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.
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 , холодная — , а после смешивания установилась температура . Если система не получает энергию извне и нет фазовых переходов, то
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:
Это уравнение теплового баланса в модульной записи. Эквивалентная знаковая запись:
если для каждого участника использовать алгебраическое изменение температуры .
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:
Для горячего тела:
Для холодного тела:
Поэтому для двух тел идеальный баланс имеет вид
Разности температур здесь положительны: отдающее тело было горячее конечной температуры, а получающее — холоднее неё.
Маршрут решения из шести шагов
- Прогноз: запиши диапазон конечной температуры.
- Роли: определи, кто отдаёт и кто получает энергию.
- Количество теплоты: запиши отдельно для каждого участника.
- Баланс: приравняй сумму отданной и сумму полученной теплоты.
- Алгебра: реши уравнение, сохрани единицу искомой величины.
- 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 воды при и воды при . Потерями энергии пренебречь.
Обе порции — вода, поэтому является общим множителем:
Обратная энергетическая проверка при :
Баланс выполнен. Конечная температура не равна , потому что холодной воды больше.
Когда можно использовать среднее
Для двух порций одной жидкости без потерь
Простое среднее арифметическое получается только при равных массах. Для разных веществ учитывают и массы, и удельные теплоёмкости:
Готовые выражения полезны для проверки, но основной маршрут через 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:
| Величина | Горячая вода | Холодная вода |
|---|---|---|
| Масса | ||
| Начальная температура | ||
| Температура смеси |
Для горячей воды:
Для холодной воды:
Разность равна . Это не нарушение закона сохранения энергии. В двухучастной модели не учтены калориметр, термометр, воздух, испарение и теплообмен во время переливания.
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
| Ошибка | Как исправить |
|---|---|
| Конечная температура выше начальной горячего тела | Без внешнего источника лежит между начальными температурами. |
| Для отдающего тела записано | В модульном балансе используй . |
| Сокращены разные удельные теплоёмкости | Сокращать можно только общий множитель; для разных веществ . |
| объявлено нарушением закона | Назови неучтённых участников: сосуд, термометр и среду. |
| Ответ дан без проверки | Проверь диапазон, единицу и обратный баланс энергии. |
Самостоятельная практика
A. Конечная температура. Смешали воды при и воды при . Потерями пренебречь. Найди .
B. Неизвестная масса. Сколько воды при надо добавить к воды при , чтобы получить смесь при ?
C. Разные вещества. Алюминиевый цилиндр массой при опустили в воды при . Используй и . Найди .
Проверь себя
- Как определить, какое тело отдаёт энергию?
- Почему конечная температура идеальной системы лежит между начальными?
- В чём смысл равенства ?
- Когда при смешивании воды можно сократить ?
- Почему для алюминия и воды нельзя сократить ?
- Назови двух дополнительных участников реального теплообмена.
Сначала реши задания самостоятельно. Затем переходи к ответам.
Ответы
- Отдаёт энергию тело, температура которого уменьшается.
- Горячее тело охлаждается, а холодное нагревается до общей промежуточной температуры.
- В идеальной изолированной системе энергия отдающих тел полностью получена нагревающимися телами.
- Когда обе порции — одно вещество и является общим множителем обеих частей.
- Их удельные теплоёмкости различны.
- Например, калориметр и воздух; также термометр.
Самостоятельная практика:
A.
Проверка: .
B.
Обратная проверка: .
C.
Проверка: . 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 .
- Количество теплоты каждого участника записывают отдельно как .
- Сокращают только действительно общий множитель.
- Ответ проверяют по диапазону, единице и обратному балансу.
- Расхождение реального опыта с двухучастной моделью указывает на дополнительных участников теплообмена.
10 вопросов по теме «Тест: Уравнение теплового баланса». Выбери ответ, прочитай объяснение и попробуй ещё раз, если ошибся.
Открыть отдельноВопрос 1 из 10
ТренировкаБез отметки и ограничения времени. Первый ответ учитывается отдельно от исправлений. При обновлении страницы ответы сбросятся.
Скачать и открыть
Материалы урока
4 материалаПодготовка к уроку
2 материала· для учителей
Закон сохранения энергии при теплообмене, роли отдающего и получающего тел, уравнение Qотд = Qпол, полный расчёт смеси, анализ модельных данных и проверка границ применимости.
Презентация · MediaSchool
Уравнение теплового баланса: температурный прогноз, роли участников теплообмена, шестишаговый маршрут решения, анализ модельных данных, рабочий лист, ключи и формирующее оценивание.
Методичка · MediaSchool
Проверка знаний
1 материал· для учеников
10 вопросов с объяснениями и повторной попыткой.
Проверочная
Дополнительные материалы
1 материал· для учеников
Создать комплект с ответами и пошаговыми решениями
Другое
От сообщества
Материалы сообщества0
Дополнения от учителей к этому уроку. Проверены модерацией, но не являются редакционным контентом MediaSchool.
Поделитесь первым материалом
Рабочий лист, презентация или методичка помогут другим учителям подготовиться к уроку.
Комментарии
Войдите, чтобы оставлять комментарии.
Пока нет комментариев. Будьте первым!