W Swiecie materii
(cząsteczkowa budowa materii).
Przemiany energii
w zjawiskach cieplnych
5
a
i
n
a
Rozwiąz
W Swiecie materii (cząsteczkowa budowa materii).
Przemiany energii w zjawiskach cieplnych
100
a Stalowy maszt telewizyjny, woda, powietrze.
b Guma do mazania, plastelina, porcelana.
c Wybieramy pewną liczbę klocków LEGO i budujemy z nich coraz to inną
figurę, a następnie zanurzamy w menzurce z wodą i mierzymy przyrost wyso-
koSci poziomu wody. Za każdym razem jest taki sam.
d JeSli działając siłą zmieniamy kształt ciała, to w chwili, gdy siła przestanie
działać, ciało wraca do pierwotnego kształtu.
e Cząsteczki cieczy są SciSle upakowane jedna obok drugiej i odległoSci mię-
dzy nimi są bardzo małe. Po przelaniu cieczy do innego naczynia, cząsteczki
są tak samo upakowane, więc objętoSć cieczy się nie zmienia.
f Między cząsteczkami gazu są duże odległoSci, więc przy Sciskaniu, cząs-
teczki mogą się do siebie zbliżać i objętoSć maleje. Siły międzycząsteczkowe
w gazach są bardzo małe i dlatego cząsteczki rozbiegają się zawsze po całym
naczyniu.
101
a Fizycy w tym przypadku używają pojęcia temperatury.
b W twoim pokoju temperatura jest zbyt wysoka, abym mogła tutaj inten-
sywnie mySleć (lub: Powietrze w twoim pokoju ma zbyt wysoką temperatu-
rę ... itd.).
c Np. pojęcie przyspieszenia ułatwia przekazywanie informacji o ruchu.
1. SzybkoSć ciał spadających swobodnie na Ziemi wzrasta w każdej se-
kundzie o około 10 m/s, a szybkoSć ciał spadających na Księżycu
wzrasta w każdej sekundzie o około 1,7 m/s.
2. Na Ziemi ciała spadają swobodnie z przyspieszeniem o wartoSci rów-
nej około10 m s2 , a na Księżycu z przyspieszeniem o wartoSci 6 razy
mniejszej (około 1,7 m s2).
Lub: pojęcie ciSnienia.
1. Jednym z czynników wpływajacych na pogodę jest wartoSć siły wy-
wieranej przez atmosferę na jednostkę powierzchni (np. 1m2).
2. Jednym z czynników wpływających na pogodę jest ciSnienie atmosfe-
ryczne.
208
Rozwiązania 5
102 Zmiany objętoSci balonu są spowodowane zmianą ciSnienia powietrza
w tym balonie.
a Rrednia energia kinetyczna cząsteczek zmalała. Cząsteczki o mniejszej
szybkoSci Sredniej słabiej uderzają w wewnętrzną stronę powłoki balonu.
Przez dopompowanie powietrza, zwiększamy liczbę cząsteczek, więc także
liczbę uderzeń cząsteczek na jednostkę powierzchni w jednej sekundzie. Tak
więc, co prawda uderzenia się słabsze, ale jest ich więcej i siła działająca na
jednostkę powierzchni powłoki może osiągnąć taką samą wartoSć, jak przed
włożeniem balonu do lodówki.
b Rrednia energia kinetyczna cząsteczek wzrosła, wzrosła wartoSć siły, jaką
cząsteczki uderzają w wewnętrzną Scianę balonu. JeSli odpowiednio zmniej-
szymy liczbę uderzeń przez zmniejszenie liczby cząsteczek w balonie, to war-
toSć siły działającej na jednostkę powierzchni balonu nie zmieni się.
103 Taka wypowiedx nie może być akceptowana, bo przecież jeSli porówna-
my np. ciężar ołowianej kuleczki i aluminiowego dużego garnka, to okaże się, że
aluminium jest cięższe niż ołów . Porównywać możemy tylko ciężary lub masy
jednakowych objętoSci obu metali, np.1cm3 ołowiu i1cm3aluminium, ale o tym
ile wynosi masa1cm3 danej substancji informuje nas gęstoSć. PowinniSmy więc
mówić: gęstoSć ołowiu jest większa od gęstoSci aluminium .
