Ing. Stanislav Jakoubek

Transkript

1 Ing. Stanislav Jakoubek

2 Číslo DUMu III/ III/--3-0 III/--3- III/--3- III/--3-3 Název DUMu Měrná tepelná kapacita Kalorimetr, kalorimetrická rovnice Přenos vnitřní energie vedením Přenos vnitřní energie tepelným zářením Přenos vnitřní energie prouděním

3 Ing. Stanislav Jakoubek

4 Název školy Název a číslo OP Název šablony klíčové aktivity Tematická oblast (předmět) Název sady vzdělávacích materiálů Jméno tvůrce vzdělávací sady Číslo sady Číslo DUMu Anotace Střední škola technická AGC a.s. OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost, CZ..5 Název projektu: Výuka atraktivně a efektivně, č.p.: CZ..07/.5.00/ III/ Zvyšování kvality výuky prostřednictvím ICT Fyzika Molekulová fyzika a termodynamika Ing. Stanislav Jakoubek III/--3 III/ Proč se některé předměty zahřívají více a některé méně? Proč je hliníková lžička v horkém čaji vařící a plastová ne? Odpověď na tuto otázku zní: měrná tepelná kapacita. Ve studijním článku se s ní podrobně seznámíme.

5 Těleso příjme teplo Q vzroste vnitřní energie U Pokud nedojde ke změně skupenství, dojde ke zvýšení teploty

6 Jaké teplo musí přijmout těleso, aby se zvýšila jeho teplota o C (o K) C Q Q Jednotka: C J. C J. K t T Závisí na druhu látky a na ději, kterým těleso přijalo teplo (např. při konstantním tlaku).

7 Malé těleso se dodáním tepla ohřeje. Větší těleso z téže látky se dodáním téhož tepla rovněž ohřeje, ale méně. Potřebujeme veličinu závislou jen na druhu látky, ne na jejím množství. c C m Q t m Q m. t c J. kg K Jednotka:

8 Látková konstanta, hledáme ji v tabulkách Fyzikální význam: množství tepla, které musí přijmout těleso o hmotnosti kg, aby se ohřálo o C. Poznámka: Množství tepla, které musí těleso o hmotnosti kg odevzdat, aby se ochladilo o C. Závisí na teplotě. Proto je tabelována pro určitou teplotu (např. pro 0 C).

9 Látka c[j.kg -.K - ] Látka c[j.kg -.K - ] Látka c[j.kg -.K - ] Voda 480 Železo 450 Kyslík 97 Vzduch 003 Měď 384 Cín 7 Etanol 460 Zinek 385 Křemík 703 Led 090 Hliník 896 Zlato 9 Olej 000 Beton, cihly 880 Stříbro 35 Sklo Olovo 9 Oxid uhličitý 833

10 Měrné tepelné kapacity kovů jsou malé. Na ohřátí stačí malá energie. Při ochlazování energii rychle vydávají. Hliníková lžička v čaji se rychle ohřeje. Radiátory jsou kovové rychle odevzdávají teplo do místnosti.

11 Má velkou hodnotu. Na zahřátí o malou teplotu potřebuje velkou energii. Při ochlazení ji odevzdá. Chladicí kapalina pojme hodně energie. Voda v topení odevzdá spoustu tepla. Dlouho trvá, než se ohřeje voda v rybníce na koupání. Ještě dlouho na podzim může být teplá.

12 Stále se používá jako jednotka energie. Setkáváme se s ní na obalech potravin. Je definována, jako množství tepla, které je potřeba dodat g vody, aby se ohřála o C. (Přesně z 4,5 C na 5,5 C). Převod: cal 4,85J;kcal 485J

13 Jaké teplo příjme látka při ohřátí? Jaké teplo odevzdá látka při ochlazení? c Q Q Q mct mct m. t m. T

14 V elektrické pračce se ohřívá voda o objemu 0l. Jaké teplo příjme, zvýší-li se teplota vody z 0 C na 90 C? Jak dlouho trvá ohřev, je-li příkon topného tělesa pračky kw? V 0l m 0kg, t 0C, t 90C, P kw; Q?,? 90 0J J 5, MJ Q mct P W W P s 96s 48,8min

