Нагревание и охлаждение конспект

Обновлено: 05.07.2024

Цель урока: Знать формулу расчета количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении. Уметь решать задачи на количество теплоты.

Задачи урока: Детально разобрать важнейшую ключевую ситуацию в тепловых явлениях - теплопередачу между двумя телами, в результате которой тела приходят в тепловое равновесие друг с другом и решение задач демонстрационным опытом, развитие физической интуиции школьников.

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Форма проведения: Исследовательская работа.

Оборудование: Калориметр, сосуд с горячей водой, стакан с водой комнатной температуры, металлический цилиндр привязанный к нити, термометр, карточки с задачами, мультимедийный проектор.

1. Начало урока: Объявление темы. Организационный момент

2. Получение новых знаний

Начинаем с демонстрационного опыта, сходного с лабораторной работой по измерению удельной теплоемкости вещества. Но не спешим с расчетами: сначала нужно, чтобы ребята хорошо поняли смысл происходящего. Погружаем вынутый из кипящей воды металлический цилиндр в калориметр с водой комнатной температуры и проводим беседу. При этом неторопливо и отчетливо повторяем новые для учеников термины, характеризующие тепловые процессы.

Если ученики не смогут дать ответ, не упрекаем их и даем ответ сами. Проявляем терпение, и оно наверняка будет вознаграждено: ребята начнут проявлять всю большую самостоятельность в ответах.

Учитель: Какое не видимое невооруженным глазом явление сейчас происходит в калориметре.

Учащиеся: Теплопередача, внутренняя энергия переходит от нагретого цилиндра к воде.

Учитель: Можно ли это явление сделать видимым?

Учащиеся: Да, для этого надо опустить в воду термометр: его показание будет увеличиваться. (Прокомментируем заодно двумя-тремя словами значение измерительных приборов: они расширяют возможности наших органов чувств)

Учитель: Какое тело вследствие теплопередачи отдает некоторое количество теплоты?

Учащиеся: Металлический цилиндр; его начальная температура выше, чем температура воды, поэтому он охлаждается.

Учитель: А какое тело получает некоторое количество теплоты?

Учащиеся: Вода; вследствие теплопередачи она нагревается.

Учитель: Как связаны количество теплоты Q_м, отдаваемое цилиндром, и количество теплоты Q_в, получаемое водой? (Напишем рядом на доске обозначения для указанных количеств теплоты, оставив между ними место для знака равенства.) Будем считать,что теплопередачей с окружающей средой можно пренебречь.

Учащиеся: Эти количества теплоты равны.

Учитель: Правильно. (Пишем знак равенства между выражениями для количеств теплоты: Q_м= Q_в.) А откуда следует это равенство?

Учащиеся: Это уравнение теплового баланса,которое является следствием закона сохранения энергии в тепловых явлениях.

Учитель: Точно. Каким же будет результат теплопередачи?

Учащиеся: Цилиндр и вода в калориметре придут в состояние теплового равновесия.

Учитель: Что это означает?

Учащиеся: Температуры цилиндра и воды станут равными.

Учитель: Посмотрим теперь, что мы сможем измерить в нашем опыте. Введем для этого некоторые обозначения. Начнем с металлического цилиндра. Обозначим его массу m_м, начальную температуру t_м, а конечную общую температуру цилиндра и воды t_k. Достаточно ли этих величин, чтобы записать выражение для количества теплоты, отданной цилиндром?

Учащиеся: Нет, потому что оно зависит еще от удельной теплоемкости вещества, из которого сделан цилиндр.

Учитель: Правильно. Обозначим эту удельную теплоемкость c_м. Как тогда записать выражение для количества теплоты Q_м, отданной цилиндром?

Учащиеся: Q_м= c_м m_м(t_м- t_k). (Записываем эту формулу на доске)

Учитель: Хорошо. А как записать выражение для количества теплоты Q_в, полученного водой? Обозначим массу воды m_в, ее начальную температуру t_в, а удельную теплоемкость с_в.

