Номер 1, страница 96 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 3. Тепловые явления. Параграф 25. Уравнение теплового баланса. Вопросы для самопроверки - номер 1, страница 96.

Условие.

1. Опишите процесс теплообмена, происходящий при погружении в калориметр с горячей водой тела, имеющего комнатную температуру.

Решение.

При погружении в калориметр с горячей водой тела, имеющего более низкую комнатную температуру, запускается процесс теплообмена. Этот процесс подчиняется законам термодинамики и стремится привести систему к состоянию теплового равновесия. Процесс можно описать следующими этапами:

Начальное состояние. Изначально система состоит из двух частей с разной температурой: горячей воды вместе с внутренним стаканом калориметра (находящимся с водой в тепловом равновесии) и тела с более низкой, комнатной температурой. Обозначим начальную температуру горячей воды и калориметра как $T_{горяч}$, а начальную температуру тела как $T_{хол}$. По условию, $T_{горяч} > T_{хол}$.

Процесс теплопередачи. После погружения тела в воду начинается передача теплоты. В соответствии со вторым началом термодинамики, тепловая энергия самопроизвольно переходит от более нагретых объектов (воды и калориметра) к менее нагретому (телу). Это происходит до тех пор, пока существует разность температур.

Изменение температур. В результате теплообмена внутренняя энергия горячей воды и калориметра уменьшается, что приводит к понижению их температуры. Одновременно внутренняя энергия погруженного тела увеличивается, и его температура растет.

Тепловое равновесие. Процесс теплообмена завершается, когда все компоненты системы — вода, калориметр и тело — достигают одинаковой конечной температуры. Эту температуру называют температурой теплового равновесия (обозначим ее $T_{равн}$). В этот момент система приходит в состояние теплового равновесия, и чистый поток энергии между ее частями прекращается. Конечная температура будет иметь значение между начальными температурами: $T_{хол} < T_{равн} < T_{горяч}$.

Уравнение теплового баланса. Калориметр — это прибор, предназначенный для минимизации теплообмена с окружающей средой, поэтому систему внутри него можно считать адиабатически изолированной. В этом случае, согласно закону сохранения энергии, количество теплоты $Q_{отданное}$, отданное горячей водой и калориметром, равно количеству теплоты $Q_{полученное}$, полученному телом. Это выражается уравнением теплового баланса:

$Q_{отданное} = Q_{полученное}$

Это равенство можно расписать в виде:

$Q_{воды} + Q_{калориметра} = Q_{тела}$

$c_{в}m_{в}(T_{горяч} - T_{равн}) + c_{к}m_{к}(T_{горяч} - T_{равн}) = c_{т}m_{т}(T_{равн} - T_{хол})$

где $\text{c}$ — удельная теплоемкость вещества, $\text{m}$ — масса, а индексы "в", "к" и "т" относятся к воде, калориметру и телу соответственно.

Таким образом, происходящий процесс — это перераспределение тепловой энергии внутри изолированной системы от более горячих ее частей к более холодным до установления единой для всей системы температуры.

Ответ: При погружении тела комнатной температуры в калориметр с горячей водой происходит процесс теплопередачи от более нагретых объектов (горячая вода и внутренний стакан калориметра) к более холодному (погруженное тело). В результате горячая вода и калориметр охлаждаются, а тело нагревается. Процесс продолжается до тех пор, пока температуры всех тел в калориметре не выровняются и система не достигнет состояния теплового равновесия, установив общую конечную температуру. В идеальном калориметре, где нет теплообмена с окружающей средой, количество теплоты, отданное горячими телами, равно количеству теплоты, полученному холодным телом.