Formule pour la quantité de chaleur nécessaire au chauffage. Calcul de la quantité de chaleur lors du transfert de chaleur, capacité thermique spécifique d'une substance

Dans cette leçon, nous apprendrons à calculer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps ou libérée par celui-ci lors du refroidissement. Pour ce faire, nous résumerons les connaissances acquises lors des leçons précédentes.

De plus, nous apprendrons, à l'aide de la formule de la quantité de chaleur, à exprimer les quantités restantes à partir de cette formule et à les calculer, connaissant d'autres quantités. Un exemple de problème avec une solution pour calculer la quantité de chaleur sera également considéré.

Cette leçon est consacrée au calcul de la quantité de chaleur lorsqu'un corps est chauffé ou libérée lorsqu'il est refroidi.

La capacité de calculer la quantité de chaleur requise est très importante. Cela peut être nécessaire, par exemple, pour calculer la quantité de chaleur qui doit être transmise à l'eau pour chauffer une pièce.

Riz. 1. La quantité de chaleur qui doit être transmise à l'eau pour chauffer la pièce

Ou pour calculer la quantité de chaleur dégagée lorsque le carburant est brûlé dans divers moteurs :

Riz. 2. La quantité de chaleur dégagée lorsque le carburant brûle dans le moteur

Ces connaissances sont également nécessaires, par exemple, pour déterminer la quantité de chaleur dégagée par le Soleil et tombant sur la Terre :

Riz. 3. La quantité de chaleur dégagée par le Soleil et tombant sur la Terre

Pour calculer la quantité de chaleur, vous devez savoir trois choses (Fig. 4) :

• le poids corporel (qui peut généralement être mesuré à l’aide d’une balance) ;
• la différence de température par laquelle un corps doit être chauffé ou refroidi (généralement mesurée à l'aide d'un thermomètre) ;
• capacité thermique spécifique du corps (qui peut être déterminée à partir du tableau).

Riz. 4. Ce que vous devez savoir pour déterminer

La formule par laquelle la quantité de chaleur est calculée ressemble à ceci :

Les quantités suivantes apparaissent dans cette formule :

La quantité de chaleur mesurée en joules (J);

La capacité thermique spécifique d'une substance se mesure en ;

- différence de température, mesurée en degrés Celsius ().

Considérons le problème du calcul de la quantité de chaleur.

Tâche

Un verre en cuivre d'une masse de grammes contient de l'eau d'un volume de litre à une température. Quelle quantité de chaleur faut-il transférer à un verre d'eau pour que sa température devienne égale à ?

Riz. 5. Illustration des conditions problématiques

Nous écrivons d’abord une courte condition ( Donné) et convertissez toutes les quantités dans le système international (SI).

Donné:	SI
Trouver:

Solution:

Tout d’abord, déterminez de quelles autres quantités nous avons besoin pour résoudre ce problème. En utilisant le tableau de capacité thermique spécifique (Tableau 1), nous trouvons (capacité thermique spécifique du cuivre, puisque par condition le verre est du cuivre), (capacité thermique spécifique de l'eau, puisque par condition il y a de l'eau dans le verre). De plus, nous savons que pour calculer la quantité de chaleur, nous avons besoin d’une masse d’eau. Selon la condition, on nous donne uniquement le volume. Par conséquent, à partir du tableau, nous prenons la densité de l'eau : (Tableau 2).

Tableau 1. Capacité thermique spécifique de certaines substances,

Tableau 2. Densités de certains liquides

Nous avons désormais tout ce dont nous avons besoin pour résoudre ce problème.

Notez que la quantité de chaleur finale sera constituée de la somme de la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer le verre en cuivre et de la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer l'eau qu'il contient :

Calculons d'abord la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un verre en cuivre :

Avant de calculer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer l'eau, calculons la masse d'eau à l'aide d'une formule qui nous est familière dès la 7e année :

On peut maintenant calculer :

On peut alors calculer :

Rappelons ce que signifient les kilojoules. Le préfixe « kilo » signifie .

Répondre:.

Pour faciliter la résolution des problèmes de recherche de la quantité de chaleur (les problèmes dits directs) et des quantités associées à ce concept, vous pouvez utiliser le tableau suivant.

Quantité requise	Désignation	Unités	Formule de base	Formule pour la quantité
Quantité de chaleur

Le processus de transfert d'énergie d'un corps à un autre sans effectuer de travail est appelé échange de chaleur ou transfert de chaleur. L'échange de chaleur se produit entre des corps ayant des températures différentes. Lorsqu'un contact s'établit entre des corps ayant des températures différentes, une partie de l'énergie interne est transférée d'un corps ayant une température plus élevée vers un corps ayant une température plus basse. L’énergie transférée à un corps suite à un échange thermique est appelée quantité de chaleur.