Учитель: Какой же вид примет теперь уравнение теплового баланса?

Учащиеся: c_м m_м (t_м - t_k)= с_вm_в (t_k - t_в) (Получаем эту формулу на доске из двух предыдущих)

Учитель: Посмотрим теперь на это равенство как на источник задач. Сколько физических величин входит в написанное равенство?

Учащиеся: Семь: удельные теплоемкости c_м и с_в, массы m_м и m_в, начальные температуры t_м и t_в, а также конечная температура t_k.

Учитель: Значит, можно составить семь различных задач: в каждой из них одна физическая величина неизвестна, а все остальные известны. Например в лабораторной работе, которую вы скоро будете делать, неизвестной величиной будет удельная теплоемкость металла из которого сделан цилиндр. Как преобразовать наше уравнение теплового баланса, чтобы найти удельную теплоемкость металла?

Перед лабораторной работой не забудьте попросить учеников повторить вывод этой формулы. Напомните им, что в этом опыте и в лабораторной работе мы пренебрегаем количеством теплоты, которое получил внутренний стакан калориметра.)

Поможем ребятам сформулировать другие задачи. Нужно постараться, чтобы в них были достаточно простые числовые данные. Приведем примеры (с общей оговоркой, что можно пренебречь теплообменом с окружающей средой).

3. Обобщение и закрепление нового материала

Решим несколько таких задач:

Задача №1. Смешали 6 кг холодной воды, имеющей температуру 8 o С, с 2 кг горячей воды при температуре 80 o С. Определите конечную температуру смеси.

Решение: Обозначим температуру и массу холодной воды через t₁ и m₁. Горячей воды через t₂ и m₂

Q₁ = с₁m₁ (t₂ -t_k) - количество теплоты полученное холодной водой.

Q₂ = с₂m₂ (t_k -t₁) - количество теплоты, отданное горячей водой. Количество теплоты, отданное горячей водой, равно количеству теплоты, полученному холодной водой.

Обе части уравнения сокращаем на с₁, получаем m₁ (t₂ - t_k) = m₂ (t_k - t₁) Решая уравнение и подставив численные значения получаем ответ: конечная температура смеси 26 o С.

Задача №2. Для ванны необходимо приготовить воду с температурой 36 o С. Из горячего крана смесителя идет вода при температуре 80 o С, а из холодного - при температуре 8 o С. Сколько надо взять горячей воды, чтобы приготовить ванну, если для этого требуется 196 кг холодной воды?

Решение: Обозначим массу холодной воды m_x, общую массу воды m, массу горячей вод m_r = m - m_x Q_x = с m_x (t_k - t_x) – количество теплоты полученное холодной водой. Q_r = с m_r (t_r - t_k) – количество теплоты отданное горячей водой. Количество теплоты, полученное холодной водой равно количеству теплоты, отданному горячей водой. Q_x = Q_r. Тогда уравнение теплового равновесия примет вид с m_r (t_r- t_k) = с m_x (t_k - t_x). Сокращаем обе части уравнение на с. Получаем уравнение с одним неизвестным m_r (t_r- t_k) = m_x(t_k - t_x). m_r = (m_x (t_k - t_x))/ (t_r - t_k), m_r = 125кг

Ответ: надо взять 125 кг горячей воды.

Задача №3. В 1 л воды при температуре 18 o С вылили 300 г расплавленного олова, имеющего температуру 232 o С. На сколько градусов при этом нагрелась вода?

Решение: Обозначим Q₁ = с₁m₁ (t_k - t₁) количество теплоты полученное водой. Q₂ = с₂m (t₂ - t₁) - количество теплоты выделившееся при охлаждении олова. Q₃ = Lm₂ – количество теплоты выделившееся при кристаллизации расплавленного олова. L - удельная теплота плавления олова. Количество теплоты отданное оловом равно количеству теплоты полученному водой. Пишем уравнение теплового баланса.

где r - плотность воды, V - объем воды.

m₁ = rV. Решая уравнение и подставив численные значения получаем ответ. Вода нагрелась на 8 o C.

