Методика навчання розділу "Теплові явища" в 8 класі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекція

Методика навчання розділу «Теплові явища» в 8 класі



1. Вимоги програми «Фізика 7-9» до навчання розділу «Теплові явища»

навчання пізнавальний тепловий явище

За програмою «Фізика 7-9» (2017 р.) розділ «Теплові явища» вивчається у шкільному курсі фізики 8 класу, і на його навчання виділяється 30 годин, в тому числі має проводитися дві фронтальні лабораторні роботи, два тематичних оцінювання і додатково три уроки захисту навчальних проєктів.

Основні питання, що мають розглядатися під час навчання розділу «Теплові явища», наступні:

Рух молекул і тепловий стан тіла. Температура. Термометри. Температурна шкала. Теплова рівновага.

Залежність розмірів фізичних тіл від температури.

Агрегатні стани речовини. Фізичні властивості твердих тіл, рідин і газів.

Внутрішня енергія. Способи зміни внутрішньої енергії тіла. Види теплообміну. Кількість теплоти. Розрахунок кількості теплоти при нагріванні/охолодженні тіла.

Кристалічні та аморфні тіла. Температура плавлення. Розрахунок кількості теплоти при плавленні/твердненні тіл.

Пароутворення і конденсація. Розрахунок кількості теплоти при пароутворенні/конденсації.

Кипіння. Температура кипіння.

Рівняння теплового балансу.

Згорання палива. Розрахунок кількості теплоти внаслідок згорання палива.

Теплові двигуни. Принцип дії теплових двигунів. ККД теплового двигуна.

Лабораторні роботи:

Вивчення теплового балансу за умов змішування води різної температури.

Визначення питомої теплоємності речовини.

Навчання розділу «Теплові явища» можна умовно поділити на два етапи, на першому з яких формуються знання про теплові процеси, які відбуваються без зміни агрегатного стану речовини, а на другому - знання про теплові процеси зі зміною агрегатного стану речовини і теплові двигуни. По завершенні кожного етапу проводиться тематичне оцінювання учнів.

Очікувані результати навчально-пізнавальної діяльності учнів під час навчання розділу «Теплові явища» наступні.

Знаннєвий компонент:

розуміє властивості теплового руху; особливості руху атомів i молекул речовини в різних агрегатних станах речовини; фізичні властивості твердих тіл, рідин і газів;

володіє поняттям, формулює визначення фізичної величини (температура, внутрішня енергія, кількість теплоти, питома теплоємність, питома теплота плавлення, пароутворення, згорання палива) та їхні одиниці;

знає способи вимірювання температури; принципи побудови температурної шкали Цельсія; два способи зміни внутрішньої енергії тіла; види теплообміну; види теплових машин;

пояснює графіки теплових процесів (нагрівання/ охолодження, плавлення/ тверднення, пароутворення/ конденсація); залежність розмірів фізичних тіл від температури.

Діяльнісний компонент:

застосовує набуті знання в процесі розв'язування задач різних типів та виконання лабораторних робіт;

застосовує рівняння теплового балансу;

аналізує графіки теплових процесів;

пояснює принцип дії теплових двигунів;

користується термометром, калориметром;

дотримується правил безпеки під час проведення експериментів.

Ціннісний компонент:

визначає переваги і недоліки впливу теплових машин та інших засобів теплотехніки на довкілля;

усвідомлює необхідність використання енергозбережувальних технологій;

оцінює роль видатних учених у розвитку знань про теплоту.

2. Формування основних понять розділу «Теплові явища»

Основними поняттями, що мають бути сформованими в учнів у результаті навчання розділу «Теплові явища», є наступні: температура, внутрішня енергія, кількість теплоти, питома теплоємність речовини, питома теплота плавлення, питома теплота пароутворення, питома теплота згоряння палива, ККД нагрівача.

Температура

З курсу фізики 7 класу учні знають про молекулярну будову речовини, основні положення молекулярно-кінетичної теорії, які обов'язково слід повторити з учнями на початку навчання розділу.

Формування знань про особливості руху атомів i молекул речовини в різних агрегатних станах, про зміну лінійних розмірів тіл при нагріванні та охолодженні можна проводити інформаційно-проблемним методом викладання, а саме, розпочати з таких питань:

навіщо електричні дроти між стовпами обов'язково мають;

чому під час конструювання мостів установлюють металеві з'єднувачі;

чому надувний круг виявляється більш надутим, якщо він знаходиться під сонячним світлом;

чому на балонах з аерозолями є попереджувальний знак «Стережися від вогню» тощо.