Podobnie, na lekcjach fizyki powinniSmy ostrożnie używać wyrażeń z mowy po-
tocznej, jeSli w mowie potocznej mają one inne znaczenie niż w fizyce. W spe-
cjalnym fizycznym znaczeniu używamy pojęć: ciało, energia, moc, praca,
ciepło, przymiotnika naładowany itd.
104
a Masa cieczy
m 0,388 kg 0,25 kg 0,138 kg .
m 138 g g
0,92 .
V
150 cm3 cm3
b Była to oliwa.
209
W Swiecie materii (cząsteczkowa budowa materii).
Przemiany energii w zjawiskach cieplnych
105
a Masy kostek korkowej i drewnianej są jednakowe: mk md ,
g g
mk 0,2 Vk , md 0,8 Vd ,
cm3 cm3
0,2Vk 08Vd ,
,
Vk
0,8
4 .
Vd 0,2
Kostka z korka ma 4 razy większą objętoSć.
b ObjętoSci kostek korkowej i drewnianej są jednakowe: Vk Vd ,
mk md
Vk , Vd ,
g g
0,2 0,8
cm3 cm3
mk md md
0,8
, 4 .
02 08 mk 0,2
, ,
Masa kostki drewnianej jest 4 razy większa.
106
a
2000 g g
16,53 .
121 cm3 cm3
GęstoSć materiału korony jest mniejsza od gęstoSci złota, co oznacza, że doda-
no metalu o gęstoSci mniejszej od gęstoSci złota.
b Założymy, że:
x objętoSć złota,
y objętoSć srebra.
g g
x 19,3 y 10,5 2000 g ,
cm3 cm3
x y 121 cm3 ;
y 121 cm3 x ,
210
Rozwiązania 5
g g
x 19,3 (121 cm3 x) 10,5 2000 g ,
cm3 cm3
skąd x 83 cm3 , y 38 cm3 ,
g
mAg 38 cm3 10,5 0,4 kg .
cm3
107 Wzrost energii wewnętrznej nastąpił przez wykonanie pracy w przypad-
kach: a, c, d, e, f, h, i, j, l, natomiast przez dostarczenie ciepła w przypadkach: b, g,
k.
108
a Największą energię wewnętrzną ma woda w trzecim naczyniu, bo jest tam
najwięcej cząsteczek i mają one największe Srednie energie kinetyczne (naj-
wyższa temperatura).
b Ogrzanie wody o10 C wiąże się z odpowiednim wzrostem Sredniej energii
kinetycznej każdej cząsteczki. Tam, gdzie cząsteczek jest najmniej trzeba do-
starczyć najmniej ciepła (A).
c Obniżenie temperatury wody o 15 C wiąże się z odpowiednim zmniejsze-
niem Sredniej energii kinetycznej każdej cząsteczki wody. W naczyniach B i C
jest tyle samo cząsteczek, więc tyle samo ciepła trzeba odebrać. W naczyniu A
jest mniej cząsteczek, więc tam woda straciła najmniej ciepła.
d Najwięcej ciepła trzeba dostarczyć do naczynia B. W naczyniach A i B
Srednią energię kinetyczną każdej cząsteczki trzeba zwiekszyć o tyle samo, ale
w naczyniu B jest więcej cząsteczek, więc trzeba dostarczyć więcej ciepła niż
do naczynia A. W naczyniu C jest wprawdzie tyle samo cząsteczek co w na-
czyniu B, ale temperatura wody jest tam znacznie wyższa, więc iloSć ciepła
jaką trzeba dostarczyć jest mniejsza od iloSci ciepła dostarczonej do naczynia B.
e JeSli z każdego naczynia odbierzemy tyle samo ciepła, to najbardziej ob-
niży się temperatura w naczyniu A, bo strata energii przypadająca na jedną
cząsteczkę jest tu największa.
211
W Swiecie materii (cząsteczkowa budowa materii).
Przemiany energii w zjawiskach cieplnych
109
a Tłok zostaje wypychany przez powietrze w strzykawce objętoSć powie-
trza zwiększa się.
b U Q W.
