Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Jest wiosenny słoneczny dzień, temperatura wynosi +5°C, a na jeziorze ciągle leży gruba warstwa lodu. Dlaczego cały lód nie topi się od razu, gdy tylko temperatura wzrośnie powyżej zera?

Wraz z nadejściem wiosny rośliny reagują na ocieplenie i zaczynają kwitnąć. Większość pierwszych kwiatów, jak na przykład krokusy, musi się jednak w tym celu przebić przez warstwę śniegu. Ten bowiem, pomimo wysokiej temperatury, nie jest w stanie stopić się od razu
Już wiesz
  • podać definicję energii wewnętrznej;

  • zauważyć, że wzrost temperatury ciała oznacza wzrost jego energii wewnętrznej;

  • wymienić podstawowe stany skupienia materii oraz nazwy procesów prowadzących do zmiany stanu skupienia.

Nauczysz się
  • ustalać, czy ciało pobiera, czy oddaje energię w procesie ogrzewania, stygnięcia, topnienia, krzepnięcia, parowania i skraplania;

  • podawać definicje ciepła właściwego, ciepła topnienia (krzepnięcia) i parowania (skraplania);

  • obliczać ilość energii potrzebnej do ogrzania ciała o zadany przyrost temperatury;

  • obliczać ilość energii potrzebnej do stopienia lub odparowania zadanej ilości substancji.

Ile energii (ciepła) potrzeba do ogrzania szklanki wody? Od czego to zależy? Czy tyle samo wystarczy do ogrzania szklanki oleju?

Doświadczenie 1

Zbadanie, od czego zależy ilość energii potrzebnej do ogrzania substancji.

Co będzie potrzebne
  • kuchenka elektryczna lub inne źródło ciepła o stałej stabilnej mocy – istotne jest, aby w jednakowych odstępach czasu źródło to dostarczało podobną ilość energii (ciepła);

  • termometr o zakresie od 0 do 50℃;

  • waga;

  • stoper;

  • dwa jednakowe, metalowe naczynia o pojemności około 750 ml (najlepiej zewnętrzne naczynia od kalorymetru szkolnego z pokrywą wyposażoną w otwór na termometr i mieszadełko);

  • mieszadełko do mieszania cieczy;

  • statyw z uchwytem do termometru – jeśli używasz naczynia bez pokrywy,

  • woda;

  • olej jadalny;

  • rękawice ochronne – mogą być kuchenne;

  • papierowe ręczniki lub ściereczki.

Instrukcja
  1. Jedno z naczyń ustaw na wadze i ją wytaruj.

  2. Wlej do tego naczynia 250 g zimnej wody.

  3. Przykryj naczynie, a w pokrywie umieść termometr i mieszadełko.

  4. Zmierz temperaturę początkową wody, czyli zanurz termometr w wodzie, odczekaj 2–3 minuty, zamieszaj wodę i odczytaj wskazanie termometru.

  5. Ustaw naczynie na rozgrzanej płycie kuchenki i włącz stoper.

  6. Jeśli używasz naczynia bez pokrywy, to w wodzie zanurz termometr zamocowany na statywie. Sposób ustawienia termometru przedstawiono na rysunku.

  7. Obserwuj termometr i zanotuj czas, po którym temperatura wody wzrośnie o 10℃ (w stosunku do temperatury początkowej) – nie wyłączaj stopera!

  8. Nadal obserwuj wskazania termometru i zanotuj czas, po którym temperatura wrośnie o kolejne 10℃ (w sumie o 20℃ od temperatury początkowej). Wyłącz stoper.

  9. Załóż rękawice i ostrożnie zdejmij naczynie z kuchenki, wylej gorącą wodę z naczynia, osusz je i pozostaw do ostygnięcia.

  10. Drugie naczynie postaw na wadze i wytaruj ją.

  11. Do tego naczynia wlej 500 g wody i powtórz czynności od 4 do 8.

  12. Do ostudzonego pierwszego naczynia wlej 500 g oleju.

  13. Zmierz temperaturę początkową oleju, a naczynie ustaw na kuchence.

  14. W przypadku oleju powtórz czynności opisane w punktach od 5 do 7.

  15. Wyłącz kuchenkę i gorące przedmioty (naczynie z olejem, kuchenkę) pozostaw do ostygnięcia w bezpiecznym miejscu.

  16. Wyniki pomiarów na bieżąco notuj w tabeli.

    Wyniki pomiarów

    Woda

    250 g

    t10 =………min

    t20 =………min

    500 g

    t10 =………min

    t20 =………min

    Olej

    500 g

    t10 =………min

    t20 =………min

Podsumowanie

Z przeprowadzonych obserwacji wynika, że czas ogrzewania cieczy (tym samym ilość dostarczonej energii) zależy od tego, jaki przyrost temperatury chcemy uzyskać, a także od od masy i od rodzaju ogrzewanej cieczy:

