонализировать посещение пользователями веб-сайта, держать их в курсе по поводу ноовых услуг, приложений, обновлений и специальных предложений, а также, чтобы лучше понять, что необходимо пользователям и обеспечить более высокое качество услуг.

Передача и раскрытие информации третьим лицам

Ваша персональная информация никогда не распространяется за пределы ГАУ РК «ЦОКО» без вашего согласия за исключением следующих случаев:

• Если передача информации необходима для того, чтобы обеспечить вас запрошенными продуктами или услугами;
• Если передача информации предусмотрена совместной услугой, или мы хотим сообщить пользовательские данные одному из наших партнеров;
• С целью держать пользователя в курсе о последних новостях, специальных предложениях, или иной информации, которую, по нашему мнению, вы бы желали получать от ГАУ РК «ЦОКО», за исключением тех случаев, когда вы отказались от получения подобной информации;
• Если это необходимо в связи с законодательством или в случае срочной необходимости для защиты сайта ГАУ РК «ЦОКО» или для обеспечения пользования сайтом в соответствии с установленными правилами.

Защита информации

Ваша учетная запись на сайте ГАУ РК «ЦОКО» защищена паролем. В компании персональные данные хранятся на серверах, находящихся под контролем и с ограниченным доступом на территории РФ. Хотя ГАУ РК «ЦОКО» прилагает усилия для защиты персональных данных, она не может гарантировать безопасность пересылаемых вами данных. Мы призываем вас использовать все меры предосторожности для защиты персональных данных, например, использовать защищенный браузер, использовать стойкие к подбору пароли и часто их менять.

Возможности пользователя по доступу, обновлению и удалению персональных данных

Если вы зарегистрированы на веб-сайте ГАУ РК «ЦОКО», вы можете войти в учетную запись, чтобы просмотреть и изменить свои персональные данные. Вы также можете удалить свою учетную запись, выполнив процедуру отказа от регистрации. Если вы отказываетесь от регистрации своей учетной записи, компания оставляет часть персональных данных с целью разрешения споров, технических проблем, выполнения правил пользования сайтом, обеспечения вашего права отказаться от рассылки, предотвращения мошенничества и соответствия требованиям законодательства.

Cookies

На веб-сайтах ГАУ РК «ЦОКО» используются файлы cookies. В данном разделе вы получите более подробную информацию о том, с какими cookies вы можете столкнуться при посещении веб-сайта ГАУ РК «ЦОКО» и как ими управлять.

Что такое Cookie?
Cookies – это текстовые файлы, содержащие небольшое количество информации, которые сохраняются на жестком диске вашего компьютера при посещении веб-сайтов. При каждом последующем визите cookies пересылаются обратно на сайт-источник, или на тот веб-сайт, который их распознает. Они полезны, поскольку позволяют веб-сайту распознавать устройство, используемое пользователем. Вы можете получить больше информации о cookies на: www.allaboutcookies.org. Cookies выполняют много функций, например, они позволяют вам эффективно перемещаться между страницами, запоминают ваши предпочтения, и в целом улучшают пользовательский опыт. Они также позволяют убедиться, что реклама, которую вы видите онлайн, соответствуют вашим потребностям и интересам.

Категория 1: строго необходимые Cookies
Эти cookies необходимы для просмотра наших веб-сайтов и использования их функций, например, доступа на защищенные страницы веб-сайта. Без данных cookies невозможно обеспечить работу запрашиваемых вами сервисов.

Категория 2: рабочие Cookies
Эти cookies собирают информацию о том, как посетители используют наши веб-сайты, например, о том, какие страницы они наиболее часто посещают и получают ли они сообщения об ошибках при посещении веб-страниц. Эти cookies не собирают информацию, идентифицирующую пользователей. Вся информация, собранная ими, предназначена для статистических данных и остается анонимной. Данные cookies используются только для улучшения работы веб-сайтов компании ГАУ РК «ЦОКО».

Категория 3: функциональные Cookies
Эти cookies позволяют веб-сайту ГАУ РК «ЦОКО» запомнить сделанный вами выбор (например, ваше имя пользователя, язык или регион) и предоставлять вам усовершенствованные персонифицированные возможности. Например, веб-сайт может предоставить вам информацию об услуге, записывая в cookie регион, в котором вы сейчас находитесь. Данные cookies также можно использовать для запоминания вносимых вами изменений в настраиваемые параметры отображения страниц, таких как размер, шрифт текста и другие. Они также могут использоваться для предоставления запрашиваемых вами услуг, таких как просмотр видео или оставление комментария в блоге. Информация, собираемая данными cookies, может быть анонимной; они не могут отслеживать посещение вами других веб-сайтов.

Категория 4: Cookies адресной доставки рекламы
Мы не размещаем на своем сайте рекламу других лиц. Однако, мы рекламируем свои услуги на наших веб-сайтах, также вы можете увидеть нашу рекламу в других местах в Интернете. Сookies, которые мы используем для предоставления вам рекламной продукции могут основываться на том, какой контент вы наиболее часто посещаете на наших веб-сайтах, таким образом, мы можем сообщить вам о тех продуктах и услугах, которые, на наш взгляд, будут вам наиболее интересны. Cookies сообщают нам где вы увидели рекламу; помогают нам оценить эффективность наших рекламных кампаний; ограничивают количество просмотров вами рекламы. Для мониторинга своей рекламы и поисковых опций мы используем сервис Яндекс.Метрика. Мы также предоставляем ссылки на социальные сети, такие как Вконтакте, которые в свою очередь могут использовать информацию о вашем посещении для адресной рекламы на их собственных веб-сайтах. ГАУ РК «ЦОКО» не контролирует деятельность подобных сайтов и не несет ответственность за данные cookies, поэтому вам следует ознакомиться с политикой конфиденциальности и использования cookies третьими лицами для более полной информации.

Отключение Cookies
Веб-сайты ГАУ РК «ЦОКО» оптимально работают с включенными cookies. Однако, если вы хотите отключить cookies, это можно сделать изменив настройки браузера. Для получения инструкций по изменению настроек cookies, выберите ваш браузер:

Ссылки на другие веб-сайты

Веб-сайт ГАУ РК «ЦОКО» содержит ссылки на другие веб-сайты. ГАУ РК «ЦОКО» не несет ответственности за соблюдение норм конфиденциальности на веб-сайтах других компаний. ГАУ РК «ЦОКО» советует вам изучить политику конфиденциальности других веб-сайтов до того, как вы решите оставить на них свою персональную информацию.

Изменения данной политики конфиденциальности

ГАУ РК «ЦОКО» время от времени совершенствует и вносит поправки в свою политику конфиденциальности. Если ГАУ РК «ЦОКО» сочтет необходимым внести существенные изменения, касающиеся использования вашей персональной информации, она опубликует об этом объявление на своей домашней странице.

Дальнейшая информация, вопросы и предложения

Если у вас есть вопросы или сомнения по поводу того, какую информацию ГАУ РК «ЦОКО» собирает на своем веб-сайте и как данная информация используется, пожалуйста, пишите по данному электронному адресу: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.. Данный документ в последний раз обновлялся в октябре 2017 года.