Capacité thermique spécifique d'une substance :

Si le processus de transfert de chaleur ne s'accompagne pas de travail, alors, sur la base de la première loi de la thermodynamique, la quantité de chaleur est égale à la variation de l'énergie interne du corps : .

L'énergie moyenne du mouvement de translation aléatoire des molécules est proportionnelle à la température absolue. La variation de l'énergie interne d'un corps est égale à la somme algébrique des variations de l'énergie de tous les atomes ou molécules, dont le nombre est proportionnel à la masse du corps, donc la variation de l'énergie interne et, par conséquent, la quantité de chaleur est proportionnelle à la masse et à la variation de température :

Le facteur de proportionnalité dans cette équation est appelé capacité thermique spécifique d'une substance. La capacité thermique spécifique indique la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 1 kg d'une substance de 1 K.

Travaux en thermodynamique :

En mécanique, le travail est défini comme le produit des modules de force et de déplacement et du cosinus de l'angle qui les sépare. Le travail est effectué lorsqu'une force agit sur un corps en mouvement et est égale à la variation de son énergie cinétique.

En thermodynamique, le mouvement d'un corps dans son ensemble n'est pas pris en compte, nous parlons du mouvement des parties d'un corps macroscopique les unes par rapport aux autres. En conséquence, le volume du corps change, mais sa vitesse reste égale à zéro. Le travail en thermodynamique est défini de la même manière qu'en mécanique, mais est égal à la modification non pas de l'énergie cinétique du corps, mais de son énergie interne.

Lorsqu'un travail est effectué (compression ou détente), l'énergie interne du gaz change. La raison en est : lors de collisions élastiques de molécules de gaz avec un piston en mouvement, leur énergie cinétique change.

Calculons le travail effectué par le gaz lors de la détente. Le gaz exerce une force sur le piston
, Où - la pression du gaz, et - superficie piston Lorsque le gaz se dilate, le piston se déplace dans le sens de la force distance courte
. Si la distance est petite, la pression du gaz peut être considérée comme constante. Le travail effectué par le gaz est :

Où
- changement de volume de gaz.

Dans le processus de dilatation du gaz, il effectue un travail positif, puisque la direction de la force et du déplacement coïncident. Au cours du processus d’expansion, le gaz libère de l’énergie aux corps environnants.

Le travail effectué par des corps externes sur un gaz ne diffère du travail effectué par un gaz que par le signe
, puisque la force , agissant sur le gaz, est opposée à la force , avec lequel le gaz agit sur le piston, et lui est égal en module (troisième loi de Newton) ; et le mouvement reste le même. Par conséquent, le travail des forces extérieures est égal à :

.

Première loi de la thermodynamique :

La première loi de la thermodynamique est la loi de conservation de l'énergie, étendue aux phénomènes thermiques. Loi de conservation de l’énergie : L'énergie dans la nature ne surgit pas de rien et ne disparaît pas : la quantité d'énergie est inchangée, elle ne fait que passer d'une forme à une autre.

La thermodynamique considère les corps dont le centre de gravité reste pratiquement inchangé. L'énergie mécanique de ces corps reste constante et seule l'énergie interne peut changer.

L'énergie interne peut changer de deux manières : le transfert de chaleur et le travail. Dans le cas général, l'énergie interne change à la fois en raison du transfert de chaleur et du travail effectué. La première loi de la thermodynamique est formulée précisément pour de tels cas généraux :

La variation de l'énergie interne d'un système lors de sa transition d'un état à un autre est égale à la somme du travail des forces externes et de la quantité de chaleur transférée au système :

Si le système est isolé, aucun travail n’est effectué dessus et il n’échange pas de chaleur avec les corps environnants. Selon la première loi de la thermodynamique l'énergie interne d'un système isolé reste inchangée.

Étant donné que
, la première loi de la thermodynamique peut s'écrire comme suit :

La quantité de chaleur transférée au système sert à modifier son énergie interne et à effectuer un travail sur les corps externes par le système..

Deuxième loi de la thermodynamique : Il est impossible de transférer de la chaleur d’un système plus froid à un système plus chaud en l’absence d’autres changements simultanés dans les deux systèmes ou dans les corps environnants.

721. Pourquoi l'eau est-elle utilisée pour refroidir certains mécanismes ?
L'eau a une capacité thermique spécifique élevée, ce qui facilite une bonne évacuation de la chaleur du mécanisme.

