Кроссворд «Повторим пройденное—1»

Определения и обозначения

Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Она обозначается буквой U. Понятие нужно, чтобы описывать изменения состояния тела при нагревании, охлаждении и других тепловых процессах.

Теплопередача — изменение внутренней энергии тела без совершения механической работы. Энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Это определение помогает отличать нагревание теплом от изменения энергии при действии силы или движении тела.

Количество теплоты — энергия, которую тело получает или отдаёт при теплопередаче. Обычно её обозначают буквой Q и измеряют в джоулях. По количеству теплоты можно сравнить, сколько энергии потребовалось для нагревания, охлаждения или изменения состояния вещества.

Удельная теплоёмкость показывает, сколько теплоты нужно передать 1 кг вещества, чтобы его температура изменилась на 1 °C. Обозначение — c, единица измерения — Дж/(кг·°C). Эта величина нужна для расчёта нагревания и позволяет сравнивать способность разных веществ поглощать тепло.

Как это устроено

Подсказка кроссворда обычно описывает признак или действие физического понятия: например, «перенос энергии потоками жидкости». Нужно выделить ключевые слова, вспомнить определение и проверить, подходит ли длина слова и буквы пересечений. Такой способ связывает термин не с его звучанием, а с физическим смыслом.

Температура связана с интенсивностью теплового движения частиц: чем быстрее в среднем движутся частицы, тем выше температура тела. При нагревании их движение усиливается, а при охлаждении ослабевает. Температура не показывает общее количество энергии тела, потому что при одинаковой температуре большая масса обычно имеет большую внутреннюю энергию.

Количество теплоты при нагревании или охлаждении зависит от изменения температуры, массы и рода вещества: Q = cmΔt. Чем больше масса и чем сильнее меняется температура, тем больше энергии требуется. При одинаковых массе и изменении температуры разные вещества получают разное количество теплоты, поскольку их удельные теплоёмкости различаются.

При теплопроводности энергия передаётся от частицы к частице без переноса самого вещества; так нагревается металлическая ложка в горячем чае. При конвекции энергия переносится потоками жидкости или газа, возникающими из-за различия плотности нагретых и холодных слоёв. Излучение передаёт энергию электромагнитными волнами и возможно даже в вакууме, поэтому Солнце нагревает Землю.

При плавлении твёрдое вещество превращается в жидкость, а при кипении жидкость превращается в пар. Подводимая энергия в эти моменты расходуется на изменение расположения и взаимодействия частиц, поэтому температура чистого вещества при постоянном давлении не изменяется. При кристаллизации и конденсации происходит обратный процесс: тело отдаёт энергию окружающей среде.

Тепловые явления и их основные признаки

Сначала найдите в таблице процесс, похожий на описанный в условии. Затем сравните механизм переноса энергии и величины, от которых зависит результат. Для расчётов выберите формулу по виду процесса, а единицы измерения приведите к согласованным.

Разбор задач

1. Определение способа теплопередачи

Условие: металлическая ложка нагревается, когда лежит в горячем чае. Требуется определить способ теплопередачи. Металл остаётся одним телом, а энергия распространяется от погружённой части к ручке.

1. Определяем, что энергия передаётся внутри твёрдого вещества.
2. Частицы металла не переносят вещество на расстояние, а передают энергию соседним частицам.
3. Сопоставляем описание с определением и называем процесс.

Ответ: происходит теплопроводность.

2. Нагревание воды

Условие: найти количество теплоты для нагревания 2 кг воды от 20 °C до 50 °C. Удельная теплоёмкость воды c = 4200 Дж/(кг·°C), потерями энергии пренебречь.

1. Находим изменение температуры: Δt = 50 − 20 = 30 °C.
2. Используем формулу для нагревания: Q = cmΔt.
3. Подставляем значения: Q = 4200 · 2 · 30 = 252 000 Дж.

Ответ: воде нужно передать 252 000 Дж, или 252 кДж.

3. Охлаждение и кристаллизация свинца

Условие: 2 кг расплавленного свинца охлаждаются от 400 °C до 27 °C. Температура кристаллизации равна 327 °C, c = 130 Дж/(кг·°C), λ = 25 000 Дж/кг. Найдём всё выделившееся тепло.

1. Разделяем процесс: охлаждение жидкости до 327 °C, кристаллизация, охлаждение твёрдого свинца до 27 °C.
2. Для первого этапа Q₁ = cm(400 − 327) = 130 · 2 · 73 = 18 980 Дж.
3. Для кристаллизации Q₂ = λm = 25 000 · 2 = 50 000 Дж.
4. Для третьего этапа Q₃ = cm(327 − 27) = 130 · 2 · 300 = 78 000 Дж.
5. Складываем теплоты: Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ = 146 980 Дж.

Ответ: выделится 146 980 Дж, или примерно 147 кДж.

Типичные ошибки

Температуру иногда считают тем же самым, что и внутреннюю энергию. Температура характеризует среднюю интенсивность движения частиц, а внутренняя энергия зависит ещё от массы и вещества. Проверка: сравните два тела одинаковой температуры, но разной массы.

Теплопроводность путают с конвекцией, потому что оба процесса связаны с нагреванием. При конвекции перемещаются потоки жидкости или газа, а при теплопроводности энергия передаётся соседним частицам без общего переноса вещества. Проверьте, есть ли в описании движение слоёв.

В формулу подставляют массу в граммах или забывают проверить единицы температуры. В расчётах массу переводят в килограммы, а разность температур выражают в градусах Цельсия или кельвинах одинаково для разности. Перед вычислением отдельно выпишите все исходные данные и их единицы.

Иногда считают, что при плавлении или кипении температура обязательно растёт. У чистого вещества при постоянном давлении энергия в этот момент расходуется на изменение агрегатного состояния. Проверьте, не наступил ли этап фазового перехода.

Связь с другими темами

Для повторения нужны понятия температуры, массы, агрегатных состояний и строения вещества. Они объясняют, почему частицы движутся, почему тело нагревается и как вещество переходит из одного состояния в другое.

Тепловые явления связаны с тепловыми двигателями и энергетическими превращениями: в этих устройствах внутренняя энергия превращается в механическую работу. Понимание теплопередачи также помогает объяснять физические свойства веществ и устройство теплоизоляции.

Что запомнить

• Внутренняя энергия связана с движением и взаимодействием частиц.
• Теплопередача происходит без совершения механической работы.
• Энергию при теплопередаче переносят теплопроводность, конвекция и излучение.
• Количество теплоты при нагревании или охлаждении рассчитывают по формуле Q = cmΔt.
• При изменении агрегатного состояния температура вещества не меняется.
• Для решения составной задачи тепловой процесс удобно разделять на этапы.