Також проводимо демонстрацію явищ, що підтверджують зміну розмірів при температурі (дослід «Куля Гравезанда» або його спрощений варіант з монетою).

Передбачається, що після відповідей на питання і проведення демонстрації, учні зроблять висновок: розміри тіла збільшуються при нагріванні, зменшуються при охолодженні.

Далі учитель запитує учнів про будову речовини. Так, згадуються основні положення молекулярної теорії, а саме, що всі тіла складаються із молекул, які безперервно і хаотично рухаються, притягуються і відштовхуються. Потім учитель зауважує, що збільшення швидкості молекул ми відчуваємо як нагрівання, а зменшення швидкості молекул ми відчуваємо, як охолодження, а для характеристики того, як саме нагріто тіло, використовують спеціальну фізичну величину - температуру. Далі робиться такий висновок: якщо швидкість руху молекул збільшується (температура збільшується), то відстань між молекулами збільшується, а тому розміри всього тіла також збільшуються; якщо швидкість руху молекул знижується (температура зменшується), то відстань між молекулами зменшується, а тому і розміри всього тіла зменшуються.

У 8 класі також формуються знання про різні шкали вимірювання температури (шкалу Цельсія і шкалу Фаренгейт, способи вимірювання температури і види термометрів (рідинний, електронно-металевий, термометр Галілея та ін.), терморегуляцію у живій природі.

Крім того, доцільним буде нагадати учням, як визначати ціну поділки фізичних приладів і, зокрема термометрів, а також виконати відповідні вправи із зображеннями термометрів з різними шкалами.

Внутрішня енергія. Формування поняття внутрішня енергія слід починати з повторення основних положень молекулярно-кінетичної теорії, понять енергія, кінетична та потенціальна енергії.

Поняття енергія напередодні формувалося в учнів протягом навчання розділу «Робота і енергія» перед навчанням розділу «Теплові явища». Учні знають, що енергія - це фізична величина, яка відображає здатність тіла здійснювати роботу і вимірюється в джоулях. Крім того, учням відомо, що кінетична енергія - енергія руху, а потенціальна енергія - енергія взаємодії. Далі із положень молекулярно-кінетичної теорії в ході евристичної бесіди разом з учнями робляться такі висновки.

Згідно основних положень молекулярної теорії, всі тіла складаються з молекул, які безперервно і хаотично рухаються. Якщо молекули рухаються, тоді вони мають кінетичну енергію. Крім того, молекули притягуються і відштовхуються, тобто взаємодіють, тобто мають потенціальну енергію.

І далі вводиться поняття внутрішньої енергії тіла, як сукупності (суми) кінетичної та потенціальної енергій всіх молекул.

Наступний крок у формуванні поняття внутрішня енергія - це формування уявлень про зміну внутрішньої енергії тіла.

Розповідаємо учням про те, що повністю «витягти» внутрішню енергію неможливо, її можна тільки змінити. Про зміну внутрішньої енергії можна судити по нагріванню тіла (що означає, що внутрішня енергія збільшилась) чи по охолодженню тіла (внутрішня енергія зменшилась).

Далі на наочних прикладах слід пояснити, що змінити внутрішню енергію тіла можна двома способами: здійснюючи над тілом роботу або у результаті теплопередачі.

Поняття теплопередачі визначається як зміна внутрішньої енергії тіла без здійснення роботи і наводяться види теплопередачі, а саме:

теплопровідність (передача тепла від більш нагрітого тіла чи частини тіла до менш нагрітого при безпосередньому контакті;

конвекція (передача тепла потоками газу чи рідини);

випромінювання (інфрачервоне випромінювання від тіл з більшою ніж навколишнє середовище температурою).

Щодо теплопередачі та її видів (теплопровідність, конвекція, випромінювання) обов'язково проводяться серії демонстрацій (стандартних та цікавих), а також розв'язується серія якісних задач з метою формування в учнів прикладних знань та уявлень про відмінності видів теплопередачі.

Кількість теплоти. Після формування в учнів уявлень про теплопередачу та її види, формуємо поняття кількості теплоти.

Кількість теплоти - це фізична величина, яка дорівнює зміні внутрішньої енергії в результати теплопередачі.

