Перейти к содержанию
MediaSchool

Уравнение теплового баланса

Как закон сохранения энергии связывает количество теплоты, отданное горячим телом, с количеством теплоты, полученным холодным телом, и как применять уравнение теплового баланса с проверкой физического смысла.

Открыт · Презентация · Методичка

Конспект урока

Если смешать горячую и холодную воду, установится общая температура. Можно ли узнать её до опыта — и почему она не всегда равна среднему арифметическому начальных температур?

Это постановочная учебная иллюстрация. Она помогает сделать прогноз, но не показывает результат измерения.

Сначала прогноз

Пусть горячая вода имеет температуру tгt_\text{г}, холодная — tхt_\text{х}, а после смешивания установилась температура tt. Если система не получает энергию извне и нет фазовых переходов, то

tх<t<tг.t_\text{х}<t<t_\text{г}.

Горячая вода охлаждается и отдаёт энергию. Холодная вода нагревается и получает энергию. Теплообмен прекращается при достижении теплового равновесия — состояния, в котором температуры участников одинаковы.

Закон сохранения энергии

В идеальной теплоизолированной системе количество теплоты, отданное более горячими телами, равно количеству теплоты, полученному более холодными телами:

Qотд=Qпол.Q_\text{отд}=Q_\text{пол}.

Это уравнение теплового баланса в модульной записи. Эквивалентная знаковая запись:

Q1+Q2+…+Qn=0,Q_1+Q_2+\ldots+Q_n=0,

если для каждого участника использовать алгебраическое изменение температуры Δt=tкон−tнач\Delta t=t_\text{кон}-t_\text{нач}.

Стрелки показывают направление передачи энергии. Это схема процесса, а не фотография движения частиц.

Как записать количество теплоты каждого тела

Для нагревания или охлаждения без фазового перехода:

∣Q∣=cm∣Δt∣.|Q|=cm|\Delta t|.

Для горячего тела:

Qотд=cгmг(tг−t).Q_\text{отд}=c_\text{г}m_\text{г}(t_\text{г}-t).

Для холодного тела:

Qпол=cхmх(t−tх).Q_\text{пол}=c_\text{х}m_\text{х}(t-t_\text{х}).

Поэтому для двух тел идеальный баланс имеет вид

cгmг(tг−t)=cхmх(t−tх).c_\text{г}m_\text{г}(t_\text{г}-t) =c_\text{х}m_\text{х}(t-t_\text{х}).

Разности температур здесь положительны: отдающее тело было горячее конечной температуры, а получающее — холоднее неё.

Маршрут решения из шести шагов

  1. Прогноз: запиши диапазон конечной температуры.
  2. Роли: определи, кто отдаёт и кто получает энергию.
  3. Количество теплоты: запиши cm∣Δt∣cm|\Delta t| отдельно для каждого участника.
  4. Баланс: приравняй сумму отданной и сумму полученной теплоты.
  5. Алгебра: реши уравнение, сохрани единицу искомой величины.
  6. Проверка: проверь диапазон и подставь ответ назад в обе части баланса.

Сокращают только общий ненулевой множитель, одинаковый во всей левой и правой частях.

Полный пример: смешивание воды

Смешали 0,20 кг0{,}20\ \text{кг} воды при 80 ∘C80\ ^\circ\text{C} и 0,30 кг0{,}30\ \text{кг} воды при 20 ∘C20\ ^\circ\text{C}. Потерями энергии пренебречь.

20 ∘C<t<80 ∘C.20\ ^\circ\text{C}<t<80\ ^\circ\text{C}.

Обе порции — вода, поэтому cc является общим множителем:

cmг(80−t)=cmх(t−20),cm_\text{г}(80-t)=cm_\text{х}(t-20), 0,20(80−t)=0,30(t−20),0{,}20(80-t)=0{,}30(t-20), 16−0,20t=0,30t−6,16-0{,}20t=0{,}30t-6, 22=0,50t,t=44 ∘C.22=0{,}50t,\qquad t=44\ ^\circ\text{C}.