ТЗ-1. Внутренняя энергия

1. Скорость движения молекул любого тела связана с его температурой. Можно ли считать тепловым движение какой-либо одной молекулы тела?

Тепловое движение — процесс хаотичного движения частиц, образующих вещество, значит движение молекул можно считать тепловым.

2. а) Изменяется ли внутренняя энергия при деформации тела? при изменении температуры тела? при подъеме тела над землей?
б) При деформации тела изменилось только взаимное расположение молекул. Изменилась ли при этом температура тела?

а) при деформации тела — да; при изменении температуры — да; при подъеме тела — нет; б) температура тела изменится, так как происходит взаимодействие между молекулами.

3. а) Одинакова ли внутренняя энергия одной и той же массы холодной и горячей воды? Почему?
б) Вода и водяной пар, имея равную температуру, например 100 °С, отличаются расположением молекул. Одинакова ли внутренняя энергия пара и воды? Почему?

а) нет, внутренняя энергия горячей воды больше, так как температура выше, соответственно молекулы движутся быстрее и чаще взаимодействуют;
б) внутренняя энергия воды больше, так как молекулы расположены ближе друг к другу и, соответственно, чаще взаимодействуют.

4. В одинаковых сосудах находится газ равной массы, но раз-ной температуры (рис. 1). В каком из сосудов газ обладает большей внутренней энергией? Какая часть внутренней энергии — энергия движения частиц или энергия их взаимодействия — играет главную роль при сравнении?

В сосуде 2 газ обладает большей внутренней энергией, так как температура в нем в 2 раза выше. Главную роль при сравнении в данном случае играет энергия движения частиц.

5. Увеличивается ли внутренняя энергия тел в следующих случаях:
а) при трении корпуса движущегося самолета о воздух;
б) при обработке заготовки на токарном станке;
в) при соприкосновении холодного воздуха с нагретым предметом?

Внутренняя энергия тел увеличивается в случае а) и б), так как в обоих случаях над телом совершается работа. В случае в) внутренняя энергия предмета не увеличивается.

6. В двух одинаковых сосудах при одной и той же температуре заключены равные массы газа (рис. 2). В каком из сосудов газ обладает большей внутренней энергией? Почему?

В сосуде I газ обладает большей внутренней энергией, так как молекулы расположены ближе друг к другу, следовательно, взаимодействие между ними происходит чаще.

7. а) Если в сугроб вылить в одном месте ведро теплой воды, а в другом — стакан кипятку, то в каком случае растает больше снега и почему?
б) Из баллона откачивают воздух. Как будет меняться при этом внутренняя энергия оставшейся в баллоне части воздуха? Почему?

а) там, где вылили 1 ведро, так как площадь взаимодействия со снегом больше,
б) внутренняя энергия оставшейся в баллоне части воздуха будет уменьшаться, так как уменьшается взаимодействие молекул.

8. Почему иногда крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает, а иногда — нет?

При кипении часть воды переходит в пар и собирается в верхней части чайника, давление пара увеличивается, и крышка чайника подпрыгивает. Если же вода в чайнике налита так, что отверстие носика незакрыто, то пар выходит через носик чайника и крышка не прыгает.

9. Как можно отогреть озябшие руки, не используя нагретых предметов или теплых перчаток?

Трением ладошек друг о друга, так как в результате этого внутренняя энергия ладошек увеличивается

10. Почему после сильного шторма вода в море становится теплее?

После сильного шторма вода в море становится теплее, т.к. во время шторма происходило трение между слоями воды, увеличивалась их внутренняя энергия, и, соответственно, температура.

11. Для резки стали используют фрикционную пилу (диск без зубьев). Вращаясь с большой скоростью, такой диск режет металл. Объясните этот процесс.

При вращении с большой скоростью между диском и металлом возникает большая сила трения, увеличивается внутренняя энергия, и, соответственно, температура, поэтому в месте соприкосновения с диском металл плавится и таким образом разрезается.

12. Почему при вхождении в плотные слои атмосферы большинство метеоритов сгорает?

Скорость метеоритов, входящих в плотные слои атмосферы, настолько велика, что при трении о слои атмосферы метеориты нагреваются так сильно, что начинают оплавляться, гореть и испаряться

13. Объясните, почему происходит изменение внутренней энергии: а) при нагревании воды в кастрюле; б) при сжатии и расширении воздуха; в) при таянии льда; г) при сжатии и растяжении резины.

а) за счет теплопередачи; б) при сжатии внутренняя энергия увеличивается за счет совершения работы над системой; при расширении работу совершает сама система — внутренняя энергия уменьшается; в) при таянии льда внутренняя энергия увеличивается за счет излучения или теплопроводности; г) при сжатии или растяжении резины внутренняя энергия увеличивается за счет совершения работы над телом.

14. В каком месте водопада температура воды выше?

Температура воды выше в нижней части водопада. Так как по закону сохранения энергии потенциальная энергия падающей воды преобразуется в кинетическую и внутреннюю, соответственно внутренняя энергия увеличивается, значит увеличивается и температура воды.

15. а) Почему выскакивают искры при ударе кремня о сталь? б) Почему от вращающегося точильного камня летят искры, если прижать к нему кусок стали?

а) При ударе кремня о сталь выскакивают искры, т.к. между ними возникает сила трения, температура увеличивается, разогретые мелкие частички кремния разлетаются, образуя искры,
б) Если прижать к вращающемуся точильному камню кусок стали, то между ними возникнет большая сила трения, температура увеличится, и разогретые мелкие частицы стали разлетаются, образуя искры.

Набор вопросов 10

Набор вопросов 10

1 . Количество, показывающее, насколько тепло или холодно тело.
относительно некоторого стандартного кузова называется

А) тепло.
Б) внутренняя энергия.
C) температура.
Г) молекулярная кинетическая энергия.

2. Внутренняя энергия, передаваемая от одного
кузов на другой из-за разницы температур называется

А) тепло.
Б) потенциальная энергия.
В) температура.
Г) молекулярная кинетическая энергия.

3. Температура является мерой

А) потенциальная энергия молекул
Б) количество тепла в теле
В) средняя кинетическая энергия молекул
D) полная энергия всех молекул в теле

4. Емкость с газообразным водородом имеет ту же температуру.
как контейнер с более плотным газообразным кислородом.Атомы газа, имеющие
более высокая средняя кинетическая энергия у

А) водород,
Б) кислород,
В) то же самое,

Обоснование: Поскольку они имеют одинаковую температуру,
их средние кинетические энергии должны быть одинаковыми.

5. в то время как атомы газа, имеющие большую среднюю скорость

А) водород.
Б) кислород.
В) оба одинаковые.

Рассуждение: Атомы водорода имеют меньшие размеры.
масса, чем кислород. Таким образом, их скорости должны быть выше, чтобы производить то же самое.
средние кинетические энергии.

6. Что из следующего расширяется больше всего при повышении температуры?

А) утюг
Б) ледяная вода
В) гелий
Г) все расширяют одинаковые

Рассуждение: Гелий расширяется больше, потому что
это газ.

7. Что из следующего больше всего расширяется при повышении температуры
уменьшается?