  1. aby zwiększyć temperaturę dwa razy większej masy wody o tyle samo stopni Celsjusza, należy dostarczyć dwukrotnie większą ilość energii cieplnej (ciepła);

  2. dwa razy większy przyrost temperatury tej samej masy wody wymaga dwukrotnie większej ilości ciepła;

  3. podniesienie temperatury o tyle samo stopni takiej samej masy oleju co wody wymaga dostarczenia mniejszej ilości ciepła w przypadku oleju.

Aby móc porównywać własności cieplne różnych substancji, wprowadzono pojęcie ciepła właściwego.

ciepło właściwe

– ilość energii cieplnej potrzebna do ogrzania 1 kilograma substancji o jeden stopień Celsjusza (jeden kelwin). Jest to wielkość charakteryzująca daną substancję. Jednostką ciepła właściwego w układzie SI jest Jkg·K.
Definicję tę możemy zapisać za pomocą wzoru:

c=Qm·T,

gdzie:
c – ciepło właściwe;
m – masa ciała;
ΔT – przyrost temperatury;
Q – energia (ciepło) dostarczona do ciała.

Wartości ciepła właściwego kilku wybranych substancji przedstawia poniższa tabela.

Wartości ciepła właściwego wybranych substancji

Ciała stałe

Ciepło właściwe Jkg·K

Ciecze

Ciepło właściwe Jkg·K

Gazy

Ciepło właściwe Jkg·K

ołów

130

rtęć

140

metan

1 854

szkło

700

nafta

2 210

dwutlenek węgla

654

miedź

380

benzyna

2 090

powietrze

729

złoto

130

gliceryna

2 430

hel

3 140

lód

2 090

woda

4 180

para wodna

1 380

beton

920

eter

2 340

tlen

649

Ważne!

Podane w tabeli wartości ciepła właściwego gazów odnoszą się do sytuacji, w której ogrzewany gaz zachowuje stałą objętość. O tym, dlaczego wartości tego ciepła są inne przy odmiennych sposobach ogrzewania gazów, dowiesz się, gdy wybierzesz w liceum rozszerzony program fizyki.

Ćwiczenie 1

Jeśli znamy wartość ciepła właściwego dla danej substancji, możemy obliczyć przyrost temperatury ciała o znanej masie po dostarczeniu mu jakiejś porcji ciepła.

Przykład 1

O ile wzrośnie temperatura betonowej kostki o masie 3,8 kg, jeśli dostarczymy jej 6808 J energii (ciepła)?
Analiza zadania:
Korzystamy ze wzoru na ciepło właściwe:
c=Qm·T,
który po przekształceniu ma postać:
c·m·T=Q / c·m,
T=Qc·m.

Dane:
m=3,7 kg
Q=6808 J
=920Jkg·K

Szukane:
ΔT=?

Obliczenia:
Po podstawieniu danych otrzymujemy:
T=Qc·m=6808 J920Jkg·K·3,7 kg=2 K=2℃.
Odpowiedź:
Temperatura kostki wzrośnie o 2 kelwiny, czyli o 2 stopnie Celsjusza (przyrost temperatury jest taki sam w skalach Kelvina i Celsjusza).

Jeśli znamy wartość ciepła właściwego, możemy też obliczyć ilość energii potrzebnej do uzyskania wyższej temperatury ciała.

Przykład 2

Ile ciepła trzeba dostarczyć, aby ogrzać powietrze w pokoju o 10°C? Objętość pokoju wynosi 50 m3, gęstość powietrza – d=1,3kgm3, a ciepło właściwe powietrza ma wartość 729Jkg·K.
Analiza zadania:
Ilość potrzebnego ciepła możemy obliczyć, korzystając z definicji ciepła właściwego, tak jak w poprzednim przykładzie:
Q= c·m·T.
Do dalszych obliczeń potrzebna jest znajomość masy ogrzewanego ciała. Masę powietrza zawartego w pokoju obliczamy, korzystając z definicji gęstości materii:
d=mV, czyli m=d·V.

Jak widać, do obliczenia masy potrzebna jest znajomość gęstości ciała i jego objętości, wartości ciepła właściwego powietrza i zmiany temperatury.
Dane:
V=50 m3,
d=1,3kgm3 ,
ΔT=10 ˚C=10 K

c=729Jkg·K.