722. Dans quel cas faut-il dépenser plus d'énergie : pour chauffer un litre d'eau à 1 °C ou pour chauffer cent grammes d'eau à 1 °C ?
Pour chauffer un litre d’eau, plus la masse est grande, plus il faut dépenser d’énergie.

723. Des fourchettes en cupronickel et en argent de masse égale ont été plongées dans l'eau chaude. Recevront-ils la même quantité de chaleur de l’eau ?
Une fourchette en cupronickel recevra plus de chaleur car la chaleur spécifique du cupronickel est supérieure à celle de l'argent.

724. Un morceau de plomb et un morceau de fonte de même masse ont été frappés trois fois avec une masse. Quelle pièce est devenue la plus chaude ?
Le plomb chauffera davantage car sa capacité thermique spécifique est inférieure à celle de la fonte et il faut moins d’énergie pour chauffer le plomb.

725. Un flacon contient de l'eau, l'autre contient du kérosène de même masse et température. Un cube de fer également chauffé a été déposé dans chaque flacon. Qu'est-ce qui chauffera à une température plus élevée : l'eau ou le kérosène ?
Kérosène.

726. Pourquoi les fluctuations de température en hiver et en été sont-elles moins prononcées dans les villes situées en bord de mer que dans les villes situées à l'intérieur des terres ?
L'eau se réchauffe et se refroidit plus lentement que l'air. En hiver, il se refroidit et déplace des masses d’air chaud vers la terre ferme, ce qui réchauffe le climat de la côte.

727. La capacité thermique spécifique de l’aluminium est de 920 J/kg °C. Qu'est-ce que cela signifie?
Cela signifie que pour chauffer 1 kg d’aluminium de 1 °C, il faut dépenser 920 J.

728. Les barres d'aluminium et de cuivre de même masse 1 kg sont refroidies à 1 °C. Dans quelle mesure l’énergie interne de chaque bloc va-t-elle changer ? Pour quelle barre cela changera-t-il le plus et de combien ?

729. Quelle quantité de chaleur est nécessaire pour chauffer un kilogramme de billette de fer à 45 °C ?

730. Quelle quantité de chaleur est nécessaire pour chauffer 0,25 kg d'eau de 30 °C à 50 °C ?

731. Comment l'énergie interne de deux litres d'eau changera-t-elle lorsqu'elle sera chauffée à 5 °C ?

732. Quelle quantité de chaleur faut-il pour chauffer 5 g d'eau de 20 °C à 30 °C ?

733. Quelle quantité de chaleur est nécessaire pour chauffer une boule d'aluminium pesant 0,03 kg à 72 °C ?

734. Calculez la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 15 kg de cuivre à 80 °C.

735. Calculez la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 5 kg de cuivre de 10 °C à 200 °C.

736. Quelle quantité de chaleur est nécessaire pour chauffer 0,2 kg d'eau de 15 °C à 20 °C ?

737. L'eau pesant 0,3 kg s'est refroidie de 20 °C. Dans quelle mesure l’énergie interne de l’eau a-t-elle diminué ?

738. Quelle quantité de chaleur est nécessaire pour chauffer 0,4 kg d'eau à une température de 20 °C jusqu'à une température de 30 °C ?

739. Quelle quantité de chaleur est dépensée pour chauffer 2,5 kg d'eau à 20 °C ?

740. Quelle quantité de chaleur a été dégagée lorsque 250 g d'eau ont refroidi de 90 °C à 40 °C ?

741. Quelle quantité de chaleur est nécessaire pour chauffer 0,015 litre d’eau de 1 °C ?

742. Calculer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un étang d'un volume de 300 m3 à 10 °C ?

743. Quelle quantité de chaleur faut-il ajouter à 1 kg d'eau pour augmenter sa température de 30 °C à 40 °C ?

744. L'eau d'un volume de 10 litres est passée d'une température de 100 °C à une température de 40 °C. Quelle quantité de chaleur a été dégagée pendant cela ?

745. Calculez la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 1 m3 de sable à 60 °C.

746. Volume d'air 60 m3, capacité thermique spécifique 1000 J/kg °C, densité de l'air 1,29 kg/m3. Quelle quantité de chaleur faut-il pour la porter à 22°C ?

747. L'eau a été chauffée à 10 °C, dépensant 4,20 103 J de chaleur. Déterminez la quantité d’eau.

748. 20,95 kJ de chaleur ont été transmis à de l'eau pesant 0,5 kg. Quelle est la température de l’eau si la température initiale de l’eau était de 20 °C ?

749. Une casserole en cuivre pesant 2,5 kg est remplie de 8 kg d'eau à 10 °C. Quelle quantité de chaleur faut-il pour faire bouillir l’eau de la casserole ?