Zimne powietrze pobiera od gorącej wody pewną iloSć ciepła. Energia wew-
nętrzna powietrza zwiększa się, bo wzrasta temperatura powietrza. Ale powie-
trze, wypychając tłok, wykonuje pracę. Wynika z tego, że pobrane ciepło czę-
Sciowo zostaje zużyte na wykonanie pracy, a częSciowo tylko na wzrost
energii wewnętrznej. Tak więc przyrost energii wewnętrznej powietrza jest
mniejszy od ciepła pobranego od wody.
c Tłok zostaje wciągany przez powietrze w strzykawce lub inaczej ciSnie-
nie atmosferyczne powoduje wpychanie tłoka do strzykawki.
d Ciepłe powietrze oddaje chłodnemu otoczeniu ciepło. Jego temperatura
maleje, zmniejsza się więc jego energia wewnętrzna. Jednak powietrze
atmosferyczne wpychając tłok wykonuje pracę, co zapobiega zbytniemu
zmniejszeniu się energii wewnętrznej. Ubytek energii wewnętrznej będzie
więc mniejszy od ciepła oddanego otoczeniu, bo zostanie on częSciowo
skompensowany przez pracę siły zewnętrznej. Wynika z tego, że energia
wewnętrzna powietrza zmalała o mniej niż 4 J.
110
a Gorąca herbata w filiżance stygnie, bo traci energię wskutek promieniowa-
nia, a także przez przewodnictwo cieplne i konwekcję. Strata energii dwoma
pierwszymi sposobami następuje tym szybciej, im większa jest różnica tempe-
ratur między herbatą a chłodnym otoczeniem.
Najpierw stygną warstwy znajdujące się na powierzchni i przy Sciankach filiż-
anki, bo warstwy te stykają się z chłodnym otoczeniem, któremu przekazują
ciepło. Na zewnątrz naczynia przy Sciankach ciepłe powietrze unosi się w gó-
rę, a na jego miejsce (z dołu) dostaje się chłodne (prądy konwekcyjne). Z kolei
ochłodzone warstwy herbaty przy Sciankach filiżanki wędrują ku dołowi, a ich
212
Rozwiązania 5
miejsce zajmują ciepłe warstwy z wnętrza filiżanki, które znowu ochładzają
się. Tak więc prądy konwekcyjne zarówno w powietrzu na zewnątrz filiżanki
jak i w herbacie, przyspieszają stygnięcie; doprowadzają ciepło (wraz z her-
batą) do Scianek i odprowadzają ciepło (wraz z powietrzem) od Scianek. Te na-
turalne procesy odbywają się jednak doSć powoli.
Mieszając herbatę lub kompot wywołujemy sztuczne prądy konwekcyjne ,
tzn. przemieszczanie się warstw, przez co szybko doprowadzamy do Scianek
naczynia gorące warstwy cieczy. W dodatku mieszanie wody na zewnątrz na-
czynia z kompotem powoduje szybkie usuwanie ogrzanej wody od Scianek na-
czynia i zastępowanie jej wodą zimną.
Na powierzchni cieczy zachodzi jeszcze dodatkowo zjawisko parowania. Na
wyparowanie potrzebne jest ciepło, które parująca ciecz pobiera od reszty cie-
czy i w ten sposób ją ochładza. Parowanie jest bardziej intensywne (więcej cie-
czy paruje w jednostce czasu), gdy temperatura cieczy jest wyższa. Wydosta-
wanie się na powierzchnię cieplejszych warstw cieczy (przyspieszone przez
mieszanie) powoduje, że ciecz paruje szybciej, a więc także szybciej stygnie.
b Aby na szosie lub moScie pojawiła się warstwa lodu, ich temperatura musi
się obniżyć poniżej 0 C. Staje się to głównie na skutek wypromieniowania
ciepła z nawierzchni szosy lub mostu do otaczającego powietrza. Nawierzch-
nia szosy jest otoczona powietrzem tylko z jednej strony (od góry), więc pro-
mieniowanie szosy odbywa się na mniejszej powierzchni niż promieniowanie
mostu, który chłodniejszym powietrzem otoczony jest zarówno z góry, jak i z
dołu. Wprawdzie szosa traci także ciepło przez przewodnictwo cieplne gruntu,
ale przewodnictwo to (podobnie zresztą jak powietrza) jest niewielkie. Dodat-
kowo to zjawisko jest wzmacniane przez małe ciepło właSciwe stali (nieco
większe żelbetu, ale także niewielkie). Gdyby most i szosa straciły tę samą
iloSć ciepła, to temperatura mostu obniżyłaby się bardziej z powodu mniejsze-
go ciepła właSciwego. Tak więc szosa stygnie wolniej niż most.
