Перейти к содержанию

Количество теплоты и удельная теплоёмкость. Решение задач

Практика по формуле Q = cmΔt: перевод единиц в СИ, выбор неизвестной, чтение графика и проверка ответа по единице, порядку величины и физическому смыслу.

Открыт · Презентация · Методичка

Конспект урока

Формулу легко переписать, но хорошее физическое решение должно выдержать проверку. На этом уроке мы научимся не только получать число, но и объяснять, почему выбрана именно эта формула, что означает ответ и правдоподобен ли он.

Мы рассматриваем нагревание и охлаждение тела без плавления, кипения и других фазовых переходов. Смешивание жидкостей и уравнение теплового баланса относятся к следующим темам.

Разобранная оценка масштаба

Закрытая бутылка воды и карточка с изменением температуры

Постановочный кадр помогает оценить масштаб задачи. Бутылку не нагревают и не используют как измерительный прибор.

В закрытой бутылке примерно 0,50 кг0{,}50\ \text{кг} воды. Какой порядок количества теплоты потребуется, чтобы температура воды изменилась на 10 C10\ ^\circ\text{C}: десятки джоулей, десятки килоджоулей или тысячи килоджоулей? Сначала запиши оценку, затем сверь её с разобранным вычислением ниже.

Для воды c=4200 Дж/(кгC)c=4200\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot ^\circ\text{C}), поэтому

Q=cmΔt=42000,5010=21000 Дж=21 кДж.|Q|=cm|\Delta t|=4200\cdot0{,}50\cdot10=21000\ \text{Дж}=21\ \text{кДж}.

Оценка «десятки килоджоулей» верна. Такая предварительная прикидка помогает заметить потерянный множитель 10001000.

Маршрут решения

Используй одну и ту же последовательность:

  1. Дано и вопрос. Выпиши величины и назови неизвестную.
  2. СИ. Переведи граммы в килограммы, а килоджоули — в джоули.
  3. Формула. Запиши связь в общем виде и вырази неизвестную.
  4. Число. Подставь значения вместе с единицами.
  5. Смысл. Проверь единицу, порядок величины и направление передачи энергии.

Основная связь для модуля количества теплоты:

Q=cmΔt,Δt=t2t1.|Q|=cm|\Delta t|, \qquad |\Delta t|=|t_2-t_1|.

Из неё получаем:

m=QcΔt,c=QmΔt,Δt=Qcm.m=\frac{|Q|}{c|\Delta t|}, \qquad c=\frac{|Q|}{m|\Delta t|}, \qquad |\Delta t|=\frac{|Q|}{cm}.

Здесь cc — удельная теплоёмкость вещества, mm — масса тела, а Δt|\Delta t| — модуль изменения температуры. Если тело нагревается, оно получает энергию; если охлаждается — отдаёт. В задачах на «сколько теплоты отдало тело» обычно находят положительный модуль Q|Q|, а направление называют словами.

Полный пример: охлаждение детали

Алюминиевая деталь рядом с термометром и перчатками

Это постановочная иллюстрация условия. Шкала на изображении не является источником числовых данных; все данные приведены в тексте.

Алюминиевая деталь массой 600 г600\ \text{г} охлаждается от 85 C85\ ^\circ\text{C} до 25 C25\ ^\circ\text{C}. Удельная теплоёмкость алюминия c=900 Дж/(кгC)c=900\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot ^\circ\text{C}). Какое количество теплоты деталь отдаёт?

1. Дано и вопрос: m=600 гm=600\ \text{г}, t1=85 Ct_1=85\ ^\circ\text{C}, t2=25 Ct_2=25\ ^\circ\text{C}, найти Q|Q|.

2. СИ:

600 г=0,600 кг.600\ \text{г}=0{,}600\ \text{кг}.

3. Формула:

Δt=2585=60 C,Q=cmΔt.|\Delta t|=|25-85|=60\ ^\circ\text{C}, \qquad |Q|=cm|\Delta t|.

4. Вычисление:

Q=9000,60060=32400 Дж=32,4 кДж.|Q|=900\cdot0{,}600\cdot60=32400\ \text{Дж}=32{,}4\ \text{кДж}.