При поясненні використовуємо аналогію про зміну суми грошей в гаманці для того, щоб учні на наочному прикладі зрозуміли, що саме на таке значення, якому дорівнює кількість теплоти, змінюється внутрішня енергія тіла.

Далі записується формула для обчислення кількості теплоти, що необхідна для нагрівання тіла чи виділяється при охолодженні тіла. Перед записом формули бажано з'ясувати з учнями, від чого може залежати кількість теплоти і як саме (від маси тіла, зміні температури і від роду речовини).

Потім записуємо формулу і для того, щоб в учнів сформувалися знання, що цією формулою можна користуватися під час розрахунків кількості теплоти, що необхідна для нагрівання, і кількості теплоти, що виділяється під час охолодження, поруч з записом формули робимо додаткові позначки:

Нагрівання v ^ Охолодження

Стрілками ми показуємо, чи поглинається додаткова енергія, чи енергія виділяється.

Коментуємо позначки фізичних величин, що входять до формули:

m - маса речовини,

t₁, t₂ - значення температури,

с - питома теплоємність речовини.

Разом з учнями виводяться одиниці вимірювання питомої теплоємності речовини:

.

Далі разом з учнями працюємо з таблицею значень питомої теплоємності речовин, а саме: порівнюємо значення питомої теплоємності речовини в різних агрегатних станах (наприклад, льоду і води), визначаємо речовини з найбільшою та найменшою питомою теплоємністю серед перелічених у таблиці, звертаємо увагу, що значення питомої теплоємності твердих тіл є більшими за ці значення у рідин тощо.

Наступний крок - це формування в учнів знань про тепловий баланс, рівняння теплового балансу і формування умінь розв'язувати задачі на тепловий баланс.

У підручниках рівняння теплового балансу формулюється таким чином:

Q₁ + Q₂ +… = 0,

сума кількостей теплоти, що беруть участь у теплообміні, дорівнює 0.

За таким формулюванням у формулах за t₁ приймається початкова температура, а за t₂ - кінцева температура. За такої умови, під час розрахунку кількості теплоти, що виділяється при охолодженні, Q<0.

Таке формулювання і запис рівняння теплового балансу ускладнює в наступному його застосування під час процесів плавлення, кристалізації, пароутворення і конденсації, оскільки учні повинні пам'ятати під час розв'язання задач, що до кількості теплоти, яка виділяється (під час кристалізації та конденсації) треба додавати знак «-».

У зв'язку з цим, краще рівняння теплового балансу записувати так:

^ Q₁ + Q₂ +… = Q₃ + Q₃ +…v.

і формулювати таким чином:

Сума кількостей теплоти, що поглинаються у процесі теплопередачі, дорівнює сумі кількостей теплоти, що виділяються у процесі теплопередачі.

При цьому в формулі слід вважати t₁ - меншу температуру, а t₂ - більшу температуру. В цьому випадку під час розрахунків кількості теплоти, що виділяється під час охолодження, значення буде додатнім.

На наступних уроках застосування ЗУН з теми «Рівняння теплового балансу» розв'язуємо кількісні задачі, використовуючи технологію навчання розв'язанню фізичних задач.

Після уроків розв'язання задач проводимо фронтальні лабораторні роботи «Вивчення теплового балансу при змішуванні води різної температури» і «Визначення питомої теплоємності речовини».

Наступний крок - формування в учнів знань про перетворення внутрішньої енергії і розрахунок кількості теплоти під час зміни агрегатного стану речовини.

Ця частина розділу має починатися з повторення з учнями агрегатних станів речовини (твердого, рідкого, газоподібного і плазми) і їхніх властивостей.

Далі спочатку розглядаються процеси плавлення і кристалізації, потім пароутворення і конденсації і наприкінці - згоряння палива.

Плавлення і кристалізація. Плавлення - це процес перетворення твердого тіла в рідину при температурі плавлення.

Кристалізація - це зворотній процес, тобто перетворення речовини в рідкому стані в твердий при температурі плавлення.

Під час формулювання визначень учитель обов'язково має підкреслити, що під час плавлення і кристалізації зміни температури не відбувається.

Далі записується формула для обчислення кількості теплоти, що необхідна для плавлення твердого тіла чи виділяється при кристалізації рідини при температурі плавлення. Перед записом формули бажано вияснити з учнями, від чого може залежати кількість теплоти і як саме (від маси тіла і від роду речовини).