Обратная энергетическая проверка при c=4200 Дж/(кг⋅∘C)c=4200\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot{}^\circ\text{C}):

Qотд=4200⋅0,20⋅(80−44)=30240 Дж,Q_\text{отд}=4200\cdot0{,}20\cdot(80-44)=30240\ \text{Дж}, Qпол=4200⋅0,30⋅(44−20)=30240 Дж.Q_\text{пол}=4200\cdot0{,}30\cdot(44-20)=30240\ \text{Дж}.

Баланс выполнен. Конечная температура не равна 50 ∘C50\ ^\circ\text{C}, потому что холодной воды больше.

Когда можно использовать среднее

Для двух порций одной жидкости без потерь

t=mгtг+mхtхmг+mх.t=\frac{m_\text{г}t_\text{г}+m_\text{х}t_\text{х}} {m_\text{г}+m_\text{х}}.

Простое среднее арифметическое получается только при равных массах. Для разных веществ учитывают и массы, и удельные теплоёмкости:

t=c1m1t1+c2m2t2c1m1+c2m2.t=\frac{c_1m_1t_1+c_2m_2t_2}{c_1m_1+c_2m_2}.

Готовые выражения полезны для проверки, но основной маршрут через QQ каждого участника лучше показывает физический смысл.

Реальный опыт и идеальная модель

Горячую воду смешивает только учитель на устойчивом поддоне. Ученики анализируют заранее подготовленные данные.

Учебный модельный набор данных:

ВеличинаГорячая водаХолодная вода
Масса0,15 кг0{,}15\ \text{кг}0,25 кг0{,}25\ \text{кг}
Начальная температура70 ∘C70\ ^\circ\text{C}20 ∘C20\ ^\circ\text{C}
Температура смеси37 ∘C37\ ^\circ\text{C}37 ∘C37\ ^\circ\text{C}

Для горячей воды:

Qг=4200⋅0,15⋅(70−37)=20790 Дж.Q_\text{г}=4200\cdot0{,}15\cdot(70-37)=20790\ \text{Дж}.

Для холодной воды:

Qх=4200⋅0,25⋅(37−20)=17850 Дж.Q_\text{х}=4200\cdot0{,}25\cdot(37-20)=17850\ \text{Дж}.

Разность равна 2940 Дж2940\ \text{Дж}. Это не нарушение закона сохранения энергии. В двухучастной модели не учтены калориметр, термометр, воздух, испарение и теплообмен во время переливания.

Qг=Qх+Qкал+Qсреды.Q_\text{г}=Q_\text{х}+Q_\text{кал}+Q_\text{среды}.

Измерительные приборы и сосуд тоже могут участвовать в теплообмене. Их нельзя молча считать «погрешностью».

Как улучшить модель

  • заранее измерить температуру калориметра;
  • использовать крышку и теплоизоляцию;
  • сократить время переливания и считывания;
  • учесть теплоёмкость сосуда, если она известна;
  • повторить измерение и сравнить результаты.

Изображение показывает возможных дополнительных получателей энергии; величины потоков на нём не измерены.

Частые ошибки

ОшибкаКак исправить
Конечная температура выше начальной горячего телаБез внешнего источника tt лежит между начальными температурами.
Для отдающего тела записано t−tгt-t_\text{г}В модульном балансе используй tг−tt_\text{г}-t.
Сокращены разные удельные теплоёмкостиСокращать можно только общий множитель; для разных веществ c1≠c2c_1\ne c_2.
Qг≠QхQ_\text{г}\ne Q_\text{х} объявлено нарушением законаНазови неучтённых участников: сосуд, термометр и среду.
Ответ дан без проверкиПроверь диапазон, единицу и обратный баланс энергии.

Самостоятельная практика

A. Конечная температура. Смешали 0,40 кг0{,}40\ \text{кг} воды при 60 ∘C60\ ^\circ\text{C} и 0,20 кг0{,}20\ \text{кг} воды при 15 ∘C15\ ^\circ\text{C}. Потерями пренебречь. Найди tt.

B. Неизвестная масса. Сколько воды при 20 ∘C20\ ^\circ\text{C} надо добавить к 0,30 кг0{,}30\ \text{кг} воды при 70 ∘C70\ ^\circ\text{C}, чтобы получить смесь при 40 ∘C40\ ^\circ\text{C}?