5. Проверка: единицы сокращаются до джоуля,

ДжкгCкгC=Дж.\frac{\text{Дж}}{\text{кг}\cdot ^\circ\text{C}}\cdot\text{кг}\cdot ^\circ\text{C}=\text{Дж}.

Обратная подстановка даёт 32400/(9000,600)=60 C32400/(900\cdot0{,}600)=60\ ^\circ\text{C}. Деталь охлаждалась, значит она отдала 32,4 кДж32{,}4\ \text{кДж} энергии.

Как сравнивать без длинных вычислений

Три одинаковых образца воды, алюминия и меди получают одинаковую энергию

Учебная модель сравнения: массы и переданное количество теплоты считаются одинаковыми.

Пусть одинаковые массы воды, алюминия и меди получили одинаковое количество теплоты. Из формулы

Δt=Qcm|\Delta t|=\frac{|Q|}{cm}

видно: при одинаковых QQ и mm сильнее изменится температура вещества с меньшей удельной теплоёмкостью. Для школьных округлённых значений

Веществоcc, Дж/(кг·°C)Изменение температуры при одинаковых QQ и mm
медь400наибольшее
алюминий900среднее
вода4200наименьшее

Следовательно, порядок убывания Δt|\Delta t|: медь → алюминий → вода. Это вывод из зависимости, а не свойство изображения.

Данные на графике

Тетрадь в клетку для построения зависимости температуры от количества теплоты

Постановочный фон для работы с графиком; координаты задачи заданы ниже текстом.

Для тела массой 0,50 кг0{,}50\ \text{кг} точка линейного участка графика t(Q)t(Q) имеет координаты: Q=18 кДжQ=18\ \text{кДж}, температура изменилась от 20 C20\ ^\circ\text{C} до 60 C60\ ^\circ\text{C}. Определим вещество:

Δt=6020=40 C,Q=18000 Дж,|\Delta t|=60-20=40\ ^\circ\text{C}, \qquad Q=18000\ \text{Дж}, c=QmΔt=180000,5040=900 Дж/(кгC).c=\frac{|Q|}{m|\Delta t|}=\frac{18000}{0{,}50\cdot40}=900\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot ^\circ\text{C}).

Полученное значение близко к алюминию по школьной таблице. Поскольку t=t0+Q/(cm)t=t_0+Q/(cm), увеличение массы при том же веществе уменьшает наклон графика t(Q)t(Q).

Частые ошибки

ОшибкаКак исправить
250 г=0,025 кг250\ \text{г}=0{,}025\ \text{кг}Делить на 10001000: 250 г=0,250 кг250\ \text{г}=0{,}250\ \text{кг}
Δt=t2+t1\Delta t=t_2+t_1Находить разность температур: Δt=t2t1\lvert \Delta t\vert =\vert t_2-t_1\rvert
m=QcΔtm=\vert Q\vert c\vert \Delta t\vert При выражении массы произведение переносится в знаменатель
В формулу подставлено 4242, хотя дано 42 кДж42\ \text{кДж}Сначала записать 42000 Дж42000\ \text{Дж}
Получено число без поясненияУказать единицу и сказать, получило или отдало тело энергию

Самостоятельная практика

A. Найди количество теплоты. Медная заготовка массой 0,40 кг0{,}40\ \text{кг} нагрелась от 20 C20\ ^\circ\text{C} до 70 C70\ ^\circ\text{C}. Для меди c=400 Дж/(кгC)c=400\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot ^\circ\text{C}).

  1. Найди Δt|\Delta t|.
  2. Вычисли полученное количество теплоты в джоулях и килоджоулях.
  3. Проверь единицу.
  4. Объясни направление передачи энергии.

B. Вырази массу. Вода получила 84 кДж84\ \text{кДж} и нагрелась на 20 C20\ ^\circ\text{C}. Для воды c=4200 Дж/(кгC)c=4200\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot ^\circ\text{C}). Найди массу воды и выполни обратную проверку.