15 Ocelový předmět má tepelnou kapacitu 850J.K -. O kolik stupňů se zvýší teplota předmětu, přijme-li teplo 3,4kJ? C 850J. K, Q 3,4kJ 3400J; t?, T? C Q Q 3400 t C 4C t C 850 t T T 4K

16 Vnitřní energie vody se zvětšila při konstantním tlaku o 346,5kJ. Její teplota se zvýšila o 4,K. Určete tepelnou kapacitu vody. Z výsledku (a z hodnoty měrné tepelné kapacity) odhadněte (bez výpočtu) množství vody. Q 346,5kJ J, T 4, K; C?, m? Q T , C J. K 840J. K m kg

17 V nádobě o tepelné kapacitě 90J.K - je voda o tepelné kapacitě,kj.k -. Vypočítejte změnu vnitřní energie nádoby a změnu vnitřní energie vody, jestliže se teplota soustavy zvýšila z 80K na 30K. Obě veličiny porovnejte. Cn 90J. K, Cv, kj. K 00J. K, T 80K, T Q?, Q? n v 30K; T T J J. T T J J Qn Cn. T Cn Qv Cv. T Cv 84000

18 Znázorněte graficky závislost změny teploty tělesa hmotnosti kg na dodaném teple. Těleso je z mědi. m kg, c 384J. kg. K Q mct t Q mc Q.384 C Q C 768 Je to lineární funkce. Grafem bude část přímky.

19

20 Vypočtěte teplo, které musí dodat kotel ústředního topení za hodinu, jestliže za tuto dobu má protéct topnými tělesy 4000 litrů vody o teplotě 60 C a vrací-li se zpět ochlazená na 35 C. h, V 4000l m 4000kg, t 60C, t 35C, c 480J. kg. K Q? 60 35J J MJ Q mct

21 [] BEDNAŘÍK, Milan; KUNZOVÁ, Vlasta; SVOBODA, Emanuel. Fyzika II pro studijní obory SOU. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, n.p., 986, ISBN [] MIKULČÁK, Jiří a kol. Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, n.p., 988, ISBN 5 084/87-0. [3] AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit..9.0]. Dostupný na WWW: < 3>.

22 Ing. Stanislav Jakoubek

23 Název školy Název a číslo OP Název šablony klíčové aktivity Tematická oblast (předmět) Název sady vzdělávacích materiálů Jméno tvůrce vzdělávací sady Číslo sady Číslo DUMu Anotace Střední škola technická AGC a.s. OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost, CZ..5 Název projektu: Výuka atraktivně a efektivně, č.p.: CZ..07/.5.00/ III/ Zvyšování kvality výuky prostřednictvím ICT Fyzika Molekulová fyzika a termodynamika Ing. Stanislav Jakoubek III/--3 III/--3-0 Vhodíme studené těleso do horké vody. A nebo třeba smícháme teplou a studenou vodu. Víte, jaká bude výsledná teplota? Ne? Po prostudování tohoto DUMu to vědět budete.

24 Složení kalorimetru Vnější nádoba Vnitřní izolovaná nádoba Míchadlo Teploměr

25 Teplejší těleso do chladnější vody. Dochází k tepelné výměně. Po určitém čase se ustálí teplota na hodnotě t.

26 Na počátku. Rovnovážný stav.

27 Teplejší těleso odevzdá teplo: Q mc t t Studenější těleso přijme teplo: Q mc t t Zákon zachování energie: Q Q m t t m c c t t

28 Reálný kalorimetr se také zahřívá (nádoba, míchátko, teploměr). Na počátku má teplotu chladnější vody t, na konci děje má teplotu soustavy t. Tepelná kapacita kalorimetru: C Kalorimetrická rovnice pro reálný kalorimetr: c t t c m t t Ct m t Teplo odevzdané tělesem. Teplo přijaté vodou. Teplo přijaté kalorimetrem.

29 V kalorimetru o tepelné kapacitě 00J.K - je voda o hmotnosti 300g a teplotě 0 C. Do vody ponoříme těleso z mědi o hmotnosti 00g vyjmuté z vroucí vody za normálního tlaku. Určete výslednou teplotu této tepelně izolované soustavy po dosažení rovnovážného stavu.