750. Dans une louche en cuivre pesant 300 g, on verse un litre d'eau à une température de 15 °C. Quelle quantité de chaleur faut-il pour chauffer l'eau de la louche à 85 °C ?

751. Un morceau de granit chauffé pesant 3 kg est placé dans l'eau. Le granit transfère 12,6 kJ de chaleur à l’eau, refroidissant de 10 °C. Quelle est la capacité thermique spécifique de la pierre ?

752. De l'eau chaude à 50 °C a été ajoutée à 5 kg d'eau à 12 °C, obtenant un mélange à une température de 30 °C. Combien d'eau as-tu ajouté ?

753. De l'eau à 20 °C a été ajoutée à 3 litres d'eau à 60 °C, obtenant ainsi de l'eau à 40 °C. Combien d'eau as-tu ajouté ?

754. Quelle sera la température du mélange si l'on mélange 600 g d'eau à 80 °C avec 200 g d'eau à 20 °C ?

755. Un litre d'eau à 90 °C a été versé dans de l'eau à 10 °C et la température de l'eau est devenue 60 °C. Quelle quantité d’eau froide y avait-il ?

756. Déterminer la quantité d'eau chaude chauffée à 60 °C qui doit être versée dans un récipient si celui-ci contient déjà 20 litres d'eau froide à une température de 15 °C ; la température du mélange doit être de 40 °C.

757. Déterminez la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 425 g d'eau à 20 °C.

758. De combien de degrés 5 kg d'eau chaufferont-ils si l'eau reçoit 167,2 kJ ?

759. Quelle quantité de chaleur est nécessaire pour chauffer m grammes d'eau à la température t1 jusqu'à la température t2 ?

760. 2 kg d'eau sont versés dans un calorimètre à une température de 15 °C. À quelle température l’eau du calorimètre chauffera-t-elle si on y descend un poids en laiton de 500 g chauffé à 100 °C ? La capacité thermique spécifique du laiton est de 0,37 kJ/(kg °C).

761. Il existe des morceaux de cuivre, d'étain et d'aluminium de même volume. Laquelle de ces pièces a la plus grande et laquelle a la plus petite capacité thermique ?

762. 450 g d'eau, dont la température était de 20 °C, ont été versés dans le calorimètre. Lorsque 200 g de limaille de fer chauffée à 100 °C étaient immergés dans cette eau, la température de l'eau atteignait 24 °C. Déterminez la capacité thermique spécifique de la sciure de bois.

763. Un calorimètre en cuivre pesant 100 g contient 738 g d'eau dont la température est de 15 °C. 200 g de cuivre ont été plongés dans ce calorimètre à une température de 100 °C, après quoi la température du calorimètre s'est élevée à 17 °C. Quelle est la capacité thermique spécifique du cuivre ?

764. Une bille d'acier pesant 10 g est sortie du four et placée dans l'eau à une température de 10 °C. La température de l'eau est montée à 25 °C. Quelle était la température de la boule dans le four si la masse d'eau était de 50 g ? La capacité thermique spécifique de l'acier est de 0,5 kJ/(kg °C).

770. Un couteau en acier pesant 2 kg a été chauffé à une température de 800 °C puis descendu dans un récipient contenant 15 litres d'eau à une température de 10 °C. Jusqu’à quelle température l’eau du récipient sera-t-elle chauffée ?

(Indication : Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de créer une équation dans laquelle la température inconnue de l'eau dans le récipient après l'abaissement du couteau est prise comme inconnue.)

771. Quelle température obtiendra l'eau si vous mélangez 0,02 kg d'eau à 15 °C, 0,03 kg d'eau à 25 °C et 0,01 kg d'eau à 60 °C ?

772. Pour chauffer une classe bien ventilée, la quantité de chaleur nécessaire est de 4,19 MJ par heure. L'eau entre dans les radiateurs de chauffage à 80 °C et en sort à 72 °C. Quelle quantité d’eau doit être fournie aux radiateurs chaque heure ?

773. Du plomb pesant 0,1 kg à une température de 100 °C a été immergé dans un calorimètre en aluminium pesant 0,04 kg contenant 0,24 kg d'eau à une température de 15 °C. Après quoi la température dans le calorimètre atteint 16 °C. Quelle est la chaleur spécifique du plomb ?

Capacité thermique- c'est la quantité de chaleur absorbée par le corps lorsqu'il est chauffé de 1 degré.

La capacité thermique d'un corps est indiquée par une lettre latine majuscule AVEC.

De quoi dépend la capacité thermique d’un corps ? Tout d’abord de par sa masse. Il est clair que chauffer, par exemple, 1 kilogramme d’eau nécessitera plus de chaleur que chauffer 200 grammes.

