Номер 4, страница 40 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 1. Внутренняя энергия. Параграф 9. Закон сохранения внутренней энергии и уравнение теплового баланса. Вопросы - номер 4, страница 40.

Условие.

4. Как записать уравнение теплового баланса в общем виде?

Решение.

4. Уравнение теплового баланса является математическим выражением закона сохранения энергии для процессов теплообмена в изолированной системе (системе, которая не обменивается энергией с окружающей средой). В такой системе сумма количеств теплоты, отданных одними телами, равна сумме количеств теплоты, полученных другими телами.

В общем виде уравнение можно записать двумя способами. Первый способ: алгебраическая сумма всех количеств теплоты, которыми обмениваются тела в замкнутой системе, равна нулю. Количество теплоты $\text{Q}$, полученное телом, считается положительным ($Q > 0$), а отданное – отрицательным ($Q < 0$). Математически это выглядит так: $Q_1 + Q_2 + Q_3 + ... + Q_n = 0$, или в краткой форме: $\sum_{i=1}^{n} Q_i = 0$. Здесь $Q_i$ – количество теплоты, полученное или отданное $\text{i}$-м телом системы. Каждое $Q_i$ может включать теплоту на нагревание/охлаждение ($Q=cm(t_{кон}-t_{нач})$), плавление/кристаллизацию ($Q=\pm \lambda m$), парообразование/конденсацию ($Q=\pm L m$) или сгорание топлива ($Q=qm$).

Второй способ: количество теплоты, отданное более нагретыми телами ($Q_{отд}$), равно по модулю количеству теплоты, полученному менее нагретыми телами ($Q_{пол}$). В этой форме записи все величины $\text{Q}$ считаются положительными: $Q_{пол} = Q_{отд}$, или более подробно: $\sum Q_{полученное} = \sum Q_{отданное}$. Эта форма часто более удобна при решении практических задач.

Ответ: В общем виде уравнение теплового баланса для изолированной системы тел записывается как $\sum_{i=1}^{n} Q_i = 0$, где $Q_i$ — количество теплоты, полученное или отданное i-м телом, причем полученная теплота считается положительной, а отданная — отрицательной. Альтернативная и часто используемая форма: $\sum Q_{полученное} = \sum Q_{отданное}$, где все количества теплоты берутся по абсолютному значению.

5. Калориметр – это лабораторный прибор, предназначенный для измерения количества теплоты, которое выделяется или поглощается в ходе какого-либо физического, химического или биологического процесса. Основная задача калориметра — максимально изолировать происходящий внутри него процесс от теплообмена с окружающей средой. Конструкция простейшего школьного калориметра обычно включает в себя: внутренний стакан (сосуд), как правило, металлический, в который помещают исследуемые вещества; внешний кожух (стакан большего размера); теплоизолирующую прослойку между ними (воздух, пробка, пенопласт); крышку, которая закрывает внутренний стакан для уменьшения потерь тепла; отверстия в крышке для термометра и мешалки. Термометр служит для измерения изменения температуры, а мешалка — для равномерного перемешивания содержимого и выравнивания температуры по всему объему. Принцип работы калориметра основан на законе сохранения энергии. Измеряя изменение температуры жидкости в калориметре и зная ее массу, удельную теплоемкость, а также теплоемкость самого калориметра, можно рассчитать искомое количество теплоты.

Ответ: Калориметр — это прибор, представляющий собой теплоизолированный сосуд, предназначенный для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся при различных процессах. Его конструкция минимизирует теплообмен с окружающей средой, что позволяет применять к системе "калориметр + содержимое" уравнение теплового баланса.

6. (Вопрос на изображении неполон. Предполагаемый полный вопрос: "Почему при тепловых расчетах в калориметре необходимо учитывать теплоту, поглощенную или отданную самим прибором?")

При проведении измерений в калориметре необходимо учитывать теплоту, которую поглощает или отдает сам прибор (его внутренний стакан, мешалка, термометр), потому что калориметр является полноценным участником теплообмена. Когда внутри калориметра происходит тепловой процесс, изменяется температура его содержимого. Поскольку части калориметра находятся в непосредственном контакте с этим содержимым, их температура также изменяется, стремясь к состоянию теплового равновесия. Для изменения температуры самого калориметра требуется определенное количество теплоты: он поглощает тепло, если температура системы повышается, и отдает, если она понижается. Это количество теплоты, $Q_{кал}$, зависит от теплоемкости калориметра, $C_{кал}$, и изменения температуры, $\Delta t$, и рассчитывается по формуле $Q_{кал} = C_{кал} \cdot \Delta t$.

Согласно закону сохранения энергии, мы должны учитывать все тела, участвующие в теплообмене. Если, например, горячее тело отдает теплоту $Q_{отд}$, то эта теплота идет на нагревание как жидкости внутри ($Q_{жид}$), так и самого калориметра ($Q_{кал}$). Уравнение теплового баланса в этом случае будет выглядеть так: $Q_{отд} = Q_{жид} + Q_{кал}$. Игнорирование теплоты, поглощенной или отданной калориметром, приведет к нарушению закона сохранения энергии и, как следствие, к неверному результату измерений.

Ответ: При тепловых расчетах необходимо учитывать теплоту, поглощенную или отданную калориметром, так как он является участником теплообмена наравне с исследуемыми веществами. Части калориметра (внутренний сосуд, мешалка и т.д.) изменяют свою температуру вместе с содержимым, а значит, поглощают или отдают тепло. Игнорирование этого факта приведет к нарушению закона сохранения энергии и получению неверных результатов.