Потім записуємо формулу і для того, щоб в учнів сформувалися знання, що цією формулою можна користуватися під час розрахунків кількості теплоти, що необхідна для плавлення, і кількості теплоти, що виділяється під час кристалізації, поруч з записом формули робимо додаткові позначки:

Плавленняv ^Кристалізація

Коментуються позначки фізичних величин, що входять до формули:

m - маса речовини,

л - питома теплота плавлення.

Разом з учнями виводяться одиниці вимірювання питомої теплоти плавлення:

.

Далі разом з учнями працюємо з таблицею значень температури плавлення і питомої теплоти плавлення речовин, а саме: порівнюємо ці значення, визначаємо речовини з найбільшими та найменшими температурою плавлення і питомою теплотою плавлення серед перелічених у таблиці.

Наприкінці уроку розв'язуємо з учнями якісні задачі, наприклад: чому коли йде сніг - тепло, а коли сніг розтає - холодно. Тут слід пояснити, що коли йде сніг відбувається кристалізація краплин води, яке супроводжується виділенням теплоти, що спричиняє нагрівання повітря; в свою чергу, коли сніг тане, то відбувається плавлення льоду, яке супроводжується поглинанням теплоти із навколишнього повітря, що призводить до його охолодження.

Пароутворення і конденсація. Пароутворення - це перетворення рідини в пар. На відміну від плавлення кристалічних тіл, пароутворення може відбуватися за різних умов:

з поверхні рідини і при будь-якій температурі (випаровування);

по всьому об'єму при температурі кипіння (кипіння).

Спочатку формуємо в учнів уявлення про випаровування, а саме: разом з учнями у ході евристичної бесіди з'ясовуємо, що інтенсивність випаровування залежить від температури рідини, площі поверхні, роду рідини, наявності вітру.

Щодо залежності інтенсивності випаровування від наявності вітру, можна навести учням дані відповідної таблиці і проаналізувати їх.

Також можна навести додаткову інформацію щодо ролі випаровування у життєдіяльності рослин, тварин і людини.

Потім розповідаємо про кипіння та залежність температури кипіння від атмосферного тиску. Під час розповіді про кипіння ще не використовується поняття «насичена пара», про що докладно буде йтися мова в 10 класі під час навчання молекулярної фізики. Під час розповіді про залежність температури кипіння від атмосферного тиску розповідаємо про використання цієї залежності (наприклад, в автоклавах), наводимо дані з відповідної таблиці, проводимо демонстрацію кипіння рідини за зниженого тиску.

Потім записується формула для обчислення кількості теплоти, що необхідна для пароутворення рідини, чи виділяється під час конденсації пари при температурі кипіння. Знов перед записом формули бажано з'ясувати з учнями, від чого може залежати ця кількість теплоти і як саме (від маси тіла і від роду речовини).

Поруч з записом формули робимо додаткові позначки, як і у попередніх формулах:

Пароутворення v Lm ^ Конденсація

Коментуються позначки фізичних величин, що входять до формули:

m - маса речовини,

L - питома теплота пароутворення

Разом з учнями виводяться одиниці вимірювання питомої теплоти пароутворення:

.

Далі працюємо з таблицею значень температури кипіння і питомої теплоти пароутворення рідин, а саме: порівнюємо ці значення, визначаємо речовини з найбільшими та найменшими температурою кипіння і питомою теплотою пароутворення серед перелічених у таблиці.

Наприкінці уроку розв'язуємо з учнями якісні задачі, наприклад: чому опік паром при 100 ^оС є більш небезпечним, ніж опік кип'ятком. Слід пояснити учням, що внутрішня енергія пари більша, ніж внутрішня енергія води при температурі кипіння на таке саме значення, якому дорівнює кількість теплоти, що була витрачена на перетворення води у пару. Питома теплота пароутворення води складає 2,3 · 10⁶ , тобто якщо порівняти внутрішню енергію 1 л кип'ятку з 1 л водяної пари при 100 С, то у пари вона на 2,3 МДж є більшою. Саме тому опік парою є небезпечнішим, ніж опік кип'ятком.

Згоряння палива. Урок з теми «Згоряння палива» слід починати з формування поняття «палива» та його видів (твердого, рідкого, газоподібного). Потім з учнями слід повторити з курсу хімії, що означає процес згоряння (складний фізико-хімічний процес перетворення речовин у продукти згоряння, що супроводжується інтенсивним виділенням тепла). Звертаємо увагу учнів на те, що це незворотній процес, на відміну від усіх тих, що розглядалися раніше (нагрівання - охолодження, плавлення - кристалізація, пароутворення - кристалізація).