Иногда для решения подобных задач применяют вторую из упомянутых в начале этого раздела форм записи уравнения теплового баланса:

Такое решение дает правильный ответ, но оно не раскрывает существа дела, т.к. все внимание учеников уходит на написание громоздких формул и алгебраические преобразования, а не на понимание происходящих физических явлений. Поэтому лучше применять первую форму записи уравнения теплового баланса. Но для этого надо выяснить с помощью предварительного анализа условия задачи, будет нагреваться тело «промежуточной температуры или охлаждаться. Рассмотрим это на конкретном примере.

Задача № 4. В калориметр, содержащий воду массой 200 г при температуре 50 o С, поместили стальной цилиндр массой 100г, вынутый из сосуда с тающим льдом, и медный брусок массой 250 г, вынутый из кипятка. Какой станет температура содержимого калориметра после установления теплового равновесия? Удельные теплоемкости меди и стали равны соответственно 400Дж/кг o С и 500Дж/кг o С.

Указание. Чтобы выяснить, будет вода нагреваться или охлаждаться в процессе установления теплового равновесия, рассмотрим, при каком условии температура воды в калориметре не изменится. Это произойдет, если медный брусок при охлаждении до начальной температуры воды (500) отдаст такое же количество теплоты, какое необходимо для нагревания стального цилиндра тоже до начальной температуры воды. Однако расчет с использованием приведенных в условии числовых данных показывает, что при этом медный брусок отдает большее количество теплоты, чем получает стальной цилиндр. Значит, в процессе установления теплового равновесия вода нагреется. Это позволяет написать уравнение теплового баланса в виде:

где Q_м - количество теплоты, отданное медным бруском.

Q_c - количество теплоты, полученное стальным цилиндром,

Q_в- количество теплоты, полученное водой. Все количества теплоты при этом положительны.

4. Заключительный этап

Мне очень понравилось с вами работать. А теперь подведем итоги вашей работы на сегодняшнем уроке.

Задание на дом: Решить задачи.

Задача №1. Стакан емкостью 200 см 3 наполовину заполнен водой при температуре 20 o С. Его доливают доверху кипятком. Какова будет температура воды в стакане?

Задача №2. Какую массу кипятка надо долить в детскую ванночку, содержащую 20 л воды при температуре 20 o С, чтобы конечная температура воды стала равной 30 o С?

Задача №3. Кипяток массой 200г налили в фарфоровую чашку массой 100г. Тепловое равновесие установилось при температуре 80 o С. Какой была начальная температура чашки? Удельная теплоемкость фарфора 1100 Дж/кг.

Подготовиться к лабораторной работе №2

Использованная литература

2. А.В.Перышкин. Физика. 8класс: учеб. для общеобразоват. учреждений. Москва. Дрофа, 2010.

Задачи.Знакомить детей со свойствами разных предметов и материалов, изменениями, происходящими при нагревании и охлаждении. Закрепить правила обращения с горячими предметами.

Предварительная работа. Наблюдение за солнечными лучами.Помещение на подоконник в группе(на солнечной стороне и в солнечный день) несколько предметов - кусочек пластилина, льда, огарок свечи, обращая внимание на то, что эти предметы твёрдые. Вечером понаблюдать, что с ними произошло.

Материалы. Баночки с очень горячей водой, чашки, палочки, сделанные из разных материалов(деревянные, стеклянные, металические, пластмассовые), кусочек загустевшего мёда, свечи.

Ход. Ребята, а вы любите путешествовать? Ответы детей Сегодня мы отправимся в лабораторию.Закрывайте глаза. Звучит волшебная музыка.Открывайте глаза. Вот мы и в лаборатории.Подходите к первому столу. В мешочках что-то лежит, надо на ощупь определить что там. Дети прощупывают мешочки. Из какого материала сделаны палочки? Ответы детей.

Воспитатель каждую палочку опускает в горячую воду, вытирает и даёт потрогать детям.