A) железо
B) ледяная вода
В) гелий
Г) все расширяют одинаковые

Рассуждение: Обычно, когда объекты
Охлажденные, они сжимаются, однако ледяная вода является исключением. Он будет расширяться как
он охлаждается и замерзает до большего объема.

8. Разница температур льда и пара
точек воды

A) 180 oC
B) 100 K
В) 100 ° F
D) 273 oC

Рассуждение: Вода имеет температуру точки замерзания.
273 К (означает шкалу Кельвина), а температура кипения 373 К.
составляет 100 К.

9. При понижении температуры 2,0 кг воды
на 10 ° C количество отведенного тепла составит

A) 10 ккал
B) 20 ккал
C) 20 кал
D) 10 кал

10. Когда образец воздуха сжимается, его температура

A) увеличивается.
Б) уменьшается.
C) остается без изменений.

11. Одна из причин этого заключается в том, что молекула газа в
сжатый воздух сталкивается с другими, которые в среднем составляют

А) движущиеся.
Б) расширяющийся.
В) отступление.
D) приближается.

12. У кого больше всего тепловой энергии?

А) кубик льда объемом 1 куб. Дюйм
Б) чайник объемом 1 литр, полный кипятка
В) ванна, наполненная 20 галлонами теплой воды

Рассуждение: Тепловая энергия — это сумма
всех внутренних энергий объекта. В ванне больше молекул
ванна и сумма их энергий больше, чем чайник.

13. Направление передачи тепла между
два тела зависит от

A) их температуры
Б) их давления
В) их тепловая энергия
D) твердые, жидкие или газообразные

14. Когда вода нагревается до 4oC, она расширяется. Когда вода
при 4oC охлаждается, это

A) контрактов,
B) расширений,
C) ни сжимается, ни расширяется,
D)… недостаточно информации дано.

15. что следует из того, что

A) охлаждение снижает кинетическую энергию молекул h3O.
B) вода имеет максимальную плотность при 4oC.
В) мы не знаем, как вода охлаждается.

Рассуждение: См. Стр. 300.

16. Почему пар при 100 ° C опаснее воды
при 100 oC?

A) пар более горячий
B) пар имеет больше внутренней энергии на грамм
C) пар имеет более высокую удельную теплоемкость, чем вода
Г) пар имеет меньшую вязкость

17. В процессе испарения

A) более тяжелые атомы наиболее склонны покидать жидкость,
Б) есть чистый выигрыш в количестве атомов в жидкости,

В) энергия поглощается жидкостью,
D) все это,
E) ни одно из этих

18. Когда молекула сталкивается с другой, приближающейся
с большим импульсом, его скорость отскока

A) остается прежним,
B) увеличивается,
В) убавки,

19. И когда одна молекула сталкивается с другой,
отступая, его скорость отскока

A) остается прежним.
Б) увеличивается.
C) убавляется.

20. Требуется больше тепла для повышения температуры
из 5 граммов льда или 5 граммов воды при температуре 6 oC?

A) лед
B) вода
C) ….. требуется одинаковое количество тепла в обоих случаях

21. Сколько джоулей эквивалентно 21 калории?

А) 4,18
Б) 17
В) 25
Г) 88

Рассуждение: Одна кал = 4,18 джоуля. Таким образом,
21 кал = 21 х 4,18 = 88 джоулей.

22. При условии, что в каждом случае погонная энергия одинакова,
кипение происходит быстрее

A) на уровне моря.
Б) в долине.
C) в горах.

23. Это потому, что

А) повышенное давление на поверхность жидкости снижает ее
точка кипения.
B) пониженное давление на поверхности жидкости снижает ее кипение
точка.
В) вода всегда закипает быстрее всего на уровне моря.

24. Когда твердое вещество превращается в жидкость, а затем в газ,
энергия

A) освобождено,
B) поглощено,

25. И когда газ превращается в жидкость, а затем в твердое вещество,
энергия

A) освобожден.
Б) впитывается.

Эксперимент 10: Калориметрия и скрытая теплота

Эксперимент 10: калориметрия и скрытая теплота

Калориметрия и скрытая теплота

1. Эксперименты по смешиванию

В этом эксперименте мы будем строить отношения,

где Q — количество тепла, переданное системе, m — масса системы, а DT — изменение ее температуры.c — постоянная характеристика вещества. (Поскольку сегодня вода будет составлять основу всей работы, нам не обязательно указывать значение c; оно всегда отменяется.)

Уравнение (1) применимо независимо от того, повышается или понижается температура. Если температура повышается, процесс представляет собой поток тепла в воду ; если температура снижается, процесс представляет собой отвод тепла от воды.

Допустим, мы смешиваем вместе горячую воду (температура T _{горячая} ) и холодная вода (температура T _{холодная} ).В конечном итоге вода достигает равновесия при конечной температуре T _final , между T _{горячей} и T _{холодной} . Здесь необходимо исследовать закон сохранения: соответствует ли тепло, выходящее из горячего тела, теплу, которое втекает в холодное тело?

Тепло, которое попадает в холодную воду, равно

Тепло, которое уходит из горячей воды,

м _{горячий} и м _{холодный} — это массы.

Налейте 150 мл воды в один стакан и такой же объем воды во второй стакан. Нагрейте один стакан до температуры от 70 до 80 градусов. Запишите температуру обоих, а затем смешайте их в стакане из пенополистирола. Осторожно перемешайте в течение нескольких секунд, а затем определите конечную температуру.

Учитывая, что два количества воды имеют одинаковый объем и одинаковую массу, какова, по вашему мнению, будет конечная температура? Насколько близко ваше измерение к этому значению? Рассчитайте величины Q _{холодный} и Q _{горячий} из (2) и (3) выше, оставив c в качестве коэффициента).Насколько они близки? Найдите разницу в процентах.

Теперь повторите эксперимент, используя 200 мл холодной воды и 100 мл горячей воды. Глядя на ваши значения T _{горячий} и T _{холодный} , какой будет ваша оценка конечной температуры после смешивания? Снова вычислите Q _{холодный} и Q _{горячий} по формулам. (2) и (3) и найдите разницу в процентах.

Если кажется, что время есть (от 45 минут до часа для части 2 ниже), попробуйте эксперимент с 200 мл горячей воды и 100 мл холодной воды.

2. Смена фазы

Уравнение (1), в котором говорится, что температура увеличивается, когда в систему добавляется тепло, резко выходит из строя, когда система достигает температуры, при которой она меняет фазу. Кипящая вода и тающий лед — самые известные примеры. Когда температура воды достигает точки кипения, продолжение нагревания не приводит к повышению температуры. Температура воды составляет 100 градусов, поскольку вода превращается в пар. Теплота, необходимая для кипячения определенного количества жидкости, пропорциональна массе кипящей жидкости:

где L называется скрытой теплотой кипения .

В этом эксперименте мы нагреем воду от комнатной температуры до кипения, измерим время и температуру, а затем дадим ей закипеть в течение известного времени. Мы измерим массу, которая закипает, а затем сравним тепло, необходимое для повышения температуры, с теплотой, необходимой для кипения.

