Нагреть лёд, расплавить, нагреть воду
Добавляй энергию и наблюдай переходы между тремя этапами. Меняй массу образца.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Исходно лёд при −10 °C; cльда = 2,1 кДж/(кг·К), λ = 334 кДж/кг, cводы = 4,2 кДж/(кг·К). Отображение ограничено водой 80 °C: избыток Q явно выделяется, дальнейший процесс не моделируется.
Передача: теплота не хранится в теле
Теплообмен — передача энергии из-за разности температур. Количество теплоты Q измеряет эту передачу: положительно, если выбранная система получает энергию, отрицательно, если отдаёт. Внутри тела хранится внутренняя энергия, а не «количество теплоты».
Теплопроводность связана с передачей энергии между соседними частицами, конвекция — с движением потоков среды, излучение — с электромагнитными волнами. Излучение возможно и в вакууме.
| Механизм | Что переносит энергию |
|---|---|
| Теплопроводность | Взаимодействующие частицы без общего потока вещества |
| Конвекция | Движущиеся объёмы жидкости или газа |
| Излучение | Электромагнитные волны |
Q описывает процесс теплообмена, а не самостоятельный запас энергии тела.
Всегда ли Q равно ΔU?
Нет. Если система одновременно совершает работу, часть полученной энергии может уйти на эту работу.
Нагревание: теплоёмкость и масса
Без фазового перехода Q = cmΔT, если c можно считать постоянной и выбранные условия нагрева соответствуют этой теплоёмкости. Теплоёмкость всего тела C = cm, единица Дж/К; удельная теплоёмкость c измеряется в Дж/(кг·К).
Для 0,5 кг воды при c = 4200 Дж/(кг·К) нагрев на 20 К требует 42000 Дж. У газа теплоёмкость зависит от процесса: нагрев при постоянном давлении включает ещё работу расширения.
Всё тело
C = Q/ΔT при заданных условиях
Единица массы
c = C/m
Нагрев без перехода
Q = cm(T₂ − T₁)
Теплоёмкость тела и удельная теплоёмкость имеют разные единицы.
Почему нельзя использовать одну теплоёмкость газа для любых процессов?
При разных условиях различаются работа газа и требуемая теплота на одно и то же повышение температуры.
Кубики льда
Плавление требует энергии даже при неизменной температуре. Нагрев льда, плавление и нагрев воды считают отдельными этапами.
בר · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Металлический чайник
При нагревании без перехода применяют cmΔT, а при парообразовании добавляют отдельную скрытую теплоту.
পাপৰি বৰা · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Переходы: энергия без роста температуры
При плавлении чистого вещества при заданном давлении Q = λm; при парообразовании при соответствующих условиях Q = Lm. Для обратных переходов — кристаллизации и конденсации — теплота имеет отрицательный знак для отдающего энергию вещества.
Если лёд сначала нагревается до 0 °C, затем плавится и вода нагревается дальше, процесс разбивают на этапы. Одна формула cmΔT не учитывает скрытую теплоту перехода. Значения λ и L берут для вещества и указанных условий.
| Этап | Формула полученной теплоты |
|---|---|
| Нагревание | cmΔT |
| Плавление | +λm |
| Кристаллизация | −λm |
| Парообразование | +Lm |
| Конденсация | −Lm |
Фазовый переход требует отдельного энергетического слагаемого.
Куда идёт энергия во время плавления при постоянной температуре?
Меняется взаимодействие и расположение частиц; внутренняя энергия увеличивается без роста средней температуры.
Баланс: учесть все тела и этапы
В теплоизолированной системе без внешней работы сумма теплот всех частей равна нулю: ΣQ = 0. Более горячие тела дают отрицательные слагаемые, более холодные — положительные. При заметной теплоёмкости сосуда учитывают и его.
Интерактив показывает нагрев льда, плавление и нагрев получившейся воды. Сначала вычисли энергию до границы этапа, затем проверь, достаточно ли внесённой теплоты, чтобы перейти дальше. Частичное плавление — нормальный возможный результат.
Границы системы
Вода, лёд, сосуд и другие тела
Этапы
Нагрев, переход, следующий нагрев
Проверка
Сумма передач и допустимость конечного состояния
Тепловой баланс составляют по всем участникам и проверяют возможные фазовые переходы.
Почему ответ выше 0 °C неверен, если не хватило энергии расплавить весь лёд?
Пока сохраняется равновесная смесь льда и воды при обычном давлении, внесённая энергия идёт на плавление при температуре около 0 °C.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 13. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 13. Количество теплоты.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.