Szukane:
Q = ?

Obliczenia:
m=d·V=1,3kg m350 m3=65kg
po podstawieniu masy do wzoru na ciepło właściwe:
Q=729 Jkg·K·65 kg·10 K=473 850 J.
Odpowiedź:
Aby ogrzać powietrze w tym pokoju o 10 stopni, trzeba dostarczyć 475,85 kilodżuli energii.

Dostarczanie ciepła powoduje wzrost temperatury ciała, co jest równoznaczne ze wzrostem jego energii wewnętrznej. Ale czy zawsze dostarczanie ciepła powoduje wzrost temperatury?
Wykonaj kolejne doświadczenie.

Doświadczenie 2

Sprawdzenie, czy dostarczanie ciepła zawsze powoduje wzrost temperatury.

Co będzie potrzebne
  • termometr zawierający zakres od -10˚C do 10˚C;

  • zlewka o pojemności 1000 ml;

  • mieszadełko do mieszania cieczy;

  • statyw z uchwytem do termometru;

  • pokruszony lód – około 1000 gramów (tak zwana kasza lodowa).

Instrukcja
  1. Pokruszony lód wsyp do naczynia. Jeśli nie masz takiego lodu, możesz młotkiem pokruszyć większe kawałki lodu lub poprosić o „kaszę lodową” w sklepie rybnym.

  2. Umieść termometr w mieszaninie wody z lodem – zadbaj, aby koniec termometru nie dotykał dna ani ścianek bocznych, lecz był umieszczony w środku mieszaniny.

  3. Przez 15 minut co dwie minuty obserwuj wskazania termometru – przed odczytaniem temperatury zamieszaj mieszaninę wody z lodem.

  4. Jeśli w sali jest drugi termometr, to odczytaj temperaturę powietrza panującą w pomieszczeniu.

Podsumowanie
  1. Jeśli wszystko wykonałeś poprawnie, to zauważyłeś, że lód stopniowo się topił i powstawała mieszanina wody z lodem z rosnącą zawartością wody.

  2. Temperatura mieszaniny pozostawała niezmieniona i wynosiła 0˚C.

  3. Temperatura otoczenia wynosiła co najmniej 20˚C, co oznacza, że następował przepływ ciepła z otoczenia do lodu (mieszaniny wody i lodu).

Wnioski

  1. Dostarczanie ciepła (energii) do mieszaniny wody z lodem nie powodowało wzrostu jej temperatury.

  2. Do stopienia ciała stałego niezbędna jest energia cieplna.

Należy się spodziewać, że ilość energii potrzebnej do stopienia jakiegoś ciała zależy od jego masy i od rodzaju substancji, z której wykonano to ciało.

Polecenie 1

Odpowiedz na pytanie postawione we wstępie do tej lekcji: dlaczego lód na powierzchni jeziora nie topi się od razu, gdy temperatura wzrasta powyżej zera?

Aby zaszedł proces odwrotny do topnienia – czyli zamiana cieczy w ciało stałe (krzepnięcie), również niezbędna jest wymiana energii. Jednak w tym procesie ciało musi oddać ciepło (energię) do otoczenia, zmniejszając swoją energię wewnętrzną.

W celu porównywania właściwości różnych materiałów wprowadza się pojęcie ciepła topnienia lub ciepło krzepnięcia. Dla danej substancji jest to ta sama wartość.

ciepło topnienia (krzepnięcia)

– ilość ciepła (energii), jaką należy dostarczyć (odebrać), aby stopić (zestalić) 1 kilogram danej substancji. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Jednostką ciepła topnienia w układzie SI jest Jkg. Definicję tę możemy zapisać za pomocą wzoru:

L=Qm,

gdzie:
L – ciepło topnienia;
m – masa ciała;
ΔE=Q – energia (ciepło) dostarczone do ciała.
Powyższe zależności są prawdziwe, jeżeli temperatura w czasie procesu topnienia lub krzepnięcia jest stała – czyli tak, jak w przypadku ciał o budowie krystalicznej.

Wartości ciepła topnienia kilku wybranych substancji przedstawia poniższa tabela.

Wartość ciepła topnienia dla wybranych substancji

Ciała stałe

Ciepło topnienia

Jkg

ołów

25 000

cynk

118 000

złoto

63 000

żelazo

270 000

lód

335 000

Przykład 3

Ile energii trzeba zużyć, aby stopić bryłkę ołowiu o masie 100 g (w stałej temperaturze topnienia)?
Analiza zadania:
Korzystamy ze wzoru definiującego ciepło topnienia: L=Qm/·m.
Po jego przekształceniu otrzymujemy: Q=L·m.
Jak widać, do obliczenia potrzebnej ilości ciepła potrzebne są wartości ciepła topnienia i masy ciała.
Dane:
L=25 000Jkg (z tabeli nr 3),
=100 g=0,1 kg

Szukane:
Q= ?