111
a Przy ogrzaniu 1dm3 nafty o 1 objętoSć wzrasta o 0,92cm3.
Przy ogrzaniu 1dm3 o10 objętoSć wzrasta o 10 0,92cm3 9,2 cm3.
V 1000 cm3 9,2 cm3 1009,2 cm3 .
b Przy ogrzaniu 1dm3 acetonu o 1 objętoSć wzrasta o 1,43cm3.
Przy ogrzaniu 5dm3 o1 objętoSć wzrasta o 5 1,43cm3 7,15 cm3.
V 5000 cm3 7,15 cm3 5007,15 cm3 .
213
W Swiecie materii (cząsteczkowa budowa materii).
Przemiany energii w zjawiskach cieplnych
c Przy ogrzaniu 1dm3 gliceryny o 1 objętoSć wzrasta o 0,49cm3.
Przy ogrzaniu 2dm3 o1 objętoSć wzrasta o 2 0,49cm3 0,98 cm3.
Przy ogrzaniu 2dm3 o 5 objętoSć wzrasta o 5 0,98cm3 4,9 cm3 .
V 2000 cm3 4,9 cm3 1004,9 cm3 .
112
a Przęsło o długoSci 50 m, przy ogrzaniu o 100 C wydłuży się o
50 1mm 5cm,
a przy ogrzaniu o 30 C wydłuży się o
30
5cm 1,5 cm.
100
Szczelina jest wystarczająco szeroka.
b Gdy temperatura obniży się o10 C ( 30 C) 40 C przęsło skurczy się o
40
5cm 2cm .
100
Zatem w zimie podczas takiego mrozu szerokoSć szczeliny wyniesie 2,5 cm +
2 cm = 4,5 cm.
113
a Większą energię wewnętrzną miała woda w wannie. Wprawdzie miała ona
niską temperaturę, więc na jedną cząsteczkę przypadała Srednio niewielka
energia, ale masa zimnej wody była bardzo duża, więc woda ta składała się z
bardzo dużej liczby cząsteczek. Suma energii cząsteczek wody zimnej była
więc znacznie większa niż suma energii nie tak wielu cząsteczek wody wrzącej.
b Nastąpiła wymiana energii wewnętrznej woda gorąca oddała częSć swojej
energii wewnętrznej (w postaci ciepła) wodzie zimnej.
c Temperatura zimnej wody wzrosła nieznacznie, bo masa jej była bardzo
duża. Pobrana energia (ciepło) przez zimną wodę musiała się rozdzielić na bar-
dzo dużą liczbę cząsteczek, więc na jedną cząsteczkę przypadł Srednio niezbyt
duży przyrost energii.
cw 100 kg (x 20 ) cw 2 kg (100 x)
50 (x 20 ) 100 x , stąd x 21,6 C .
214
Rozwiązania 5
Temperatura zimnej wody wzrosła o niecałe 16 C, a gorącej obniżyła się
,
o przeszło 78,4 C.
d Zdanie to nie jest ogólnie prawdziwe. Przykładem jest zjawisko omówione
w tym zadaniu. Energia wewnętrzna wody zimnej, która już na początku była
większa niż gorącej, jeszcze się zwiększyła. Gorąca woda, która na początku
miała mniejszą energię wewnętrzną, jeszcze jej trochę oddała. Nie jest tu istot-
ne, które ciało ma większą energię wewnętrzną, ale które ma wyższą tempera-
turę. Ciepło przepływa zawsze od ciał o wyższej temperaturze do ciała o tem-
peraturze niższej (aż do wyrównania temperatur).
114
a W rzeczywistoSci temperatura wody mimo równomiernego dopływu ciepła
wzrasta coraz wolniej. W rezultacie woda zaczęła wrzeć nie po 5 minutach, ale
dopiero po 7,5 minutach. Po wyłączeniu palnika temperatura wody najpierw
spadała bardzo gwałtownie, a potem coraz wolniej. Teoretycznie temperatura
wody spadła do 20 C po 20 minutach od chwili wyłączenia palnika, a w rze-
czywistoSci trwało to znacznie dłużej.
b Coraz wolniejszy wzrost temperatury wody następował dlatego, że im bar-
dziej gorąca woda, tym więcej ciepła oddaje do otoczenia na skutek promie-
niowania, ale także przez przewodnictwo Scianek naczynia i konwekcję po-
wietrza nad wodą i przy Sciankach naczynia. Woda traci ciepło także na
parowanie (częSć wody paruje). Podobnie jest po wyłączeniu palnika: gorąca
woda oddaje otoczeniu więcej ciepła niż chłodna, więc stygnie gwałtownie.