Qu’en est-il du type de substance ? Faisons une expérience. Prenons deux récipients identiques et, après avoir versé dans l'un d'eux 400 g d'eau et dans l'autre de l'huile végétale pesant 400 g, nous commencerons à les chauffer à l'aide de brûleurs identiques. En observant les lectures du thermomètre, nous verrons que l'huile chauffe rapidement. Pour chauffer l’eau et l’huile à la même température, l’eau doit être chauffée plus longtemps. Mais plus nous chauffons l’eau longtemps, plus elle reçoit de chaleur du brûleur.

Ainsi, différentes quantités de chaleur sont nécessaires pour chauffer la même masse de différentes substances à la même température. La quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps et, par conséquent, sa capacité thermique dépendent du type de substance qui compose le corps.

Ainsi, par exemple, pour augmenter la température d'une eau pesant 1 kg de 1°C, il faut une quantité de chaleur égale à 4200 J, et pour chauffer la même masse d'huile de tournesol de 1°C, une quantité de chaleur égale à 1700 J sont requis.

Une grandeur physique indiquant la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 1 kg d'une substance de 1 ºС est appelée la capacité thermique spécifique de cette substance.

Chaque substance possède sa propre capacité thermique spécifique, désignée par la lettre latine c et mesurée en joules par kilogramme degré (J/(kg °C)).

La capacité thermique spécifique d'une même substance dans différents états d'agrégation (solide, liquide et gazeux) est différente. Par exemple, la capacité thermique spécifique de l’eau est de 4 200 J/(kg °C) et la capacité thermique spécifique de la glace est de 2 100 J/(kg °C) ; l'aluminium à l'état solide a une capacité thermique spécifique de 920 J/(kg - °C) et à l'état liquide - 1080 J/(kg - °C).

Notez que l’eau a une capacité thermique spécifique très élevée. Par conséquent, l'eau des mers et des océans, se réchauffant en été, absorbe une grande quantité de chaleur de l'air. Grâce à cela, dans les endroits situés à proximité de grands plans d'eau, l'été n'est pas aussi chaud que dans les endroits éloignés de l'eau.

Calcul de la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps ou dégagée par celui-ci lors du refroidissement.

De ce qui précède, il ressort clairement que la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps dépend du type de substance qui le compose (c'est-à-dire sa capacité thermique spécifique) et de la masse du corps. Il est également clair que la quantité de chaleur dépend du degré d’augmentation de la température corporelle.

Ainsi, pour déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps ou dégagée par celui-ci lors du refroidissement, il faut multiplier la capacité thermique spécifique du corps par sa masse et par la différence entre ses températures finale et initiale :

Q= cm (t 2 -t 1),

Où Q- quantité de chaleur, c- la capacité thermique spécifique, m- masse corporelle, t1- température initiale, t 2- température finale.

Quand le corps se réchauffe t 2> t1 et donc Q >0 . Quand le corps se refroidit t 2i< t1 et donc Q< 0 .

Si la capacité thermique de tout le corps est connue AVEC, Q déterminé par la formule : Q = C (t 2 - t1).

22) Fusion : définition, calcul de la quantité de chaleur pour la fusion ou la solidification, chaleur spécifique de fusion, graphique de t 0 (Q).

Thermodynamique

Branche de la physique moléculaire qui étudie le transfert d'énergie, les modèles de transformation d'un type d'énergie en un autre. Contrairement à la théorie de la cinétique moléculaire, la thermodynamique ne prend pas en compte la structure interne des substances et les microparamètres.

Système thermodynamique

C'est un ensemble de corps qui échangent de l'énergie (sous forme de travail ou de chaleur) entre eux ou avec l'environnement. Par exemple, l'eau dans la bouilloire refroidit et la chaleur est échangée entre l'eau et la bouilloire et la chaleur de la bouilloire avec l'environnement. Un cylindre avec du gaz sous le piston : le piston effectue un travail, à la suite duquel le gaz reçoit de l'énergie et ses macroparamètres changent.

Quantité de chaleur

Ce énergie, que le système reçoit ou libère pendant le processus d'échange thermique. Désignée par le symbole Q, elle se mesure, comme toute énergie, en Joules.

En raison de divers processus d'échange thermique, l'énergie transférée est déterminée à sa manière.

Chauffage et refroidissement

Ce processus se caractérise par un changement de température du système. La quantité de chaleur est déterminée par la formule

Capacité thermique spécifique d'une substance avec mesuré par la quantité de chaleur nécessaire pour se réchauffer unités de masse de cette substance par 1K. Chauffer 1 kg de verre ou 1 kg d’eau nécessite différentes quantités d’énergie. La capacité thermique spécifique est une quantité connue, déjà calculée pour toutes les substances ; voir la valeur dans les tableaux physiques.