Далі записується формула для обчислення кількості теплоти, що виділяється у результаті згоряння палива. Знов перед записом формули бажано вияснити з учнями, від чого може залежати ця кількість теплоти і як саме (від маси і роду палива).

Поруч з записом формули робимо додаткову позначку, як і у попередніх формулах:

^ Згоряння палива

Коментуються позначки фізичних величин, що входять до формули:

m - маса речовини,

q - питома теплота згоряння палива.

Разом з учнями виводяться одиниці вимірювання питомої теплоти пароутворення:

.

Далі працюємо з таблицею значень питомої теплоти згоряння палива, а саме: порівнюємо ці значення, визначаємо найбільш і найменш енергетичні види палива серед перелічених у таблиці.

Наступне поняття, що формуємо в учнів, - це коефіцієнт корисної дії нагрівача, що визначається за формулою:



КПД=· 100%,

де - кількість теплоти, що йде «на користь»,

- кількість витраченої теплоти, що виділяється під час згоряння палива.

Далі з учнями розв'язується серія задач на визначення ККД нагрівача.

Навчання розділу «Теплові явища» завершується формуванням в учнів знань про теплові двигуни, зокрема, про принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння. Важливим етапом уроків про теплові двигуни є формування знань про екологічні проблеми використання теплових машин, палива, забруднення атмосфери, формування смогу та заходи зменшення цього шкідливого впливу, про альтернативні джерела енергії, біопаливо.

3. Навчання учнів розв'язання задач з розділу «Теплові явища»

Розглянемо приклади ключових кількісних задач з розділу «Теплові явища».

Задача 1. В алюмінієвий калориметр масою 140 г налили 250 г води при температурі 15 °С. Після того, як брусок зі свинцю масою 100 г, нагрітий до 100 °С помістили в калориметр з водою, встановилась температура 16 °С. Визначити питому теплоємкість свинцю.

Коротка умова:

= 0,14 кг (маса алюмінієвого калориметру)

= 0,25 кг (маса води)

= 15 °С (початкова температура води)

= 0,1 кг (маса бруска зі свинцю)

= 100 °С (початкова температура свинцю)

= 16 °С (температура теплової рівноваги)

= 500 (питома теплоємність алюмінію)

=4200 (питома теплоємність води)

Розв'язок

В 8 класі цю задачу вирішуємо арифметичним способом (по діям), а не алгебраїчним (виведення остаточної формули)

По-перше, слід скласти рівняння теплової рівноваги за умовою задачі:

1) Алюмінієвий калориметр нагрівся, отже кількість теплоти, що одержав алюмінієвий калориметр під час нагрівання:

= 920 ·0,14 кг ·1 °С = 128,8 Дж

2) Вода у калориметрі також нагрілася, отже кількість теплоти, що одержала вода під час нагрівання:

= 4200 · 0,25 кг · 1 °С = 1050 Дж

3) Свинцевий брусок охолонув, отже кількість теплоти, що віддав свинцевий брусок під час охолодження:



Звідси,

Оскільки

,

тобто .

Отже, ==140

Відповідь: питома теплоємність свинцю складає 140 .

Задача 2. Вода масою 150 г, яку налили в латунний калориметр масою 200 г, має температуру 12 °С. Знайти температуру, яка встановилась в калориметрі, якщо в воду опустили залізну гирю масою 0,5 кг, що нагріта до 100 °С?

Коротка умова:

= 150 г = 0,15 кг (маса води)

= 200 г = 0,2 кг (маса латунного калориметр

= 0,5 кг (маса залізної гирі)

= 12 °С (початкова температура води)

= 100 °С (початкова температура гирі)

=4200 (питома теплоємність води)

= 400 (питома теплоємність латуні)

= 460 (питома теплоємність заліз

Розв'язок

Спочатку слід скласти рівняння теплового балансу згідно умові задачі:

,

де (вода нагрілась)

(латунь нагрілась)

(залізна гиря охолонул

Підставляючи дані у формули і рівняння теплового балансу, одержуємо таке рівняння:

4200·0,15(t 12 °С) + 400·0,2(t 12 °С) = 460·0,5(100 °С t)

630(t 12) + 80(t 12) = 230(100 t)

710(t 12) = 230(100 t)

710t - 8529 = 23000 - 230t

940 t = 31520

t = 33 °С

Відповідь: У калориметрі встановиться температура 33 °С

Задача 3. Сталеву деталь масою 300 г нагріли до високої температури, а потім занурили для загартування в 3 кг машинної олії, що має температуру 10 °С. Визначити початкову температуру деталі, якщо температура теплової рівноваги склала 30 °С.