Нам потребуется известная масса воды, поэтому взвесьте пустой стакан, а затем взвесьте его примерно с 200 мл воды. Установите горелку Бунзена, как в предыдущем эксперименте, и позвольте положению пламени оставаться неизменным во время эксперимента.Начните нагрев, включите часы и записывайте время и температуру каждую минуту.

Внимательно отметьте и запишите время начала кипения. Это произойдет тогда, когда вы начнете видеть образование маленьких пузырьков. (В этот момент термометр может показывать на несколько градусов ниже 100 90 462 o 90 463 C., возможно, из-за неравномерного распределения температуры.) Продолжайте нагревание в течение 8 или 10 минут. Снимите химический стакан с пламени ( записывает время, , которое вы делаете), дайте ему остыть в течение 2 или 3 минут и взвесьте его (чтобы найти массу закипевшей воды).

По имеющимся у вас показаниям весов рассчитайте

• масса воды, подвергшейся повышению температуры (м _подъем )
• масса закипевшей воды ( _{м кипения} )

Постройте график зависимости времени от температуры для всего эксперимента. Проведите прямую линию к той части графика, когда температура повышается. Используйте эту строку, чтобы найти, как и в предыдущем эксперименте, время повышения температуры на 40 градусов.(Вы не можете использовать результат предыдущего эксперимента, потому что пламя может быть не таким, как в этом эксперименте.)

Поскольку масса, подвергшаяся повышению температуры, не была такой же, как масса, которая вскипела, мы захотим сравнить кипение с изменением температуры, вычислив следующее соотношение:

Учитывая предположение, что тепло поступает в воду с постоянной скоростью, отношение теплоты равно отношению времен:

По своим данным вычислите числитель и знаменатель этого отношения и разделите. Принятое значение этого коэффициента — 540.

3. Скрытое тепло и энергия

Поскольку подача тепла может изменить фазу системы, это изменение представляет собой увеличение внутренней энергии системы. Подобно тому, как молекулы в 50 ^o воды имеют в среднем больше энергии, чем молекулы в 20 ^o воды, молекулы пара в 100 ^o имеют в среднем больше энергии, чем молекулы в жидкой воде при 100 ^или . В случае жидкости молекулы расположены близко друг к другу и подвержены силам притяжения.Это означает, что у них меньше энергии, чем когда они разделены (как в паре или других газах) и летают в космосе с большой кинетической энергией.

Энтропия

Энтропия

1. имеет то же значение
независимо от пути, если путь обратимый

2. — точное
дифференциал некоторой функции, идентичной энтропии

3.

4. для реверсивного
только процесс

1.
Энтропия — это функция состояния. Изменение энтропии определяется ее
только начальное и конечное состояния

2.
При анализе необратимого процесса нет необходимости проводить прямой
анализ реального обратимого процесса.

Заменитель фактический
процесс воображаемым обратимым процессом.Изменение энтропии для мнимой
обратимый процесс такой же, как и необратимый процесс между заданными
конечное и начальное состояния.

(а) Поглощение
энергия из резервуара постоянной температуры

Энергию можно добавлять обратимо или
безвозвратно в виде тепла или при выполнении работы.

Пример : —

Содержимое большого
резервуар с постоянной температурой, поддерживаемый на уровне 500 К, непрерывно перемешивают
лопастное колесо с приводом от электродвигателя.Оцените изменение энтропии
резервуар, если лопастное колесо работает в течение двух часов от двигателя мощностью 250 Вт.

Лопастное колесо переделано
во внутреннюю энергию — необратимый процесс. Представьте себе обратимый процесс с
идентичное добавление энергии

(б) Отопление или охлаждение
материи

для постоянного объема
отопление

для постоянного давления
отопление

, для постоянного
давление

, для постоянного
объем процесса

Пример : —

Вычислить энтропию
измените, если 1 кг воды при 30 ⁰ C нагреется до 80 ⁰ C при 1
бар давление.Удельная теплоемкость воды составляет 4,2 кДж / кг-K

.

(c) Фаза
изменение при постоянной температуре и давлении

Пример: —

Лед тает при 0 ⁰ C
со скрытой теплотой плавления = 339.92 кДж / кг. Вода закипает при атмосферном давлении
при 100 ⁰ C с h _fg = 2257 кДж / кг.

(г) Адиабатический
смешивание

Пример: —

Кусок стали
массой 30 кг при 427 ⁰ ° C падает в 100 кг масла при 27 ⁰ ° C.
удельная теплоемкость стали и масла 0.5 кДж / кг-К и 3,0 кДж / кг-К соответственно.
Рассчитайте изменение энтропии стали, нефти и вселенной.

T = окончательный
равновесная температура.

или T = 319K

Tds отношений

Из определения энтропии,

dQ = Tds

dW = PdV

Следовательно,

TdS = dU + PdV

Или, Tds = du + Pdv

Это известно как первое
Tds or, Уравнение Гиббса .

h = u + Pv dh = du + vdP

Следовательно, Tds = dh vdP

ds = (du / T) + (Pdv / T)

ds = (dh / T) (vdP / T)

Изменение состояния для идеального газа

Если идеальный газ подвергается
изменить с P ₁ , v ₁ , T ₁ на P ₂ , v ₂ ,
T ₂ изменение энтропии можно рассчитать, разработав обратимый
путь, соединяющий два заданных состояния.

Рассмотрим два пути по
который газ может быть взят из начального состояния, 1, в конечное состояние, 2.

Газ в состоянии 1 нагрет
при постоянном давлении до достижения температуры T ₂ , а затем
обратимо и изотермически доводится до конечного давления P ₂ .

Путь 1-а: реверсивный,
процесс постоянного давления.

Путь а-2: обратимый,
изотермический путь

D s _1-a = dq / T = C _p dT / T = C _p
ln (Т ₂ / Т ₁ )

D с _a-2 = dq / T = (du + Pdv) / T = (Pdv) / T = Rln (v ₂ / v _а )

(Поскольку du = 0 для
изотермический процесс)

Начиная с P ₂ v ₂
= P _a v _a = P ₁ v _a

Или, v ₂ / v _a = P ₁ / P ₂

Или, D s _a-2 = -Rln (P ₂ / P ₁ )

Следовательно, D s ₌ D s _1-a + D s _a-2

= C _p ln (T ₂ / T ₁ )
Rln (п ₂ / п ₁ )

Путь 1-b-2: Газ
первоначально в состоянии 1 нагревается при постоянном объеме до конечной температуры T ₂
а затем обратимо и изотермически изменяется до конечного давления P ₂ .

1-б: реверсивный, постоянный
объем процесса

б-2: реверсивный, изотермический
процесс

D s _1-b = C _v
ln (Т ₂ / Т ₁ )

D s _b-2 = Rln (v ₂ / v ₁ )

или, D s _{= C v
ln (T 2 / T 1 ) + Rln (v 2 / v 1 )}

Приведенное выше уравнение для

DS также можно вывести следующим образом
манера:

ds = (dq / T) _R = (du + Pdv) / T = (dh vdP) / T

или,

Heat vs temperature — Energy Education

Heat и temperature — это тесно связанные темы, и поэтому разница между ними может немного сбивать с толку.Основное отличие состоит в том, что тепло связано с тепловой энергией, тогда как температура больше связана с молекулярной кинетической энергией.