Capacité thermique de la substance C- c'est la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps sans tenir compte de sa masse par 1K.

Fusion et cristallisation

La fusion est le passage d'une substance de l'état solide à l'état liquide. La transition inverse est appelée cristallisation.

L'énergie dépensée pour la destruction du réseau cristallin d'une substance est déterminée par la formule

La chaleur spécifique de fusion est une valeur connue pour chaque substance ; voir la valeur dans les tableaux physiques.

Vaporisation (évaporation ou ébullition) et condensation

La vaporisation est le passage d'une substance d'un état liquide (solide) à un état gazeux. Le processus inverse est appelé condensation.

La chaleur spécifique de vaporisation est une valeur connue pour chaque substance ; voir la valeur dans les tableaux physiques.

La combustion

La quantité de chaleur dégagée lorsqu'une substance brûle

La chaleur spécifique de combustion est une valeur connue pour chaque substance ; voir la valeur dans les tableaux physiques.

Pour un système de corps fermé et adiabatiquement isolé, l’équation du bilan thermique est satisfaite. La somme algébrique des quantités de chaleur émises et reçues par tous les corps participant à l'échange thermique est égale à zéro :

Q 1 +Q 2 +...+Q n =0

23) La structure des liquides. Couche de surface. Force de tension superficielle : exemples de manifestation, calcul, coefficient de tension superficielle.

De temps en temps, n’importe quelle molécule peut se déplacer vers un emplacement vacant à proximité. De tels sauts de liquides se produisent assez souvent ; par conséquent, les molécules ne sont pas liées à des centres spécifiques, comme dans les cristaux, et peuvent se déplacer dans tout le volume du liquide. Ceci explique la fluidité des liquides. En raison de la forte interaction entre des molécules proches, elles peuvent former des groupes ordonnés locaux (instables) contenant plusieurs molécules. Ce phénomène est appelé clôturer la commande(Fig. 3.5.1).

Le coefficient β est appelé coefficient de température de dilatation volumétrique . Ce coefficient pour les liquides est dix fois supérieur à celui pour les solides. Pour l'eau par exemple à une température de 20 °C β in ≈ 2 10 – 4 K – 1, pour l'acier β st ≈ 3,6 10 – 5 K – 1, pour le verre de quartz β kv ≈ 9 10 – 6 K - 1 .

La dilatation thermique de l’eau présente une anomalie intéressante et importante pour la vie sur Terre. À des températures inférieures à 4 °C, l'eau se dilate à mesure que la température diminue (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

Lorsque l’eau gèle, elle se dilate, de sorte que la glace reste flottante à la surface d’une étendue d’eau gelée. La température de l’eau gelée sous la glace est de 0 °C. Dans les couches d'eau plus denses au fond du réservoir, la température est d'environ 4 °C. Grâce à cela, la vie peut exister dans l’eau des réservoirs gelés.

La caractéristique la plus intéressante des liquides est la présence Surface libre . Le liquide, contrairement aux gaz, ne remplit pas tout le volume du récipient dans lequel il est versé. Une interface se forme entre le liquide et le gaz (ou la vapeur), qui se trouve dans des conditions particulières par rapport au reste du liquide. Il convient de garder à l'esprit qu'en raison de la compressibilité extrêmement faible, la présence d'une couche superficielle plus dense n'entraîne aucun changement notable dans le volume du liquide. Si une molécule se déplace de la surface vers le liquide, les forces d’interaction intermoléculaire effectueront un travail positif. Au contraire, afin de tirer un certain nombre de molécules des profondeurs du liquide vers la surface (c'est-à-dire augmenter la surface du liquide), les forces extérieures doivent effectuer un travail positif Δ UN externe, proportionnel au changement Δ S superficie :

On sait en mécanique que les états d’équilibre d’un système correspondent à la valeur minimale de son énergie potentielle. Il s'ensuit que la surface libre du liquide tend à réduire sa surface. Pour cette raison, une goutte libre de liquide prend une forme sphérique. Le liquide se comporte comme si des forces agissant tangentiellement à sa surface contractaient (tiraient) cette surface. Ces forces sont appelées forces de tension superficielle .

La présence de forces de tension superficielle fait ressembler la surface d'un liquide à un film élastique étiré, à la seule différence que les forces élastiques dans le film dépendent de sa surface (c'est-à-dire de la manière dont le film est déformé) et de la tension superficielle. les forces ne dépend pas sur la surface du liquide.