30 C 00J. K m 00g, m 0, kg, t 300g 0,3kg, t 00C, c 0C, c 383J. kg. K 480J. kg ; t?. K Měděné těleso odevzdá: Voda přijme: Q Kalorimetr přijme: Q mc t t Q k C t mc t t t Q m c Q t t m c t t Ct t Q k

31 m ct mct mc t mc t Ct Ct m t ct mc t Ct mc t Ct mct m c mc C mc t mct Ct t mc t mct m c m c Ct C t 0, , C, C 0, ,

32 Kalorimetrickým měřením bylo zjištěno, že teplota tělesa z oceli o hmotnosti 500g se přijetím tepla 3,95kJ zvýšila z 300K na 360K. Určete měrnou tepelnou kapacitu oceli. m 500g 0,5kg, Q 3,95kJ 3950J, T 300K, T 360K; c? Q mct c Q mt Q mt T c , J. kg. K 465J. kg. K

33 Hliníkový předmět o hmotnosti 800g a teplotě 50 C byl vložen do kalorimetru s vodou o hmotnosti,5kg a teplotě 5 C. Jaká je teplota soustavy po vytvoření tepelné rovnováhy? Tepelnou kapacitu kalorimetru zanedbejte. m m t 800g,5kg, t? 0,8kg, t 5C, c 50C, c 480J. kg 896J. kg. K. K

34 Hliníkové těleso odevzdá: Voda příjme: Zákon zachování energie m m m t t t m c t c t ct mc t mct mct ct mct mc t mct m c m c m c t m c t t 0, , t C 39C 0,8.896,5.480 t Q mc Q mc t Q t t Q mc t m c mct m c

35 V kalorimetru je voda o hmotnosti kg a teplotě 5 C. Do této vody nalejeme horkou vodu o hmotnosti kg. Po dosažení tepelné rovnováhy je výsledná teplota soustavy 30 C. Jakou teplotu měla horká voda? Uvažujte tepelnou výměnu jen mezi vodou. m t kg, t? 5C, m kg, c 480J. kg. K ; t 30C

36 Teplá voda odevzdá: Studená voda přijme: Zákon zachování energie t Q mc t Q mc t Q Q t m m m t t t m ct c t t mt mt mt t mt mt mt mt mt t m C 60C m t

37 V kalorimetru o tepelné kapacitě 63J.K - je olej o hmotnosti 0,5kg a teplotě C. Do oleje ponoříme měděný předmět o hmotnosti 0,5kg a teplotě 00 C. Výsledná teplota soustavy po dosažení tepelné rovnováhy je 33 C. Určete měrnou tepelnou kapacitu oleje. Tepelnou výměnu mezi kalorimetrem a ovzduším neuvažujte.

38 C 63J. K c 383J. kg, m. K 0,5kg, t ; c? C, m 0,5kg, t Teplý měděný předmět odevzdá: Studený olej přijme: Kalorimetr přijme: Zákon zachování energie m Q Q mc t t C t 3 t Q t t m c t t Ct c t 00C, t Q 33C mc t Q Q3 t

39 m c c t t m c t tct c t m c t t Ct t m t t , , J. kg. K 55J. kg. K

40 [] AUTOR NEUVEDEN. Kalorimetrická rovnice [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: < kat=fyzika&xser=456e h&key=33>. [] BEDNAŘÍK, Milan; KUNZOVÁ, Vlasta; SVOBODA, Emanuel. Fyzika II pro studijní obory SOU. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, n.p., 986, ISBN [3] AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: < a termodynamika/kalorimetrie.ppt>.

41 Ing. Stanislav Jakoubek

42 Název školy Název a číslo OP Název šablony klíčové aktivity Tematická oblast (předmět) Název sady vzdělávacích materiálů Jméno tvůrce vzdělávací sady Číslo sady Číslo DUMu Anotace Střední škola technická AGC a.s. OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost, CZ..5 Název projektu: Výuka atraktivně a efektivně, č.p.: CZ..07/.5.00/ III/ Zvyšování kvality výuky prostřednictvím ICT Fyzika Molekulová fyzika a termodynamika Ing. Stanislav Jakoubek III/--3 III/--3- Představme si tyč. Z jedné strany ji budeme ohřívat a z druhé chladit. Jak se teplo rozprostře uvnitř tyče? A nebo třeba tohle: Do čaje hodíme lžičku. Jak to, že za chvíli je horká i část, která se čaje nijak nedotýká? A nebo další: Víte, kolik tepla projde zdmi domu, aniž byste z něj měli užitek (a které přesto musíte zaplatit)? O tom všem je tento DUM.