Тепло — это передача тепловой энергии, а температура — это свойство объекта. ^[1]

В чем разница?

Heat описывает передачу тепловой энергии между молекулами внутри системы и измеряется в Джоулях. ^[2] Тепло определяет, как энергия движется или течет. Объект может нагреваться или терять тепло, но не может иметь тепла.Тепло — это мера изменения, а не свойство объекта или системы. Поэтому он классифицируется как переменная процесса.

Температура описывает средней кинетической энергии молекул в материале или системе и измеряется в градусах Цельсия (° C), Кельвина (K), Фаренгейта (° F) или Ранкина (R). Это измеримое физическое свойство объекта, также известное как переменная состояния. Другие измеримые физические свойства включают скорость, массу и плотность, и это лишь некоторые из них. ^[3]

Сходства

Тепло — это передача тепловой энергии, вызванная разницей в температур между молекулами.

Примечание:

Термическую энергию можно иначе понимать как полную микроскопическую кинетическую и потенциальную энергию системы.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики — сложная тема, требующая интенсивного изучения в области термодинамики, чтобы по-настоящему понять.Однако для целей этой статьи необходимо понять только один небольшой аспект, а именно тот факт, что тепло всегда будет спонтанно перетекать от более горячих веществ к более холодным . Это простое утверждение объясняет, почему кубик льда не образуется на улице в жаркий день или почему он тает, если бросить его в миску с теплой водой.

Мысленный эксперимент

Представьте себе вышеупомянутый кубик льда, брошенный в миску с теплой водой — лед должен получать тепло (тепловую энергию) от воды в миске (см. Предыдущий параграф).Добавление тепловой энергии приводит к увеличению кинетической энергии молекулы льда и, следовательно, к повышению температуры. Это известно, потому что температура фактически является мерой средней кинетической энергии молекул. Кроме того, лед будет продолжать накапливать тепловую энергию, заставляя его молекулы двигаться быстрее и в конечном итоге разрывать свои межмолекулярные связи или таять.

В заключение, передача тепла или тепловой энергии обычно изменяет температуру вещества, , но не всегда ! Например, в момент, когда лед в чаше превращается в воду, эти молекулы воды будут иметь ту же температуру, что и когда они были льдом.В этом случае вместо тепловой энергии, выполняющей работу по увеличению кинетической энергии, она действительно работает, чтобы разорвать межмолекулярные связи, вызывая изменение состояния. Однако с течением времени температура недавно растаявшего льда будет увеличиваться, пока все в чаше не достигнет равновесия, что означает постоянную температуру повсюду.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ Это было сделано внутри группы специалистов по энергетическому образованию.
2. ↑ Р.Рыцарь, Физика для ученых и инженеров, 3-е изд. Пирсон, 2013, стр. 279
3. ↑ Р. Найт, Физика для ученых и инженеров, 3-е изд. Пирсон, 2013, стр. 445

Нагрев против температуры: в чем сходство и различие? (w / Graph)

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор GAYLE TOWELL

Люди иногда используют термины тепло и температура как синонимы. Они связывают тепло со словом hot и понимают, что температура также связана с «жаркостью» или «холодом» чего-либо.Возможно, они скажут, что температура в весенний день кажется подходящей, потому что это как раз нужное количество тепла.

Однако в физике эти две величины сильно отличаются друг от друга. Они не являются мерой одного и того же, и у них разные единицы измерения, хотя они оба могут дать вам представление о тепловых свойствах.

Внутренняя энергия

Чтобы понять тепло и температуру на фундаментальном уровне, сначала важно понять концепцию внутренней энергии.Хотя вы, возможно, знакомы с объектами, обладающими кинетической энергией из-за своего движения или потенциальной энергией из-за своего положения внутри данного объекта, сами молекулы также могут иметь форму кинетической и потенциальной энергии.

Эта молекулярная кинетическая и потенциальная энергия отделены от того, что вы можете увидеть, глядя, скажем, на кирпич. Кирпич, лежащий на земле, кажется неподвижным, и вы можете предположить, что с ним не связана кинетическая или потенциальная энергия. И действительно, это не в том смысле, в котором вы понимаете основную механику.

Но сам кирпич состоит из множества молекул, которые по отдельности претерпевают различные типы небольших движений, которые вы не видите. Молекулы также могут испытывать потенциальную энергию из-за их близости к другим молекулам и сил, действующих между ними. Полная внутренняя энергия этого кирпича складывается из кинетической и потенциальной энергий самих молекул.

Как вы, наверное, уже знаете, энергия сохраняется. В том случае, если на объект не действуют силы трения или диссипации, механическая энергия также сохраняется.То есть кинетическая энергия может превращаться в потенциальную и наоборот, но общая остается постоянной. Однако когда действует сила, подобная трению, вы можете заметить, что общая механическая энергия уменьшается. Это потому, что энергия принимала другие формы, такие как энергия звука или тепловая энергия.

Когда вы потираете руки в холодный день, вы превращаете механическую энергию в тепловую. То есть кинетическая энергия ваших рук, движущихся друг относительно друга, изменила форму и стала кинетической энергией молекул в ваших руках по отношению друг к другу.Среднее значение этой кинетической энергии в молекулах в ваших руках — это то, что ученые определяют как температуру.

Определение температуры

Температура — это мера средней кинетической энергии на молекулу в веществе. Обратите внимание, что это не то же самое, что внутренняя энергия вещества, потому что она не включает в себя потенциальную энергию, а также не является мерой полной энергии в веществе. Вместо этого это полная кинетическая энергия, деленная на количество молекул.Таким образом, это зависит не от того, сколько чего-то у вас есть (например, от общей внутренней энергии), а от того, сколько кинетической энергии несет средняя молекула в веществе.

Температуру можно измерять в разных единицах. Среди них — Фаренгейт, который наиболее распространен в США и некоторых других местах. По шкале Фаренгейта вода замерзает при 32 градусах и закипает при 212. Другой распространенной шкалой является шкала Цельсия, которая используется во многих других местах в мире. На этой шкале вода замерзает при 0 градусах и закипает при 100 градусах (что дает довольно четкое представление о том, как была изобретена эта шкала).

Но научным стандартом является шкала Кельвина. В то время как размер приращения шкалы Кельвина такой же, как градус Цельсия, шкала Кельвина начинается с температуры, называемой абсолютным нулем, на которой останавливается все движение молекул. Другими словами, он начинается при максимально низкой температуре.

Нулевой градус Цельсия равен 273,15 по шкале Кельвина. Шкала Кельвина не зря является научным стандартом. Предположим, что температура где-то 0 градусов по Цельсию. Что означало бы сказать, что второй объект в два раза выше температуры? Будет ли этот предмет также иметь температуру 0 по Цельсию? По шкале Кельвина это понятие не вызывает проблем, и именно потому, что оно начинается с абсолютного нуля.

Определение тепла

Рассмотрим два вещества или объекта при разных температурах. Что это значит? Это означает, что в среднем молекулы одного из веществ (более высокотемпературного) движутся с большей средней кинетической энергией, чем молекулы более низкотемпературного вещества.