Certains liquides, comme l’eau savonneuse, ont la capacité de former de fines pellicules. Les bulles de savon bien connues ont une forme sphérique régulière, ce qui montre également l'effet des forces de tension superficielle. Si un cadre en fil de fer, dont l'un des côtés est mobile, est plongé dans une solution savonneuse, alors tout le cadre sera recouvert d'un film de liquide (Fig. 3.5.3).

Les forces de tension superficielle ont tendance à réduire la surface du film. Pour équilibrer le côté mobile du cadre, une force externe doit lui être appliquée. Si, sous l'influence de la force, la traverse se déplace de Δ X, alors le travail Δ sera effectué UN vn = F vnΔ X = Δ E p = σΔ S, où Δ S = 2LΔ X– augmentation de la surface des deux côtés du film de savon. Puisque les modules de forces et sont les mêmes, on peut écrire :

Ainsi, le coefficient de tension superficielle σ peut être défini comme module de la force de tension superficielle agissant par unité de longueur de la ligne délimitant la surface.

En raison de l'action des forces de tension superficielle dans les gouttes de liquide et à l'intérieur des bulles de savon, une surpression Δ apparaît p. Si vous coupez mentalement une goutte sphérique de rayon R. en deux moitiés, alors chacune d'elles doit être en équilibre sous l'action des forces de tension superficielle appliquées à la frontière coupée de longueur 2π R. et forces de surpression agissant sur la zone π R. 2 sections (Fig. 3.5.4). La condition d’équilibre s’écrit

Si ces forces sont supérieures aux forces d'interaction entre les molécules du liquide lui-même, alors le liquide mouille surface d'un solide. Dans ce cas, le liquide s'approche de la surface du solide selon un certain angle aigu θ, caractéristique d'un couple liquide-solide donné. L'angle θ s'appelle Angle de contact . Si les forces d'interaction entre les molécules liquides dépassent les forces de leur interaction avec des molécules solides, alors l'angle de contact θ s'avère obtus (Fig. 3.5.5). Dans ce cas, on dit que le liquide ne mouille pas surface d'un solide. À mouillage completθ = 0, à complètement non mouillantθ = 180°.

Phénomènes capillaires appelé montée ou descente de liquide dans des tubes de petit diamètre - capillaires. Les liquides mouillants montent dans les capillaires, les liquides non mouillants descendent.

En figue. 3.5.6 montre un tube capillaire d'un certain rayon r, descendu à l'extrémité inférieure dans un liquide mouillant de densité ρ. L'extrémité supérieure du capillaire est ouverte. La montée du liquide dans le capillaire se poursuit jusqu'à ce que la force de gravité agissant sur la colonne de liquide dans le capillaire devienne égale en ampleur à la résultante. F n forces de tension superficielle agissant le long de la limite de contact du liquide avec la surface du capillaire : F t = F n, où F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cosθ.

Cela implique:

Avec non-mouillage complet θ = 180°, cos θ = –1 et donc h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

L'eau mouille presque complètement la surface du verre propre. Au contraire, le mercure ne mouille pas complètement la surface du verre. Par conséquent, le niveau de mercure dans le capillaire en verre descend en dessous du niveau dans le récipient.

24) Vaporisation : définition, types (évaporation, ébullition), calcul de la quantité de chaleur pour la vaporisation et la condensation, chaleur spécifique de vaporisation.

Évaporation et condensation. Explication du phénomène d'évaporation basée sur des idées sur la structure moléculaire de la matière. Chaleur spécifique de vaporisation. Ses unités.

Le phénomène de transformation d’un liquide en vapeur est appelé vaporisation.

Évaporation - le processus de vaporisation se produisant à partir d'une surface ouverte.

Les molécules liquides se déplacent à des vitesses différentes. Si une molécule se retrouve à la surface d’un liquide, elle peut vaincre l’attraction des molécules voisines et s’envoler hors du liquide. Les molécules éjectées forment de la vapeur. Les molécules restantes du liquide changent de vitesse lors d'une collision. Dans le même temps, certaines molécules acquièrent une vitesse suffisante pour s'envoler hors du liquide. Ce processus se poursuit afin que les liquides s'évaporent lentement.

*Le taux d'évaporation dépend du type de liquide. Les liquides dont les molécules sont attirées avec moins de force s'évaporent plus rapidement.

*L'évaporation peut se produire à n'importe quelle température. Mais à des températures élevées, l'évaporation se produit plus rapidement .

*Le taux d'évaporation dépend de sa superficie.

*Avec le vent (flux d'air), l'évaporation se produit plus rapidement.