Obliczenia:
Q=25000Jkg·0,1 kg=2500 J=2,5 kJ.

Odpowiedź:
Do stopienia 100 gramów ołowiu (w stałej temperaturze topnienia) potrzeba 2,5 kilodżula energii.

Wykonajmy kolejne doświadczenie.

Doświadczenie 3

Zbadanie, czy każde dostarczanie energii powoduje wzrost temperatury ciała.

Co będzie potrzebne
  • kuchenka elektryczna lub inne źródło ciepła o stałej stabilnej mocy – istotne jest, aby w jednakowych odstępach czasu źródło to dostarczało jednakowych ilości energii (ciepła);

  • termometr o zakresie od 10 do 110˚C;

  • metalowe naczynie o pojemności około 750 ml (najlepiej zewnętrzne naczynia od kalorymetru szkolnego z pokrywą wyposażoną w otwór na termometr i mieszadełko);

  • statyw z uchwytem do termometru – jeśli używasz naczynia bez pokrywy;

  • woda;

  • rękawice ochronne – mogą być kuchenne;

  • papierowe ręczniki lub ściereczki.

Instrukcja
  1. Do naczynia wlej około 500 ml wody i postaw je na kuchence.

  2. W wodzie zanurz termometr (sposób mocowania termometru jest taki sam jak w pierwszym doświadczeniu).

  3. Odczekaj kilka minut, aż woda zacznie wrzeć.

  4. Odczytuj wskazania termometru przez kilka minut od rozpoczęcia wrzenia.

  5. Wyłącz kuchenkę i poczekaj, aż wszystko ostygnie.

Podsumowanie
  1. Podczas gdy woda wrze, jej temperatura pozostaje stała (ok. 100˚C).

  2. Kuchenka była cały czas włączona, co oznacza, że energia (ciepło) była cały czas dostarczana do wody.

Wnioski:

  1. Dostarczanie ciepła (energii) do wrzącej wody nie powodowało wzrostu jej temperatury, tylko wrzenie – czyli parowanie cieczy w całej objętości.

  2. Wrzenie (parowanie w całej objętości cieczy) wymaga dostarczania energii.

Należy się spodziewać, że ilość energii potrzebnej do odparowania jakiejś cieczy
zależy od ilości tej cieczy i rodzaju cieczy (substancji).

Aby zaszedł proces odwrotny, czyli zamiana gazu w ciecz (skraplanie), również niezbędna jest wymiana energii. Jednak w tym procesie gaz musi oddać ciepło (energię) do otoczenia, zmniejszając swoją energię wewnętrzną.

W celu porównywania właściwości różnych materiałów wprowadza się pojęcia ciepło parowania i ciepło skraplania. Dla danej substancji jest to taka sama wielkość.

ciepło parowania (skraplania)

– ilość energii cieplnej (ciepła), jaką należy dostarczyć (odebrać), aby odparować (skroplić) 1 kilogram danej substancji w danej temperaturze. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Jednostką ciepła parowania w układzie SI jest Jkg.
Definicję tę możemy zapisać za pomocą wzoru:

R=Qm,

gdzie:
R – ciepło parowania;
m – masa ciała;
Q – ilość ciepła dostarczona ciału.

Ciepło parowania dla danej substancji zależy od ciśnienia i temperatury. Im wyższa temperatura, tym ciepło parowania jest mniejsze.

Wartości ciepła parowania kilku wybranych substancji przedstawia poniższa tabela.

Wartości ciepła parowania dla wybranych substancji

Ciecz

Ciepło parowania

Jkg

rtęć

290 000

eter

355 000

kwas octowy

395 000

etanol

963 000

woda

2 260 000

Przykład 4

Jaką ilość eteru można odparować kosztem ciepła wydzielonego podczas skraplania 1 kg pary wodnej?
Analiza zadania:
Korzystając z definicji ciepła parowania, obliczamy ilość energii wydzielonej podczas skraplania pary wodnej:
Rwody=Qmwody/mwody.

Czyli:
Q=Rwody·mwody.

Dane:
Rwody=2 260 000Jkg
mwody=1 kg .

Obliczenia:
Q=2 260 000Jkg·1 kg=2 260 000 J.