C. Используй данные новой точки графика. С графика считано: тело массой 0,25 кг0{,}25\ \text{кг} получило 10 кДж10\ \text{кДж}, а его температура изменилась от 15 C15\ ^\circ\text{C} до 55 C55\ ^\circ\text{C}. Найди cc и предположи вещество по школьной таблице.

Проверь себя

  1. Почему перед подстановкой 300 г300\ \text{г} нужно записать как 0,300 кг0{,}300\ \text{кг}?
  2. Чем конечная температура отличается от изменения температуры?
  3. Как выразить массу из формулы Q=cmΔt|Q|=cm|\Delta t|?
  4. Как изменится Q|Q|, если при неизменных cc и Δt|\Delta t| массу увеличить вдвое?
  5. Как по смыслу проверить ответ для охлаждающегося тела?
  6. У какого из двух одинаковых по массе тел температура изменится сильнее при одинаковом QQ: с большим или меньшим cc?

Сначала запиши все ответы и только затем переходи к разбору.

Ответы

  1. Формула записана в единицах СИ; в ней массу подставляют в килограммах.
  2. Конечная температура — одно состояние t2t_2, а изменение — разность t2t1|t_2-t_1|.
  3. m=Q/(cΔt)m=|Q|/(c|\Delta t|).
  4. Количество теплоты увеличится вдвое.
  5. Температура уменьшается, следовательно, тело отдаёт энергию; найденный положительный результат — модуль отданного количества теплоты.
  6. У тела с меньшим cc, потому что Δt=Q/(cm)|\Delta t|=|Q|/(cm).

Самостоятельная практика:

A.

Δt=7020=50 C,|\Delta t|=70-20=50\ ^\circ\text{C}, Q=4000,4050=8000 Дж=8,0 кДж.|Q|=400\cdot0{,}40\cdot50=8000\ \text{Дж}=8{,}0\ \text{кДж}.

Единица результата — джоуль. Заготовка нагрелась, значит она получила энергию.

B. Сначала 84 кДж=84000 Дж84\ \text{кДж}=84000\ \text{Дж}, затем

m=84000420020=1,0 кг.m=\frac{84000}{4200\cdot20}=1{,}0\ \text{кг}.

Обратная проверка: 42001,020=84000 Дж4200\cdot1{,}0\cdot20=84000\ \text{Дж}.

C. Здесь Δt=40 C|\Delta t|=40\ ^\circ\text{C} и Q=10000 ДжQ=10000\ \text{Дж}, поэтому

c=100000,2540=1000 Дж/(кгC).c=\frac{10000}{0{,}25\cdot40}=1000\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot ^\circ\text{C}).

Значение ближе всего к алюминию, но отличается от школьного табличного 900 Дж/(кгC)900\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot ^\circ\text{C}). Такое определение по графику является приближённым.

Короткий итог

  • Решение защищает маршрут: дано → СИ → формула → число → смысл.
  • Для нагревания и охлаждения без фазового перехода используют Q=cmΔt|Q|=cm|\Delta t|.
  • Неизвестную выражают до подстановки чисел.
  • Ответ проверяют по единице, порядку величины, обратной подстановке и направлению передачи энергии.
  • Смешивание, тепловой баланс и фазовые переходы в этот урок не входят.

Материалы урока

Скачать и открыть

Учителю

2 материала

Презентация · для учителей

Презентация «Количество теплоты и удельная теплоёмкость: решение задач»

Практика полного маршрута решения Q = cmΔt: единицы СИ, преобразование формулы, качественное сравнение, чтение графика и проверка физического смысла ответа.

Скачать PPTX

Методичка · для учителей

Поурочное планирование и опорная схема (РБ)

Решение задач на Q = cmΔt: маршрут из пяти шагов, единицы СИ, качественные и графические задачи, рабочий лист, ключи и формирующее оценивание.

Скачать DOCX

Поурочное планирование и опорная схема (РБ)

DOCX

Ученикам

1 материал

Комментарии

Войдите, чтобы оставлять комментарии.

Пока нет комментариев. Будьте первым!