Lors de l'évaporation, l'énergie interne diminue, car Lors de l'évaporation, le liquide laisse des molécules rapides, donc la vitesse moyenne des molécules restantes diminue. Cela signifie que s’il n’y a pas d’afflux d’énergie extérieure, alors la température du liquide diminue.

Le phénomène de transformation de la vapeur en liquide est appelé condensation. Elle s'accompagne d'une libération d'énergie.

La condensation de la vapeur explique la formation des nuages. La vapeur d’eau qui s’élève au-dessus du sol forme des nuages ​​dans les couches supérieures d’air froid, constitués de minuscules gouttes d’eau.

Chaleur spécifique de vaporisation - physique une valeur indiquant la quantité de chaleur nécessaire pour convertir un liquide pesant 1 kg en vapeur sans changer de température.

Oud. chaleur de vaporisation désigné par la lettre L et mesuré en J/kg

Oud. chaleur de vaporisation de l'eau : L=2,3×10 6 J/kg, alcool L=0,9×10 6

Quantité de chaleur nécessaire pour convertir un liquide en vapeur : Q = Lm

(ou transfert de chaleur).

Capacité thermique spécifique d'une substance.

Capacité thermique- c'est la quantité de chaleur absorbée par un corps lorsqu'il est chauffé de 1 degré.

La capacité thermique d'un corps est indiquée par une lettre latine majuscule AVEC.

De quoi dépend la capacité thermique d’un corps ? Tout d’abord de par sa masse. Il est clair que chauffer, par exemple, 1 kilogramme d’eau nécessitera plus de chaleur que chauffer 200 grammes.

Qu’en est-il du type de substance ? Faisons une expérience. Prenons deux récipients identiques et, après avoir versé dans l'un d'eux 400 g d'eau et dans l'autre de l'huile végétale pesant 400 g, nous commencerons à les chauffer à l'aide de brûleurs identiques. En observant les lectures du thermomètre, nous verrons que l'huile chauffe rapidement. Pour chauffer l’eau et l’huile à la même température, l’eau doit être chauffée plus longtemps. Mais plus nous chauffons l’eau longtemps, plus elle reçoit de chaleur du brûleur.

Ainsi, chauffer la même masse de substances différentes à la même température nécessite différentes quantités de chaleur. La quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps et, par conséquent, sa capacité thermique dépendent du type de substance qui compose le corps.

Ainsi, par exemple, pour augmenter la température d'une eau pesant 1 kg de 1°C, il faut une quantité de chaleur égale à 4200 J, et pour chauffer la même masse d'huile de tournesol de 1°C, une quantité de chaleur égale à 1700 J sont requis.

Une grandeur physique indiquant la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 1 kg d'une substance de 1 ºС est appelée la capacité thermique spécifique de cette substance.

Chaque substance possède sa propre capacité thermique spécifique, désignée par la lettre latine c et mesurée en joules par kilogramme degré (J/(kg °C)).

La capacité thermique spécifique d'une même substance dans différents états d'agrégation (solide, liquide et gazeux) est différente. Par exemple, la capacité thermique spécifique de l’eau est de 4 200 J/(kg °C) et la capacité thermique spécifique de la glace est de 2 100 J/(kg °C) ; l'aluminium à l'état solide a une capacité thermique spécifique de 920 J/(kg - °C) et à l'état liquide - 1080 J/(kg - °C).

Notez que l’eau a une capacité thermique spécifique très élevée. Par conséquent, l'eau des mers et des océans, se réchauffant en été, absorbe une grande quantité de chaleur de l'air. Grâce à cela, dans les endroits situés à proximité de grands plans d'eau, l'été n'est pas aussi chaud que dans les endroits éloignés de l'eau.

Calcul de la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps ou dégagée par celui-ci lors du refroidissement.

De ce qui précède, il ressort clairement que la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps dépend du type de substance qui le compose (c'est-à-dire sa capacité thermique spécifique) et de la masse du corps. Il est également clair que la quantité de chaleur dépend du degré d’augmentation de la température corporelle.

Ainsi, pour déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps ou dégagée par celui-ci lors du refroidissement, il faut multiplier la capacité thermique spécifique du corps par sa masse et par la différence entre ses températures finale et initiale :

Q = cm (t 2 - t 1 ) ,

Où Q- quantité de chaleur, c- la capacité thermique spécifique, m- masse corporelle , t 1 — température initiale, t 2 — température finale.

Quand le corps se réchauffe t 2 > t 1 et donc Q > 0 . Quand le corps se refroidit t 2i< t 1 et donc Q< 0 .

Si la capacité thermique de tout le corps est connue AVEC, Q déterminé par la formule :

Q = C (t 2 - t 1 ) .