Im mniejsza różnica temperatur między wodą a otoczeniem, tym stygnięcie
jest mniej intensywne.
115 Ciepło potrzebne do ogrzania lodu do temperatury topnienia:
J
Q1 mcw T 10 3 kg 2,1 103 [0 ( 5 )] 2,1 5 J 10,5 J .
kg K
Ciepło potrzebne do stopienia lodu:
J
Q2 mct 10 3 kg 3,3 105 3,3 102 J 330 J .
kg
Ciepło potrzebne do ogrzania wody od 0 C do 100 C:
J
Q3 mcw T 10 3 kg 4,2 103 (100 0 ) 4,2 100 J 420 J .
kg K
215
W Swiecie materii (cząsteczkowa budowa materii).
Przemiany energii w zjawiskach cieplnych
Ciepło potrzebne do wyparowania wody bez zmiany temperatury:
J
Q4 mc 10 3 kg 2,2 106 2,2 103 J 2200 J .
p
kg
Q 10,5 J +330 J + 420 J +2200 J = 2960,5 J .
Całe potrzebne w tym celu ciepło wynosi 2960,5 J.
116
a Mogą zajSć następujące procesy:
częSć lodu stopi się, ale w naczyniu nadal pozostanie woda z lodem o
temperaturze 0 C (gdy masa dolanego wrzątku będzie niewielka),
cały lód ulegnie stopieniu i w naczyniu będzie tylko woda o tempera-
turze 0 C (gdy masa dolanego wrzątku będzie wystarczająco duża),
cały lód ulegnie stopieniu i temperatura wody (która była w naczyniu
oraz wody z lodu) wzroSnie. W naczyniu będzie woda o temperaturze
wyższej od0 C (gdy masa dolanego wrzątku będzie jeszcze większa).
b Nie jest to możliwe. Wrząca woda o temperaturze 100 C w zetknięciu z
zimnym otoczeniem przestała wrzeć i zaczęła się oziębiać, więc nie mogła do-
prowadzić do wrzenia zimnej wody.
J
c
Ciepło właSciwe wody: 42 103 ,
,
kg K
J
ciepło topnienia lodu: 335 103 .
kg
Ciepło oddane przez wrzącą wodę:
J
42 103 80 K m ,
,
kg K
ciepło pobrane przez lód na stopienie i przez wodę na ogrzanie się o 20 K:
J J
1kg 335 103 4,2 103 3kg 20K ,
kg kg K
J
336 103 m 335 103 J 252 103 J ,
kg
587
m kg 1,75 kg .
336
Należy dolać 1,75 kg wrzącej wody.
216
Rozwiązania 5
117 Ciepło oddane przez gwoxdzie ogrzane do temperatury 100 C :
Q1 m cx t 0,2 kg cx (100 25,5 ) .
gwoxdzi
Ciepło pobrane przez wodę o temperaturze 20 C :
J
Q2 m cw t 0,3 kg 4,2 103 (25,5 20 ) .
wody
kg K
Ciepło oddane przez gwoxdzie pobrała woda: Q1 Q2 ,
J
0,2 kg cx 74,5 K 0,3 kg 4,2 103 5,5 K ,
kg K
6,93 103 J 6930 J J
cx 465 .
14,9 kg K 14,9 kg K kg K
217
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Cząsteczkowa budowa materii zadaniaWewnętrzna budowa materii test 1 z odpowiedziamiBudowa materii odpBudowa materii test APowtórzenie budowa materiipdf wykład budowa materii, podstawowe prawa chemiczne 2014budowa materiiBudowa materii wykład 2budowa i wlasnosci czasteczkowe gazowbudowa atomów i cząsteczekBudowa i wlasnosci czasteczkowe gazow,projektowanie materiałów inżynierskich, zadania i rozwiązania Kompozyty,projektowanie materiałów inżynierskich, zadania i rozwiązania Umocnienie roztworowewięcej podobnych podstron