Коротка умова:

= 300 г = 0,3 кг (маса сталевої деталі)

= 3 кг (маса машинної олії)

t₂ = 10 °С (температура машинної олії)

= 30 °С (температура теплової рівноваги)

= 500 (питома теплоємність сталі)

= 1680 (питома теплоємність машинної олії)

Розв'язок

Рівняння теплового балансу:

=,

де (сталева деталь охолоджується)

(олія нагрівається)

=1680 ·3 кг·(30 °С 10 °С)=100800 Дж

Складаємо рівняння:

500·0,9(30)=100800

30 = 672

= 702 °С

Відповідь: початкова температура сталевої деталі складала 702 °С

Задача 4. Для приготування ванни місткістю 200 л змішали холодну воду при температурі 10 °С з гарячою при температурі 60 °С. Які об'єми тієї і другої води треба взяти, щоб температура ванни стала 40 °С? Втратами тепла знехтувати.

Коротка умова:

= 200 кг (загальна маса води у ванній)

= 10 °С (температура холодної води)

= 60 °С (температура гарячої води)

= 40 °С (температура теплової рівноваги)

Розв'язок

Рівняння теплового балансу:



,

де - кількість теплоти, яку одержує холодна вода під час нагрівання;

- кількість теплоти, яку віддає гаряча вода під час охолодження.

Тоді

.

Підставляючи вихідні дані та враховуючи, що +=200, складаємо рівняння:

3(200-)=2

5=600

=120 кг - маса гарячої води,

=80 кг - маса холодної води.

Звідси знаходимо об'ємі холодної і гарячої води:

= 80 л - об'єм холодної води,

= 120 л - об'єм гарячої води.

Відповідь: для приготування ванни потрібно взяти 80 л холодної води, 120 л гарячої води.

Задача 5. В каструлю наливають 8 повних стаканів води при 10 °С і 5 повних стаканів гарячої води при 80 °С. Яка температура встановиться в калориметрі? Втратами тепла знехтувати.

Коротка умова:

= 8 (маса восьми стаканів холодної води)

= 5 (маса п'яти стаканів гарячої води))

= 10 °С (температура холодної води)

= 80 °С (температура гарячої води)

Розв'язок

Рівняння теплового балансу:

=,

де - кількість теплоти, яку одержує холодна вода під час нагрівання;

- кількість теплоти, яку віддає гаряча вода під час охолодження.

Тоді

.

Підставляючи вихідні дані, одержуємо рівняння:

5m(80 t)=8m(t 10)

400 - 5t=8t 80

13t = 480

t ? 37 °С - температура, яка встановиться у калориметрі, якщо знехтувати втратами тепла.

Відповідь: У калориметрі встановиться температура приблизно 37 °С.

Наведемо також приклади задач високого рівня з розділу «Теплові явища» для 8 класу.

Задача 6. У калориметр, що містить 250 мл води при температурі 15 єС, кинули 20 г мокрого снігу. Температура в калориметрі понизилася на 5 єС. Скільки води було в снігу? Теплоємністю калориметра знехтувати.

Коротка умова:

=250 мл = 250 см (об'єм води у калориметрі)

= 15 °С (початкова температура води)

= 0,02 кг (маса мокрого снігу)

= 10 °С (температура теплової рівноваги)

= 0 °С (температура мокрого снігу)

=4200 (питома теплоємність води)

(питома теплота плавлення льоду)

Розв'язок

Спочатку слід визначити масу води у калориметрі.

Оскільки густина води дорівнює , тоді маса 250 см³ води складає 250 г, тобто m_в =250 г=0,25 кг

Рівняння теплового балансу:

,



де - кількість теплоти, яку віддає вода у калориметрі під час охолодження;

- кількість теплоти, що необхідна для танення льоду у мокрому снігу ( маса льоду в мокрому снігу);

- кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання води, що утворилася з мокрого снігу.

Підставляємо вихідні дані:

= 4200 ·0,25 кг ·(15 °С - 10 °С ) = 5250 Дж,

= 4200 ·0,02 кг·(10 °С - 0 °С ) = 840 Дж.