Если эти два вещества вступают в контакт, что неудивительно, энергия начинает усредняться между веществами по мере того, как происходят микроскопические столкновения.Вещество, которое изначально было при более высокой температуре, будет охлаждаться по мере повышения температуры другого вещества, пока они оба не достигнут одинаковой температуры. Ученые называют это конечное состояние тепловым равновесием .

Тепловая энергия, которая передается от более теплого объекта к более холодному, — это то, что ученые называют теплом. Тепло — это форма энергии, передаваемая между двумя материалами, имеющими разную температуру. Тепло всегда течет от материала с более высокой температурой к материалу с более низкой температурой, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Поскольку тепло — это форма энергии, единицей измерения тепла в системе СИ является джоуль.

Различия между теплом и температурой

Как вы видели из предыдущих определений, тепло и температура на самом деле являются двумя разными физическими измерениями. Это лишь некоторые из их различий:

Они измеряются в разных единицах измерения. Единицей измерения температуры в системе СИ является Кельвин, а единицей измерения тепла в системе СИ — джоуль. Кельвин считается базовой единицей, что означает, что его нельзя разделить на комбинацию других фундаментальных единиц.Джоуль эквивалентен кгм ² / с ² .

Они различаются своей зависимостью от числа молекул. Температура — это мера средней кинетической энергии на молекулу, что означает, что не имеет значения, сколько у вас вещества, когда вы говорите о температуре. Однако количество тепловой энергии, которая может передаваться между веществами, во многом зависит от того, сколько каждого вещества у вас есть.

Это разные типы переменных. Температура — это переменная состояния. То есть он определяет состояние, в котором находится вещество или объект. С другой стороны, тепло — это переменная процесса. Он описывает происходящий процесс — в данном случае передаваемую энергию. Бессмысленно говорить о тепле, когда все находится в равновесии.

Они по разному измеряются. Температура измеряется термометром, который обычно представляет собой устройство, использующее тепловое расширение для изменения показаний шкалы.С другой стороны, тепло измеряется калориметром.

Сходства и взаимосвязь между теплом и температурой.

Однако тепло и температура не совсем не связаны друг с другом:

Они оба являются важными величинами в термодинамике. Изучение тепловой энергии основывается на способности измерять температуру, а также на способности отслеживать теплопередачу.

Передача тепла зависит от разницы температур. Когда два объекта имеют разную температуру, тепловая энергия будет передаваться от более теплого к более холодному, пока не будет достигнуто тепловое равновесие. Таким образом, эти температурные различия являются движущей силой теплопередачи.

Они имеют тенденцию увеличиваться и уменьшаться вместе. Если в систему добавляется тепло, температура повышается. Если тепло отводится от системы, температура понижается. (Одно исключение — фазовые переходы, когда тепловая энергия используется для фазового перехода вместо изменения температуры.)

Они связаны друг с другом уравнением. Тепловая энергия Q связана с изменением температуры ΔT уравнением Q = mcΔT, где м — масса вещества, а c — его удельная теплоемкость. (то есть мера количества тепловой энергии, необходимой для увеличения единицы массы на градус Кельвина для конкретного вещества.)

Тепло, температура и полная внутренняя энергия

Внутренняя энергия — это общая внутренняя кинетическая и потенциальная энергия или тепловая энергия в материале.Для идеального газа, в котором потенциальная энергия между молекулами пренебрежимо мала, внутренняя энергия E определяется формулой E = 3 / 2nRT, где n — количество молей газа и универсальная газовая постоянная. R = 8,3145 Дж / моль К.

Взаимосвязь между внутренней энергией и температурой показывает, что неудивительно, что с увеличением температуры увеличивается тепловая энергия. Внутренняя энергия также становится равной 0 при абсолютном 0 Кельвина.

Тепло становится очевидным, когда вы начинаете смотреть на изменения внутренней энергии.Первый закон термодинамики дает следующее соотношение:

\ Delta E = Q — W

, где Q — тепло, добавляемое системе, а Вт, — работа, выполняемая системой. По сути, это заявление о сохранении энергии. Когда вы добавляете тепловую энергию, внутренняя энергия увеличивается. Если система действительно работает со своим окружением, внутренняя энергия уменьшается.

Температура как функция тепловой энергии

Как упоминалось ранее, тепловая энергия, добавленная к системе, обычно приводит к соответствующему повышению температуры, если в системе не происходит фазового перехода.Чтобы взглянуть на это более внимательно, рассмотрим глыбу льда, которая начинается при температуре ниже точки замерзания, поскольку тепловая энергия добавляется с постоянной скоростью.

Если тепловая энергия добавляется непрерывно, пока ледяная глыба нагревается до замерзания, претерпевает фазовый переход, превращаясь в воду, а затем продолжает нагреваться, пока не достигнет кипения, где он претерпевает еще одно фазовое изменение, чтобы стать паром, график температуры от тепла будет выглядеть следующим образом:

Пока лед ниже точки замерзания, существует линейная зависимость между тепловой энергией и температурой.Это неудивительно, как и должно быть, учитывая уравнение Q = mcΔT. Однако, когда лед достигает температуры замерзания, необходимо использовать любую добавленную тепловую энергию, чтобы помочь ему сменить фазу. Температура остается постоянной, даже если тепло все еще добавляется. Уравнение, которое связывает тепловую энергию с массой во время фазового перехода от твердого тела к жидкости, выглядит следующим образом:

Q = mL_f

, где L _f — скрытая теплота плавления — константа, определяющая количество энергии. требуется на единицу массы, чтобы вызвать изменение твердого состояния в жидкое.

Таким образом, пока не будет добавлено количество тепла, равное мл _f , температура остается постоянной.

Как только лед растает, температура снова линейно повышается, пока не достигнет точки кипения. Здесь снова происходит фазовый переход, на этот раз из жидкости в газ. Уравнение, связывающее тепло с массой во время этого фазового перехода, очень похоже:

, где L _v — скрытая теплота парообразования — константа, определяющая, сколько энергии требуется на единицу массы, чтобы вызвать переход от жидкости к массе. газ.Таким образом, температура снова остается постоянной, пока не будет добавлено достаточно тепловой энергии. Обратите внимание, что на этот раз он остается постоянным дольше. Это потому, что л _v обычно больше, чем л _f для вещества.

Последняя часть графика снова показывает ту же линейную зависимость, что и раньше.

Температура — это не то, что вы думаете

Что такое температура? Этот вопрос возникает довольно часто, особенно во вводных курсах естествознания.Наиболее частый ответ выглядит примерно так:

Температура — это мера средней кинетической энергии частиц в объекте. При повышении температуры движение этих частиц также увеличивается.

Это неплохое определение, но и не самое лучшее. Есть и других безумных вещей о температуре, которые вам, вероятно, следует знать.

Тепловая энергия и температура различаются

Если температура является мерой средней кинетической энергии, не должны ли тепловая энергия и температура быть одним и тем же? Нет.Тепловая энергия — это полная энергия, которую объект получает за счет внутреннего движения его частиц. Температура связана со средней кинетической энергией , а не полной кинетической энергией.