Какая из этих палочек самая горячая, какая нет, а какая почти совсем не нагрелась. Ответы детей.Значит можно сделать следующий вывод: палочки из разных материалов нагреваются по-разному. Подумайте, из какой чашки будет удобнее пить горячий чай: из пластмассовой, металлической, деревянной или стеклянной? Ответы детей.Подойдите к другому столу и потрогайте каждую кружечку. Какая из ним самая тёплая, а какая нет. Ребята, помните, мы с вами на подоконнике нагревали пластилин? Что с ним произошло? Ответы детей. А как ещё пластилин можно сделать мягким? Высказывания детей.Воспитатель проверяет высказывания детей. А как можно опять пластилин сделать твёрдым? Ответы детей.

Воспитатель подводит к выводу, что под воздействием тепла некоторые предметы нагреваются, становятся тёплыми, иногда мягкими, а иногда даже тают. А под воздействием холода, наоборот твёрдыми.

Подходите к следующему столу. Что это? Правильно мёд. Посмотрите какой он? Ответы детей. Мёд твёрдый. а можно сделать его жидким? Высказывания детей.Перед началом проведения этого опыта, давайте вспомним правила поведения со свечой. Ответы детей. Кладите кусочек мёда в ложечку и подержите над свечкой. Что с ним происходит? Высказывания детей.Что происходит со свечкой? Ответы детей. Свечка сделана из воска или парафина и при нагревании он тает. Давайте посмотрим, что произойдёт если вылить воск в форму. Воспитатель выливает воск в форму.Воспитатель задувает свечки детей и просит вылить воск из их свечек. Что вы там видите? Высказывания детей.

Ребята, а можно расплавить металл? Ответы детей Металл может расплавиться, но для это нужны очень-очень горячие печи, которые есть только на специальных заводах. Расплавленный металл тоже можно залить в формы, дать застыть и получить из него разные предметы.

Но вот, нам уже пора возвращаться в группу. Дети закрывают глаза, включается музыка. Вот мы и в группе. Где мы сегодня были? Высказывания детей. Что делали? Высказывания детей. Что интересного узнали? Высказывания детей. Как вы думаете, какие опасные предметы мы с вами использовали? Высказывания детей. Почему они опасные? Высказывания детей. Правильно. потому что они горячие и можно обжечься. А где дома можно встретить горячие предметы? Ответы детей. А как надо с ними обращаться? Высказывания детей.

Давайте повторим эти правила:

1.Горячую посуду с плиты берём специальной прихваткой, которые делают из огнеупорного материала, проложенного слоем ваты, чтобы не обжечься.

2.Прежде чем есть или пить надо убедиться, что еда или питьё не слишком горячее.

3.На горячее дуют, чтобы оно быстрее остыло.

4.Если вы обожглись, надо сразу обожжённое место подставить под холодную воду или приложить лёд и позвать взрослых, смазать это место подсолнечным маслом.

Воспитатель: Новоселова Е.В.
Цели:
• Развитие у детей познавательного интереса.
• Повышение интереса к исследовательской деятельности.
Задачи:
• Развитие навыков проведения исследовательских работ.
• Развитие социальных навыков: умение работать в группе, договариваться, учитывать мнение партнера, отстаивать свою позицию; способствовать формированию у детей познавательного интереса;
• Развивать любознательность, наблюдательность, мыслительную деятельность;
• Воспитывать интерес и желание расширять свой кругозор;
Матери алы: воздушные шарики, тазик с теплой и холодной водой, бутылочка, фен.
Интеграция образовательных областей:
1. Познавательное развитие
2. Социально-коммуникативное развитие