43 Zahříváme-li plamenem jeden konec kovové tyče, postupně se ohřívají i části, které nejsou přímo v plamenu. Uskutečňuje se pomocí vzájemných srážek částic. Tomuto způsobu přenosu vnitřní energie z teplejších na chladnější místa se říká vedení tepla.

44 Schopnost látky přenášet teplo vedením. Konce tyče udržujeme ve stálých teplotách. Po určité době se ustaví teplota tak, že rovnoměrně klesá. Nastává ustálený stav.

45 Teplo, které projde materiálem za určitý čas. Q S. t. d S obsah průřezu t rozdíl teplot mezi opačnými konci doba, po kterou teplo procházelo d tloušťka materiálu součinitel tepelné vodivosti

46 Z definičního vztahu odvoďte jednotku součinitele tepelné vodivosti T S Q d d T S Q..... K W m K m s J K s m m J

47 Materiálová konstanta v tabulkách Je závislý na teplotě tabelován pro konkrétní teploty, např. pro 0 C Důležitý údaj například pro stavební materiály, pro okna atd. Čím nižší hodnota, tím méně tepla projde (a tedy tím více ho udrží).

48 Látka Součinitel tepelné vodivosti [W.m -.K-] Hliník 9 Látka Betonový panel Součinitel tepelné vodivosti [W.m -.K-] 0,46 0,74 Železo 73 Led ( C), Beton armovaný,5 Skelná vata 0,03 0,05 Cihly 0,8, Voda 0,598 Tabulové sklo 0,6 - Vzduch 0,048

49 Výkon, který projde plochou m při rozdílu teplot K. Označení: U Jednotka: W.m -.K - Udává se například jako parametr v materiálech o plastových oknech

50 Voskem upevněné kuličky. Z hliníkové tyče odpadávají dřív než z ocelové tyče hliník má větší tepelnou vodivost než ocel.

51 Kovy jsou dobré tepelné vodiče. Dobrý elektrický vodič je i dobrým tepelným vodičem (za oběma vodivostmi stojí volné elektrony). Kovové radiátory ústředního topení, chladící tělesa u chladničky, pájka, chladiče elektronických prvků,

52 Voda špatný tepelný vodič Plyny nejmenší součinitele tepelné vodivosti nejhorší tepelné vodiče Využití: sypké a pórovité látky, které obsahují vzduch, se používají jako tepelná izolace. Peří, suché dřevo, textilie, písek, cihly, skelná vata,.

53 Mějme kov a dřevo o stejné teplotě, řekněme 5 C. Proč se při dotyku zdá být kov chladnější než dřevo? Kov je daleko lepší tepelný vodič, rychleji odvádí teplo z ruky.

54 Proč si v termosce udrží teplý nebo naopak studený nápoj dlouho svoji teplotu? Základem termosky je dvojitá vnitřní nádoba s lesklými dvojitými stěnami, z mezery mezi stěnami obou nádob je vyčerpán vzduch. Přes toto vakuum nemůže teplo pronikat vedením, tepelné záření se odráží zpět od lesklých stěn, u nádoby uzavřené zátkou je omezen i přenos prouděním.

55

56 Vypočtěte teplo, které projde za 4 hodin čtyřmi bočními cihlovými zdmi z místnosti do okolí. Tloušťka zdí je 0,5m, každá má délku 5m a výšku 3m. Teplota vzduchu uvnitř místnosti je 5 C, venkovní teplota je -5 C. Součinitel tepelné vodivosti cihel je přibližně 0,5W.m -.K -. 4h, N Q? 4, d 0,5m, a 5m, b 3m, t 30C, 0,5W. m a. b. t Q N. 4.0,5. J J d 0,5. K ;

57 [] BEDNAŘÍK, Milan; KUNZOVÁ, Vlasta; SVOBODA, Emanuel. Fyzika II pro studijní obory SOU. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, n.p., 986, ISBN [] AUTOR NEUVEDEN. Termoska [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: < [3] JULO. wikipedia.cz [online]. [cit ]. Dostupný na WWW: <