Вот классический пример, который вы можете попробовать дома. Положите кусок холодной пиццы на лист алюминиевой фольги и положите его в духовку, чтобы он нагрелся. Примерно через 10 минут пицца должна стать красивой и горячей — алюминиевая фольга имеет примерно такую ​​же температуру. Вы можете вытащить алюминиевую фольгу пальцами, но не пиццу.Хотя алюминиевая фольга имеет высокую температуру, ее низкая масса означает, что она не обладает большой тепловой энергией. Без большого количества тепловой энергии в фольге ваши пальцы не обожгутся. Имея в виду? Тепловая энергия и температура — разные вещи.

Еще определения температуры?

У вас уже есть одно определение сверху, но я дам вам еще два определения. Первая — историческая версия. Это выглядит так:

Температура — это величина, которую имеют два общих объекта после длительного контакта.

Это определение основано на идее теплового равновесия. Если вы опустите алюминиевый шар в воду, в конечном итоге вода и шар будут иметь одинаковую температуру. У них не будет одинаковой тепловой энергии, но будет одинаковая температура. Это очень оперативное определение температуры — и это неплохо.

Но на самом деле эта температура лежит в основе большинства термометров. Возьмите обычный ртутный или спиртовой термометр (ртутные не так распространены, потому что… знаете, они содержат ртуть).Когда вы помещаете этот термометр в жидкость или что-то еще, температура жидкости внутри термометра изменяется до тех пор, пока не станет такой же, как у объекта. Поскольку и ртуть, и спирт расширяются при повышении температуры, вы можете определить температуру на основе этого теплового расширения (или сжатия). В самом деле, можно сказать, что градусник появился даже раньше, чем идея температуры.

Теперь о втором определении температуры. Этот довольно жесткий, так что держитесь за что-нибудь.

Температура — это скорость изменения внутренней энергии относительно энтропии.

Коротко, но там много чего. Во-первых, что такое энтропия? Я мог бы попытаться объяснить энтропию, но это был бы совершенно новый пост в блоге. Вместо этого вы можете просто проверить этот замечательный пост Аатиша Бхатиа, в котором он объясняет энтропию с помощью овец. Да, действительно хорошо.

Итак, вместо полного объяснения энтропии, я просто приведу некоторые интересные ее аспекты.Тепловое равновесие — это не чисто энергетическое явление. Энергия сохраняется, когда два объекта достигают теплового равновесия, но она также будет удовлетворена, если один объект станет горячим, а другой — холодным. Тепловое равновесие — это статистический процесс. Так уж получилось, что наиболее вероятным результатом для двух соприкасающихся объектов является достижение одинаковой температуры. Другие странные случаи (один становится жарко, а другой становится холодно) также технически могут произойти, но их шансы на на меньше, чем у вас, выиграв в лотерею (и ваши шансы на выигрыш в лотерею практически равны нулю).

Движение частиц

Эта идея фокусировки исследуется через:

Противоположные взгляды студентов и ученых

Ежедневный опыт студентов

На этом уровне студенты должны «объяснять поведение и свойства материалов с точки зрения составляющих их частиц и сил, удерживающих их вместе» (стандарты VELS, уровень 6). Однако тот факт, что учащиеся могут рисовать обычное статическое расположение частиц в твердых телах, жидкостях и газах, не означает, что они придерживаются полного представления о материи.Исследования показывают, что многие студенты в этом возрасте и старше все еще придерживаются ряда альтернативных представлений о частицах, которые трудно погасить. Они часто не осознают очень маленький размер частиц, приписывают микроскопическим частицам макроскопические свойства, испытывают трудности с пониманием движения частиц во всех состояниях материи и имеют проблемы с пониманием сил между частицами.

Research: Driver (1987)

Многие студенты, которые понимают, что материя представляет собой твердые частицы, все еще сохраняют прежние взгляды и считают, что частицы могут изменять свою форму (от твердого до жидкого), взрываться, гореть, расширяться, изменять форму и цвет или сжиматься.Учащиеся визуализируют атомы, молекулы и ионы как маленькие шарообразные объекты (возможно, из-за способа представления информации), и это способствует тому, что они путают свойства частиц с макроскопической природой материалов, из которых они состоят.

Research: Happs (1980)

Эти идеи также рассматриваются в идее фокуса.
Макроскопические и микроскопические свойства.

Студенты часто не понимают динамическую природу частиц; они склонны думать о них как о статичных.Студенты могут верить, что частицы газа движутся медленно, подобно тому, как они наблюдают, когда видят взвешенные частицы пыли в луче света. Случайное движение частиц в жидкостях и газах — трудная для понимания концепция. На вопрос: «Почему частицы газа не падают на дно сосуда?» только около 50% студентов думали, что частицы находятся в постоянном движении. Студенты заявили, что частицы раздвигались (под воздействием тепла, действующего как вещество) при нагревании газов.Когда газы конденсировались в жидкость, многие студенты объясняли это увеличением сил притяжения между частицами.

Исследования: Новик и Нуссбаум (1981)

Студентам часто трудно оценить движение частиц в твердых телах, и это приводит к различным представлениям о замораживании и плавлении. Вот несколько примеров того, как студенты думают о поведении частиц в тающей ледяной глыбе:

Студент 1: «Частицы начинают отламываться друг от друга из-за повышения температуры.Когда они отделяются друг от друга, они превращаются из кристаллической формы в форму раствора ».

Студент 2:« Когда кусок льда вынимается из морозильной камеры, резкое изменение температуры реагирует на частицы, заставляющие их уменьшаются в размерах ».

Scientific view

Атомы невероятно малы, и их нельзя увидеть даже с помощью самого мощного светового микроскопа. Мы используем несколько моделей атомов, чтобы помочь объяснить химические процессы и описать их поведение.

В газах частицы движутся быстро во всех направлениях, часто сталкиваясь друг с другом и стенками контейнера.С повышением температуры частицы приобретают кинетическую энергию и движутся быстрее. Фактическая средняя скорость частиц зависит от их массы, а также от температуры — более тяжелые частицы движутся медленнее, чем более легкие, при той же температуре. Молекулы кислорода и азота в воздухе при нормальной комнатной температуре быстро перемещаются со скоростью от 300 до 400 метров в секунду. В отличие от столкновений между макроскопическими объектами, столкновения между частицами являются совершенно упругими без потери кинетической энергии.Это сильно отличается от большинства других столкновений, когда некоторая кинетическая энергия преобразуется в другие формы, такие как тепло и звук. Совершенно эластичный характер столкновений позволяет частицам газа продолжать отскакивать после каждого столкновения без потери скорости. Частицы по-прежнему подвержены силе тяжести и ударяются о дно контейнера с большей силой, чем о его верх, что придает газу вес. Если бы вертикальное движение молекул газа не замедлялось под действием силы тяжести, атмосфера давно бы покинула Землю.

В жидкостях частицы расположены довольно близко друг к другу и беспорядочно перемещаются по контейнеру. Частицы быстро движутся во всех направлениях, но сталкиваются друг с другом чаще, чем в газах, из-за более коротких расстояний между частицами. С повышением температуры частицы движутся быстрее, поскольку они набирают кинетическую энергию, что приводит к увеличению частоты столкновений и увеличению скорости диффузии.