Продолжим наши эксперименты. И следующее задание от Шарика. Нужно узнать, что происходит с воздухом когда он нагревается и охлаждается. Как вы думаете, бывает теплый или холодный воздух? Когда бывает теплый (холодный)?
Опыт 2. Нагревание и охлаждение воздуха.
Пустой шарик надо надеть на горлышко стеклянной бутылки. Затем подержать бутылку в течение одной минуты в горячей воде.
Шар надуется! Теперь поставьте бутылку под струю холодной воды — шар опадет.
Объяснение. Воздух расширяется при нагревании, проникает внутрь шарика и надувает его, а при охлаждении сжимается, занимая первоначальное место в бутылке. (дать детям попробовать самостоятельно выполнить опыт).
А в следующем задании не из лёгких - нам предлагается повесить шарик в воздухе. Давайте попробуем. (дети пробуют повесить шарик в воздухе). А теперь посмотрите, что сделаю я.
Опыт 3.
Включить фен, на его тёплую воздушную струю положить шарик. Воздушный шар повиснет на этой тёплой струе.
Объяснение: Шарик держится в воздух, потому что воздух от фена теплый и как бы засасывает шарик, в котором находится холодный воздух. Это и позволяет воздушному шарику не падать
(дети пробуют сами провести опыт)
Задания Шарика мы все выполнили, вам понравились наши исследования, а исследователями быть понравилось? (ответы детей). У меня в руках воздушный шарик. Нарисуйте на нём своё настроение, если вам сегодня было интересно красным маркером, а если не очень, то чёрным (дети рисуют).
Работали вы сегодня очень хорошо, как настоящие ученые. Мне с вами было тоже очень интересно. А теперь посмотрим, какой подарок нам оставил Воздушный Шарик.
(из посылке раздаёт фигурки животных из воздушных шаров).

Изменение внутренней энергии путём совершения работы характеризуется величиной работы, т.е. работа является мерой изменения внутренней энергии в данном процессе. Изменение внутренней энергии тела при теплопередаче характеризуется величиной, называемой количествоv теплоты.

Количество теплоты – это изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы. Количество теплоты обозначают буквой Q.

Работа, внутренняя энергия и количество теплоты измеряются в одних и тех же единицах — джоулях (Дж), как и всякий вид энергии.

В тепловых измерениях в качестве единицы количества теплоты раньше использовалась особая единица энергии — калория (кал), равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия (точнее, от 19,5 до 20,5 °С). Данную единицу, в частности, используют в настоящее время при расчетах потребления тепла (тепловой энергии) в многоквартирных домах. Опытным путем установлен механический эквивалент теплоты — соотношение между калорией и джоулем: 1 кал = 4,2 Дж.

При передаче телу некоторого количества теплоты без совершения работы его внутренняя энергия увеличивается, если тело отдаёт какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия уменьшается.

Если в два одинаковых сосуда налить в один 100 г воды, а в другой 400 г при одной и той же температуре и поставить их на одинаковые горелки, то раньше закипит вода в первом сосуде. Таким образом, чем больше масса тела, тем большее количество тепла требуется ему для нагревания. То же самое и с охлаждением.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела зависит еще и от рода вещества, из которого это тело сделано. Эта зависимость количества теплоты, необходимого для нагревания тела, от рода вещества характеризуется физической величиной, называемой удельной теплоёмкостью вещества.

Удельная теплоёмкость

Удельная теплоёмкость – это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества для нагревания его на 1 °С (или на 1 К). Такое же количество теплоты 1 кг вещества отдаёт при охлаждении на 1 °С.

Удельная теплоёмкость обозначается буквой с . Единицей удельной теплоёмкости является 1 Дж/кг °С или 1 Дж/кг °К.

Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, очень маленькую удельную теплоёмкость имеет золото.

Поскольку кол-во теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 °С. В частности, внутренняя энергия 1 кг свинца при его нагревании на 1 °С увеличивается на 140 Дж, а при охлаждении уменьшается на 140 Дж.

Количество теплоты Q, необходимое для нагревания тела массой m от температуры t₁°С до температуры t₂°С, равно произведению удельной теплоёмкости вещества, массы тела и разности конечной и начальной температур, т.е.

Q = c ∙ m (t₂ — t₁)

По этой же формуле вычисляется и количество теплоты, которое тело отдаёт при охлаждении. Только в этом случае от начальной температуры следует отнять конечную, т.е. от большего значения температуры отнять меньшее.

Читайте также: