Przeczytaj
Warto przeczytać
Jeśli zetkniemy ze sobą dwa ciała o różnych temperaturach, to po pewnym czasie temperatury wyrównają się. Ciepło zawsze przekazywane jest od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek. Cząsteczki dwóch stykających się ciał zderzają się ze sobą i w zderzeniach energia przekazywana jest od cząsteczki o większej energii do cząsteczki o mniejszej energii kinetycznej. W ten sposób energia przepływa od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Taki sposób przekazywania energii nazywamy przekazywaniem energii na sposób ciepła lub krótko przekazywaniem ciepła. Zgodnie z zasadą zachowania energii, energia nigdy nie ginie, ani nie pojawia się. Tak więc ciepło pobrane przez jedno ciało jest równe ciepłu oddanemu przez drugie ciało, oczywiście jeśli oba te ciała izolujemy od otoczenia.
Bilans cieplny polega na porównaniu ciepła oddanego i ciepła pobranego przez ciała znajdujące się w układzie izolowanym, czyli takim, który nie wymienia ciepła z otoczeniem.
Ciepło pobrane | Ciepło oddane |
Ciepło pobrane na zwiększenie temperatury: – masa ciała, – ciepło właściweciepło właściwe, – temperatura początkowa, – temperatura końcowa. | Ciepło oddane na zmniejszenie temperatury: – masa ciała, – ciepło właściwe, – temperatura początkowa, – temperatura końcowa. |
Ciepło oddane w procesie krzepnięcia: – masa ciała, – ciepło topnienia. | |
Ciepło oddane w procesie skraplania: – masa ciała, – ciepło parowania. |
Harcerze na obozie przygotowali kąpiel w balii. Jednak woda okazała się zbyt chłodna, bo miała temperaturę . Ktoś wpadł na pomysł, aby rozgrzać kamień w ognisku i wrzucić do wody. Kamień miał masę = 5 kg, temperaturę i zwiększył temperaturę wody do . Jaka była masa wody przygotowanej do kąpieli? Ciepło właściwe wody wynosi , a kamienia . Przyjmujemy, że energia nie jest wymieniana z otoczeniem, czyli zakładamy, że układ woda – kamień jest układem izolowanym.
Bilans energii pobranej i oddanej:
ciepło pobrane przez wodę | = | ciepło oddane przez kamień |
Wyznaczamy stąd masę wody :
Zauważmy, że w równaniu występują tylko różnice temperatur, więc nie musimy zamieniać temperatur na skalę Kelvina, bo , a więc .
Po podstawieniu danych liczbowych otrzymujemy:
w balii było więc 78 kg wody.
A teraz inny przykład, bardziej złożony:
Do kalorymetrukalorymetru zawierającego = 2 kg wody i = 1 kg lodu w temperaturze (Rys. 1.) wpuszczono parę wodną o temperaturze . Jaka była masa pary, jeśli w kalorymetrze pozostała woda o temperaturze ? Ciepło właściwe wody wynosi , ciepło topnienia lodu , ciepło parowania wody . Pomijamy wymianę ciepła z kalorymetrem.
Zapisujemy bilans energii pobranej i oddanej:
ciepło pobrane przez lód do stopienia | + | ciepło pobrane przez wodę o masie i wodę powstałą z lodu podczas zwiększania temperatury | = | ciepło oddane przez parę podczas skraplania | + | ciepło oddane przez wodę powstałą z pary podczas zmniejszania temperatury |
Masa pary wodnej wynosi więc
Po podstawieniu danych liczbowych dostajemy
Para wodna wpuszczona do kalorymetru miała masę 0,27 kg. A ile wody jest teraz w kalorymetrze? Trzeba do masy wody, która była tam na początku, dodać masę wody powstałej z lodu oraz masę wody powstałej z pary wodnej: .
Słowniczek
(ang.: calorimeter) - przyrząd służący do pomiaru zmian temperatury podczas procesów termodynamicznych w warunkach dobrej izolacji cieplnej od otoczenia. Składa się na ogół z dwóch części: właściwego układu kalorymetrycznego, w którym przebiega badany proces, i z płaszcza, zapewniającego izolację cieplną.
(ang.: specific heat) - energia potrzebna do ogrzania 1 kg substancji o 1 K: , gdzie ciepło pobrane przez ciało o masie podczas zmiany temperatury o .
(ang.: latent heat of fusion) - energia potrzebna do stopienia 1 kg ciała. Ciepło topnienia wyraża się wzorem , gdzie – energia dostarczona podczas topnienia, – masa ciała.
(ang.: latent heat of vaporization) - energia potrzebna do wyparowania 1 kg ciała. Ciepło topnienia wyraża się wzorem , gdzie – energia dostarczona podczas parowania lub wrzenia, – masa ciała.
(ang.: absolute temperature) - skala bezwzględna temperatury; miara średniej energii kinetycznej przypadająca na jedną cząsteczkę. Temperaturę w skali Kelvina obliczamy, dodając do temperatury w skali Celsjusza, , : .