В твердом теле частицы упаковываются вместе как можно плотнее в аккуратном и упорядоченном виде.Частицы удерживаются вместе слишком сильно, чтобы их можно было перемещать с места на место, но частицы действительно колеблются относительно своего положения в структуре. С повышением температуры частицы приобретают кинетическую энергию и вибрируют быстрее и сильнее.

Сила притяжения в твердых телах не обязательно должна быть сильнее, чем в жидкостях или газах. Например, силы между твердыми частицами гелия (при -270 ° C) все еще очень слабы. Для сравнения, силы между частицами паров железа (требующие очень высоких температур) очень велики.Если вы сравните разные вещества с одинаковой температурой, то средняя кинетическая энергия частиц будет одинаковой (т. Е. Если частицы имеют одинаковую массу, они будут двигаться с одинаковой скоростью), но силы притяжения в твердых телах будут быть больше, чем в жидкостях, которые будут больше, чем в газах. Силы притяжения не ослабевают, когда вещество переходит из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное, скорее, кинетическая энергия частиц увеличивается (что подразумевает более быстрое движение), позволяя им преодолевать силы притяжения.

Критические идеи обучения

• Вся материя состоит из атомов, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть даже с помощью самых мощных световых микроскопов.
• Частицы во всех состояниях материи находятся в постоянном движении, и это очень быстро при комнатной температуре. Повышение температуры увеличивает кинетическую энергию и скорость частиц; это не ослабляет силы между ними.
• Частицы в твердых телах колеблются в фиксированных положениях; даже при очень низких температурах.
• Отдельные частицы в жидкостях и газах не имеют фиксированного положения и движутся хаотично.
• Столкновения между частицами отличаются от столкновений между макроскопическими объектами тем, что они совершенно упругие: то есть кинетическая энергия частиц остается постоянной, и во время столкновений энергия не преобразуется в другие формы.

Изучите взаимосвязь между идеями о движении частиц в
Карты развития концепций — (химические реакции, состояния вещества)

Студенты этого уровня неоднократно сталкивались с идеями о частицах (включая атомы, ионы и молекулы), однако многие из них сохраняют альтернативные или наивные взгляды на природа частиц, и они могут препятствовать их пониманию.Стремитесь принять стратегии обучения, которые вызывают у учащихся неудовлетворенность их существующими идеями, и продвигать научную концепцию, которая будет правдоподобной, последовательной и полезной в различных ситуациях.

Преподавательская деятельность

Выявление существующих идей студентов

Важно выяснить предыдущие взгляды большинства студентов в начале обучения, чтобы установить их существующее понимание модели частиц материи.

Спросите студентов, что они думают о размере атомов по сравнению с другими мелкими объектами, такими как клетки, бактерии и вирусы.Это можно сделать, попросив их нарисовать их относительный размер в одном масштабе (шкале, где человеческая клетка равна размеру страницы или плаката). Выразите идею о том, что атомы снова стали намного меньше. Поищите другие действия, которые помогут укрепить идею о том, что частицы очень и очень маленькие.

Покажите студентам обычные рисунки частиц в твердых телах, жидкостях и газах и спросите их, движутся ли они и с какой скоростью.

Бросить вызов существующим идеям

Здесь актуален ряд вопросов, поднятых в основной идее «Сохранение массы», и взвешивание колбы, содержащей небольшое количество ацетона до и после испарения, может быть использовано для проверки идей студентов. о том, что вещество легче в газовом состоянии, и о проблемах со статическими изображениями частиц газа в текстах.Для получения дополнительной информации см .:
Сохранение массы.

Помогите учащимся выработать для себя некоторые «научные» объяснения

С небольшим поощрением класс обычно может решить путем обсуждения, что частицы в газах должны ударяться о дно колбы сильнее, чем о ее верх, и, следовательно, на них действует сила тяжести. Это может быть расширено до объяснения того, почему атмосфера Земли истончается и в конечном итоге прекращается — вертикальное движение частиц вверх прекращается.

Содействовать размышлению и прояснению существующих идей и поощрять студентов к выявлению явлений, не объясняемых (в настоящее время представленной) научной моделью или идеей

Поскольку частицы нельзя наблюдать напрямую, большая часть обучения включает поиск очевидных проблем или несоответствий с своего рода статические изображения частиц, данные в предыдущие годы.Предложите студентам определить их и обсудить возможные объяснения. Некоторые подсказки:

• Что задерживает частицы воздуха?
• Частицы воздуха движутся быстрее в ветреный день?
• Откуда у газов может быть вес?
• Почему молекулы воздуха не улетают в космос?

При необходимости поднимите подобные вопросы, которые откроют дискуссию, но лучше, если учащиеся предложат некоторые из них сами. Обратите внимание, что многие проблемы связаны с газами — для объяснения именно их свойств нам больше всего нужна модель твердых частиц.

Чтобы усилить понятие упругих столкновений, спросите, что произошло бы, если бы столкновения между частицами газа не были упругими. Какие практические последствия были бы для людей? Это можно представить, бросая различные типы мячей (например, футбольный мяч, мяч для настольного тенниса и подпрыгивающий мяч (из магазинов игрушек)) и объясняя, что подпрыгивающий мяч ведет себя больше как частицы газа.

Начать обсуждение через общий опыт

Использование таких упражнений, как POE (Predict-Observe-Explain), может помочь учащимся задуматься, а затем подвергнуть сомнению свои существующие идеи.Следующее задание поможет учащимся обдумать свои представления о движении частиц.

Установите две пары колб, каждая из которых соединена клапаном (см. Схемы ниже). Обе пары содержат коричневый диоксид азота в левой колбе.

Эксперименты по диффузии могут укрепить идею движения частиц.Их также можно использовать как POE.

Например:

• кристалл сульфата меди помещают в агаровый гель; синий цвет медленно распространяется через гель.
• кристаллы перманганата калия помещают в стакан и медленно добавляют воду. Смотрите изображение. В качестве альтернативы к раствору перманганата калия в бюретке очень медленно добавляют воду.

Броуновское движение также можно наблюдать с помощью стереомикроскопов, когда порошок серы или камфора разбрызгивается на поверхность воды или этанола.

Попрактикуйтесь в использовании и создайте воспринимаемую полезность научной модели или идеи

Кусок ваты, пропитанный аммиаком, помещается на один конец длинной стеклянной трубки, а другой, пропитанный соляной кислотой (HCl), помещается на другой конец . В конце концов, на стыке двух газов образуется белое кольцо. Два газа имеют одинаковую температуру и, следовательно, частицы имеют одинаковую кинетическую энергию; кольцо образуется ближе к источнику более тяжелой и, следовательно, более медленно движущейся HCl.Это предсказывается сравнением относительных молекулярных масс. Наличие в трубке полоски универсальной индикаторной бумаги позволяет отслеживать диффузию газа. Это пример POE, в котором полезно привлечь внимание студентов к соответствующему разделу науки, прежде чем они сделают свой прогноз, поскольку он создает полезность для концепции относительной молекулярной массы (значений Mr).