Przeprowadźmy obliczenia ilości eteru odparowanego ciepłem Q:
Reteru=Qmeteru/meteru,
Q=Reteru·meteru/:Reteru,
meteru=QReteru .

Dane:
Reteru=355000Jkg
Q=2 260 000 J (zgodnie z wynikiem poprzednich obliczeń).

Obliczenia:
meteru=QReteru=2 260 000 J355 000Jkg=6,37 kg.

Odpowiedź:
Kosztem energii powstałej ze skroplenia 1 kg pary wodnej można odparować około 6,37 kg eteru.

Polecenie 2

Czy więcej energii potrzeba do stopienia 5 kg lodu, czy do odparowania takiej samej ilości wody? Odpowiedź uzasadnij, powołując się na wartości odpowiednich wielkości fizycznych.

Ćwiczenie 2

Podsumowanie

  • Ilość energii potrzebnej do ogrzania ciała zależy od tego, jaki przyrost temperatury chcemy uzyskać, a także od masy ogrzewanego ciała oraz od rodzaju substancji.

  • Do porównywania cieplnych właściwości ciał służy ciepło właściwe.

  • Ciepło właściwe to ilość energii cieplnej (ciepła) potrzebna do ogrzania 1 kilograma substancji o jeden stopień Celsjusza (jeden kelwin). Jest to wielkość charakteryzująca daną substancję.

  • Jednostką ciepła właściwego w układzie SI jest Jkg·K.

  • Definicję ciepła właściwego możemy zapisać za pomocą wzoru: c=Qm·T
    gdzie: – ciepło właściwe, m – masa ciała, ΔT – przyrost temperatury, Q – energia (ciepło) dostarczone do ciała.

  • Aby stopić ciało stałe, należy dostarczyć energię, aby zaś zestalić ciecz, trzeba pobrać od niej energię.

  • Ciepło topnienia to ilość energii, jaką należy dostarczyć, aby stopić 1 kilogram danej substancji. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Jednostką ciepła topnienia w układzie SI jest Jkg.

  • Ciepło krzepnięcia to ilość energii, jaką należy odebrać, aby zestalić 1 kilogram danej substancji. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Jednostką ciepła krzepnięcia w układzie SI jest Jkg.

  • Definicję ciepła topnienia możemy zapisać za pomocą wzoru: L=Qm
    gdzie: L – ciepło topnienia, m – masa ciała, ΔE=Q – energia (ciepło) dostarczone do ciała.

  • Parowanie cieczy oraz wrzenie (parowanie w całej objętości cieczy) wymagają dostarczania energii cieplnej do cieczy, natomiast skraplanie wymaga odprowadzania tej energii od substancji w fazie gazowej.

  • Ciepło parowania to ilość energii (ciepła), jaką należy dostarczyć, aby odparować 1 kilogram danej substancji. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Jednostką ciepła parowania w układzie SI jest Jkg.

  • Ciepło skraplania to ilość energii (ciepła), jaką należy odebrać, aby skroplić 1 kilogram danej substancji. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Jednostką ciepła parowania w układzie SI jest Jkg.

  • Definicję ciepła parowania możemy zapisać za pomocą wzoru: R=Qm
    gdzie: R – ciepło topnienia, m – masa ciała, ΔE=Q – energia (ciepło) dostarczone do ciała.

Praca domowa
Polecenie 3.1

Ile energii trzeba zużyć, aby 100 g parafiny ogrzać do temperatury topnienia, a następnie stopić? Temperatura początkowa parafiny wynosi 20˚C. Brakujące dane znajdź w tablicach lub w Internecie.

Polecenie 3.2

O ile zmieni się energia wewnętrzna 200 g gorącej herbaty podczas stygnięcia od 100 do 40˚C?

Polecenie 3.3

Oblicz ciepło potrzebne do stopienia lodu pokrywającego staw o powierzchni 200 m2, jeśli grubość pokrywy lodowej wynosi 10 cm. Gęstość lodu ma wartość d=900kgm3. Ciepło topnienia lodu znajdź w tabeli. Przyjmij, że temperatura lodu wynosi 0°C.

Polecenie 3.4

*Oblicz moc, jaką musiałoby mieć źródło ciepła, żeby ten lód stopił się w ciągu 1 dnia (24 godzin).

Słowniczek

tarowanie wagi

– kilka czynności (obciążanie szalek, regulacja) dokonywanych przed ważeniem, których zadaniem jest doprowadzenie wagi do stanu równowagi lub też wyznaczenie rzeczywistej masy towaru bez opakowania (tary).