Тоді

=5250 - 840=4410 (Дж),

Звідси визначаємо масу льоду, що містився у мокрому снігу:

== 0,013 кг =13 г.

Тому маса води, що була у мокрому снігу:

= 20 г 13 г =7 г.

Відповідь: У мокрому снігу містилося 7 г води.

Задача 7. Ванну об'ємом 100 л необхідно заповнити водою, що має температуру 30 єС, використовуючи воду з температурою 80 єС і лід, температура якого -20 єС. Знайти масу льоду, що треба покласти у ванну. Теплоємністю ванни і втратами тепла зневажити.

Коротка умова:

m = 100 кг (загальна маса води у ванній)

єС (температура теплової рівноваги)

= 80 єС (температура гарячої води)

= 20 єС (температура льоду)

_пл. = 0 °С (температура плавлення льоду)

=4200 (питома теплоємність води)

=2100 (питома теплоємність льоду)

(питома теплота плавлення льоду)

Розв'язок

Рівняння теплового балансу:

,

де гаряча вода охолонула

лід нагрівся до температури плавлення

лід тане

вода із льоду нагрівається

Враховуючи, що +=100, тобто =100, складаємо рівняння:

,

,

,

,

,

= 30 кг - маса льоду, що треба покласти у ванну.

Відповідь: У ванну треба покласти 30 кг льоду.

Задача 8. На газовому пальнику нагрівається алюмінієвий чайник масою 1,2 кг, що містить 2 л води при температурі 15 єС. Вода в чайнику нагрілася до 100 єС і 200 г її випарилося. Який ККД пальника, якщо при цьому згоріло 0,1 м³ природного газу.

Коротка умова:

= 1,2 кг (маса алюмінієвого чайник

= 2 кг (маса води)

= 15 єС (початкова температура води)

t₂ = 100 єС (кінцева температура води)

= 0,1 м (об'єм природного газу)

= 4200 (питома теплоємність води)

(питома теплота пароутворення води)

(питома теплота згоряння природного газу)

(густина природного газу)

Розв'язок

Коефіцієнт корисної дії пальника:

ККД=%,

де - кількість теплоти, що виділяється під час згоряння природного газу (затрати);

= 3520000 Дж.

- кількість теплоти, що необхідна для нагрівання алюмінієвого чайнику, води і перетворення її частини у пару, тобто:

- (нагрівся чайник),

(нагрілася вод,

(частина води перетворилась в пар).

Підставляючи вихідні дані, одержуємо:

,

,

.

Звідси ККД газового пальника:

.

Відповідь: ККД газового пальника складає 36 %.

Задача 9. На зимовій дорозі при температурі снігу 10 єС автомобіль протягом 1 хв 6 с буксує, розвиваючи потужність 12 кВт. Скільки снігу розтане при буксуванні автомобіля, якщо вважати, що вся енергія, що виділилася при буксуванні, йде на нагрівання й плавлення снігу?

Коротка умова:

= 10 єС (температура снігу)

= 0 єС (температура плавлення льоду)

T = 1 хв 6 с = 66 с (час буксування автомобіля)

P = 12000 Вт (потужність)

= 2100 (питома теплоємність льоду)

(питома теплота плавлення льоду)

Розв'язок

Рівняння теплового балансу:

,

де - кількість теплоти, що виділяється при буксуванні автомобіля;

.

кількість теплоти, що необхідна для нагрівання снігу до температури плавлення;

кількість теплоти, що необхідна для плавлення льоду при температурі плавлення.

Складаємо рівняння з невідомою масою снігу:

m_сн = 2,26 кг.

Відповідь: Маса снігу, що розтане при буксуванні автомобіля, складає 2,26 кг.

Задача 10. У бак, що містить воду масою 10 кг при температурі 20 єС, кинули шматок заліза масою 2 кг, нагрітий до температури 500 єС, при цьому деяка кількість води перетворилася в пару. Кінцева температура, що встановилася в баку, дорівнює 24 єС. Визначити масу води, що звернулася в пару.

Коротка умова:

= 10 кг (маса води)

= 20 єС (початкова температура води)

= 2 кг (маса заліз

= 300 єС (температура води)

= 24 єС (температура теплової рівноваги)

= 100 єС (температура кипіння води)

Розв'язок

Рівняння теплового балансу:

,

де

залізо охолонуло,

;

частина води нагрілась до температури теплової рівноваги;

інша частина води нагрілась до температури кипіння

- інша частина води перетворилася в пару.