58 Ing. Stanislav Jakoubek

59 Název školy Název a číslo OP Název šablony klíčové aktivity Tematická oblast (předmět) Název sady vzdělávacích materiálů Jméno tvůrce vzdělávací sady Číslo sady Číslo DUMu Anotace Střední škola technická AGC a.s. OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost, CZ..5 Název projektu: Výuka atraktivně a efektivně, č.p.: CZ..07/.5.00/ III/ Zvyšování kvality výuky prostřednictvím ICT Fyzika Molekulová fyzika a termodynamika Ing. Stanislav Jakoubek III/--3 III/--3- Je možné přenášet teplo bez vzájemného dotyku těles? A čím to je, že se teplo dostane ze Slunce na Zem, když jsou tato tělesa zhruba 50 milionů kilometrů od sebe a mezi nimi je vakuum? Odpověď zní: přenos vnitřní energie zářením. Pojďme se o něm dozvědět víc.

60 Dvě dutá kovová zrcadla, vzdálenost cca metry. Do jednoho ohniska horkou kuličku, do druhého teploměr. Teplota poměrně rychle stoupá

61 Vzduch velmi špatný vodič tepla. Rychlý růst teploty nemůže být způsoben vedením tepla. Jde o příklad přenosu vnitřní energie tepelným zářením.

62 Je to druh elektromagnetického záření. Šíří se tedy i ve vakuu. Tak například dopadá záření ze Slunce na Zemi. Je podmíněno tepelným pohybem atomů a molekul, proto se nazývá tepelné záření. Při tepelném záření se vnitřní energie tělesa zmenší o energii vyslaného záření.

63 Část se odráží. Část tělesem prochází. Zbytek těleso pohlcuje. O energii pohlceného záření se zvětšuje vnitřní energie tělesa. Těleso se tedy zahřívá.

64 Vytápění budov Trombeho stěna

65 Ohřev teplé užitkové vody

66 Solární elektrárna

67 [] BEDNAŘÍK, Milan; KUNZOVÁ, Vlasta; SVOBODA, Emanuel. Fyzika II pro studijní obory SOU. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, n.p., 986, ISBN [] AUTOR NEUVEDEN. nazeleno.cz [online]. [cit...0]. Dostupný na WWW: < [3] AUTOR NEUVEDEN. ekimmoravia.cz [online]. [cit...0]. Dostupný na WWW: < [4] AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit...0]. Dostupný na WWW: <

68 Ing. Stanislav Jakoubek

69 Název školy Název a číslo OP Název šablony klíčové aktivity Tematická oblast (předmět) Název sady vzdělávacích materiálů Jméno tvůrce vzdělávací sady Číslo sady Číslo DUMu Anotace Střední škola technická AGC a.s. OP Vzdělávání pro konkurenceschopnost, CZ..5 Název projektu: Výuka atraktivně a efektivně, č.p.: CZ..07/.5.00/ III/ Zvyšování kvality výuky prostřednictvím ICT Fyzika Molekulová fyzika a termodynamika Ing. Stanislav Jakoubek III/--3 III/--3-3 Jistě každý někdy viděl komín. Co pohání kouř vzhůru? A nebo již ze základní školy (a hlavně z vlastní zkušenosti) známý fakt, že teplý vzduch stoupá vzhůru a chladný dolů. A co takové etážové ústřední topení? Proč se tomu tak děje a jak funguje? Předložený DUM nám na tyto otázky dá názornou a srozumitelnou odpověď.

70 Teplejší voda má menší hustotu, proto stoupá vzhůru. Proudící tekutina přenáší energii z teplejších míst do studenějších.

71 Ohřátá voda s menší hustotou stoupá vzhůru. Na její místo se dostává chladnější voda, která odevzdala část své vnitřní energie na ohřev domu.

72 p B p, D p C p A Tento rozdíl tlaků vyvolá tah komína. Čím je komín vyšší, tím má větší tah. Tah vzroste po zahřátí vnitřku komína.

73

74 [] BEDNAŘÍK, Milan; KUNZOVÁ, Vlasta; SVOBODA, Emanuel. Fyzika II pro studijní obory SOU. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, n.p., 986, ISBN [] AUTOR NEUVEDEN. [online]. [cit...0]. Dostupný na WWW: < [3] HLAVIČKA, Alois a kol. Fyzika pro pedagogické fakulty. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, n.p., 97, ISBN [4] BARTUŠKA, Karel; SVOBODA, Emanuel. Fyzika pro gymnázia - Molekulová fyzika a termika. Praha: Prometheus, 993, ISBN