C. Разные вещества. Алюминиевый цилиндр массой 0,10 кг0{,}10\ \text{кг} при 100 ∘C100\ ^\circ\text{C} опустили в 0,20 кг0{,}20\ \text{кг} воды при 20 ∘C20\ ^\circ\text{C}. Используй cAl=900 Дж/(кг⋅∘C)c_\text{Al}=900\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot{}^\circ\text{C}) и cв=4200 Дж/(кг⋅∘C)c_\text{в}=4200\ \text{Дж}/(\text{кг}\cdot{}^\circ\text{C}). Найди tt.

Проверь себя

  1. Как определить, какое тело отдаёт энергию?
  2. Почему конечная температура идеальной системы лежит между начальными?
  3. В чём смысл равенства Qотд=QполQ_\text{отд}=Q_\text{пол}?
  4. Когда при смешивании воды можно сократить cc?
  5. Почему для алюминия и воды нельзя сократить cc?
  6. Назови двух дополнительных участников реального теплообмена.

Сначала реши задания самостоятельно. Затем переходи к ответам.

Ответы

  1. Отдаёт энергию тело, температура которого уменьшается.
  2. Горячее тело охлаждается, а холодное нагревается до общей промежуточной температуры.
  3. В идеальной изолированной системе энергия отдающих тел полностью получена нагревающимися телами.
  4. Когда обе порции — одно вещество и cc является общим множителем обеих частей.
  5. Их удельные теплоёмкости различны.
  6. Например, калориметр и воздух; также термометр.

Самостоятельная практика:

A.

0,40(60−t)=0,20(t−15),t=45 ∘C.0{,}40(60-t)=0{,}20(t-15),\qquad t=45\ ^\circ\text{C}.

Проверка: 15<45<6015<45<60.

B.

0,30(70−40)=m(40−20),m=0,45 кг.0{,}30(70-40)=m(40-20),\qquad m=0{,}45\ \text{кг}.

Обратная проверка: 0,30⋅30=0,45⋅20=90{,}30\cdot30=0{,}45\cdot20=9.

C.

900⋅0,10(100−t)=4200⋅0,20(t−20),900\cdot0{,}10(100-t)=4200\cdot0{,}20(t-20), t≈27,7 ∘C.t\approx27{,}7\ ^\circ\text{C}.

Проверка: 20<27,7<10020<27{,}7<100. Ответ ближе к температуре воды, потому что теплоёмкость порции воды намного больше теплоёмкости цилиндра.

Короткий итог

  • Перед вычислением прогнозируют диапазон конечной температуры и роли тел.
  • В идеальной системе Qотд=QполQ_\text{отд}=Q_\text{пол}.
  • Количество теплоты каждого участника записывают отдельно как cm∣Δt∣cm|\Delta t|.
  • Сокращают только действительно общий множитель.
  • Ответ проверяют по диапазону, единице и обратному балансу.
  • Расхождение реального опыта с двухучастной моделью указывает на дополнительных участников теплообмена.

Самопроверка

Проверь себя

10 вопросов по теме «Тест: Уравнение теплового баланса». Выбери ответ, прочитай объяснение и попробуй ещё раз, если ошибся.

Открыть отдельно

Вопрос 1 из 10

Тренировка
Какое равенство выражает тепловой баланс двух тел без потерь?

Без отметки и ограничения времени. Первый ответ учитывается отдельно от исправлений. При обновлении страницы ответы сбросятся.

Скачать и открыть

Материалы урока

4 материала

Подготовка к уроку

2 материала

Проверка знаний

1 материал

Дополнительные материалы

1 материал

От сообщества

Материалы сообщества0

Дополнения от учителей к этому уроку. Проверены модерацией, но не являются редакционным контентом MediaSchool.

Поделиться материалом

Поделитесь первым материалом

Рабочий лист, презентация или методичка помогут другим учителям подготовиться к уроку.

Комментарии

Войдите, чтобы оставлять комментарии.

Пока нет комментариев. Будьте первым!