Складаємо рівняння з невідомою маси води, що перетворилась у пару:

,

,

,

= 0,0328 кг = 32,8 г

Відповідь: 32,8 г води перетвориться у пару.



Приклади якісних задач

Початковий рівень

Чому ручки кранів у баків з гарячою водою роблять дерев'яними?

У якій сукні влітку менш спекотне: в світлій або в темній? Пояснити чому.

У якому взутті більше мерзнуть ноги взимку: у просторому або тісному?

Чому старе зимове пальто зі збитою в щільні грудки ватою погано «гріє»?

Які з перерахованих нижче речовин мають гарну теплопровідність: мідь, повітря, алюміній, вода, скло, водяна пара?

Які з перерахованих нижче речовин мають погану теплопровідність: картон, залізо, гума, сталь, папір?

Середній рівень

Що охолоне швидше: склянка компоту або склянка киселю? Чому?

Влітку лід зберігають під шаром тирси і землі. Чому?

У алюмінієву і скляну каструлі однакової місткості наливають гарячу воду. Яка з каструль швидше нагріється до температури налитої в неї води?

Чому в холодну погоду багато тварин сплять, згорнувшись у клубок?

Чому навесні сніг тане швидше в місті, ніж в полі?

Звичайна або пориста цегла забезпечить кращу теплоізоляцію будівлі? Чому?

Достатній рівень

Чи буде горіти свічка на борту космічного орбітального комплексу?

Навіщо на нафтобазах баки для зберігання палива фарбують «срібною» фарбою?

Необхідно швидше охолодити воду, налиту в бак. Що краще зробити - поставити бак на лід або покласти лід на кришку бака? На якому з ділянок поля - покритому снігом або льодом - краще зберігаються озимі посіви? Чому?

Коли тяга в трубах краще - взимку або влітку? Чому?

Які ґрунти при однакових умовах сильніше прогріваються на сонці - підзолисті або чорноземні? Чому?

Чому термоси виготовляють круглого, а не квадратного перетину?

Які фабричні труби краще: залізні або цегляні?

Де необхідно тримати термометр для визначення температури повітря - в ??тіні або на сонці?

Чому опалювальні батареї в приміщенні розташовують поблизу підлоги, а не стелі?

Чай зберігають гарячим у термосі. Чи можна зберегти в ньому холодний морс?

Чому в низинах рослини частіше гинуть від заморозків, ніж на височині?

Високий рівень

Які тіла - тверді, рідкі або газоподібні - володіють кращою теплопровідністю?

Чому в кімнаті при температурі 20 ° С ми відчуваємо себе тепліше, ніж у воді при температурі 25 ° С?

Коли вітрильним судам зручніше входити в гавань - вдень або вночі?

У яких тілах - рідинах, твердих тілах, газах - спостерігається конвекція? Чому?

Чому найвища температура повітря не опівдні, а після полудня?

Земля безперервно випромінює енергію в космічний простір. Чому ж Земля не замерзає?

У якому випадку енергія передається випромінюванням? Поясніть на прикладі.

Чому листя осики коливаються в безвітряну погоду?

Чому тонка поліетиленова плівка оберігає рослину від нічного холоду?

Які з тіл - тверді тіла, рідини або гази - мають найменшу теплопровідність? Чому?

Чому шибки починають замерзати знизу і в більшій мірі, ніж зверху?

У чашку налили гарячу каву. Що треба зробити, щоб кава охолола швидше: налити в неї молоко відразу або через деякий час?

Який з видів теплопередачі відіграє основну роль в нагріванні води в чайнику, що стоїть на плиті?

Необхідно швидше охолодити пляшку з лимонадом. Куди для цього слід Помістити пляшку: у сніг або в подрібнений лід, якщо температура їх однакова?

У якому випадку шматок льоду внесений до кімнати, розтане швидше: коли його просто покладуть на стіл або коли зверху прикриють вовняною хусткою?

При якій температурі і метал, і дерево здаватимуться на дотик однаково нагрітими?

У жаркий день сухий термометр показує +35 ° С. Чи зміняться показання термометра, якщо поряд з ним включити вентилятор? Розгляньте два випадки: термометр знаходиться в тіні; термометр освітлений сонцем.

Як влаштовують теплицю? З якою метою? Чому всередині теплиць температура повітря вище, ніж зовні?

Размещено на Allbest.ru