1)Кусок металла и кусок дерева имеют одинаковую температуру. Почему на ощупь холодный металл кажутся холоднее дерева, а горячий металл – горячее дерева? При какой температуре металл и дерево будут казаться на ощупь одинаковыми по степени нагретости?

Мир стремится к равновесию. Это касается и температуры. Если не вмешиваться в процесс теплопередачи, то тепло от более горячего тела перетекает к более холодному телу. На самом деле не тепло перетекает, а это молекулы взаимодействуют друг с другом. В горячем теле молекулы движутся интенсивнее, нежели в холодном. Кинетическая энергия быстрых молекул передается более медленным при столкновении, тем самым разгоняя их, а горячие молекулы тормозятся. Таким образом, разогнавшиеся молекулы в целом повышают температуру тела, ведь чем быстрее молекулы движутся, тем больше температура тела. Но через некоторое время температура двух тел выровняется. Это и означает, что температуры сравнялись, наступило тепловое равновесие.

В нашем случае, тепло человеческого тела взаимодействует с металлом или деревом. Взаимодействуя, более нагретые человеческим организмом молекулы передают энергию менее нагретыми молекулами металл интенсивнее, нежели менее нагретым молекулам дерева. Секрет этого явления лежит в структуре вещества. Металл представляет собой кристаллическую решетку (рис. №1), в узлах которой движутся электроны. При повышении температуры электроны, также как и молекулы, начинают двигаться быстрее и, благодаря структуре металла, электроны с большей энергией сталкиваются с менее подвижными, а те в свою очередь с другими и т.д. Таким образом, повышается температура металла. Иное дело с деревом.

Рис. 1. Кристаллическая решетка.

В целлюлозе (рис.№2) нет свободных электронов. Все они привязаны к своим местам. Молекулы руки толкают молекулы дерева, которые находятся снаружи. Из-за плотной структуры, процесс теплопередачи более долговременен, нежели в металле. Тепло очень медленно проникает в дерево, значит, рука, при контакте, остывает тоже медленно, поэтому тепловому механизму тела не приходится тратить усилия по теплобалансу, нежели при контакте с железом. Стоит только крови доставить тепло, как электроны металла тут же переносят его во внутрь структуры.

Рис.2. Молекулярная структура целлюлозы.

Вышеперечисленные характеристики внутреннего строения кусков металла и железа подкрепляются различной удельной теплоемкостью веществ. Так у древесины удельная теплоемкость равна 1,7 КДж*кг^-1*К^-1, в то время как у железа она равна 0,444 КДж*кг^-1*К^-1.

Сталь необходимо нагреть в 3,829 раз больше, нежели дерево, чтобы температура на ощупь была одинаковой. Данное значение исходит из расчета теплоемкостей веществ:

Q_д/Q_ст=c_дm𝝙t/c_стm𝝙t,

допустим, что изменение температуры и массы равны, тогда отношение теплоемкостей равно:

с_д/с_ст=1700/444=3,829

2) Почему к металлу на морозе язык прилипает, а к дереву нет?

При соприкосновении языка с металлом тепло передаются металлу, а организм не в силах прогреть язык в сочетании с металлической поверхностью. В итоге происходит конденсация и кристаллизация жидкости на языке и таким образом он и прилипает. С деревом дело обстоит иначе. Из-за органического строения, дерево не может быстро поглотить тепло человеческого тела.

3)Почему при низких температурах заедают механические соединения (к примеру, резьбовые)? Что может помочь?

При низких температурах резьбовые соединения трудно поддаются работу, из-за более плотного прилегания друг к другу витков резьбы. Это связано с тем, что при понижении температуры молекулы уменьшаются в размерах. На практике с этим явлением борются с помощью подогрева плохо поддающейся детали.

4)Почему медная проволока плавится на газовой горелке, в то время как медный гвоздь даже не раскалится докрасна?

Причина этому явлению - различность в массе и толщине двух тел. Из-за малой толщины и массы, теплота активно и быстро поглощаться проволокой, в то время как массивный гвоздь способен рассеять полученную теплоту по всей поверхности своего тела.

5)Как и почему необходимо предупредить глубокий ожог человеческого тела?

При глубоком ожоге разрушается и эпидермис, и дерма, не оставив регенеративных элементов. Например, сильный ожог кипятком или пламенем и контактные ожоги. Для предотвращения тяжелых последствий от таких ожогов необходимо промыть поврежденную область водой, таким образом вы отведете от пораженной области и теплоту, и, возможно, вещество вызвавшее ожог.

6)Будет ли кипеть вода в кастрюле, которая плавает в кипящей воде другой кастрюли?

Вода в плавающей кастрюле нагревается до температуры кипения. Однако это ещё не означает, что она закипит: ведь для того, чтобы жидкость, достигшая температуры кипения, и в самом деле закипела, необходим дальнейший подвод теплоты к этой жидкости. Вода в большой кастрюле получает необходимое количество теплоты от нагревателя; вода же в плавающей кастрюле может получить теплоту лишь от воды в большой кастрюле. Однако при достижении температуры кипения теплообмен между жидкостями прекращается, поскольку их температуры становятся одинаковыми, т.е. термодинамическая система пришла в равновесие. Поэтому вода в плавающей кастрюле кипеть не будет.

Какова же роль стенок внутренней кастрюли? В том, что поднимающиеся со дна внешней кастрюли пузыри (представляющие собой процессе кипения, т.е. переход жидкости в пар, происходящий с образованием в объёме жидкости пузырьков пара) не могут проникнуть в объём, ограниченный стенками внутренний кастрюли. Тем не менее объёмное кипение можно наблюдать и в быту, например, нагревая воду в микроволновой печи в неметаллических кастрюлях. В этом случае плавающая внутренняя кастрюля от кипения не спасает. Вода будет поглощать микроволны по всему своему объёму и закипит в обеих кастрюлях.

Если добавить в воду соли, то во второй кастрюле кипение не произойдет, т.к. температура кипения морской воды 100,7 ⁰С. Но если во вторую кастрюлю добавить спиртосодержащую жидкость (изопропиловый спирт (82,3⁰С), метиловый спирт(64,7⁰С), этиловый спирт(78,3 ⁰С), эфир(34,6⁰С)), то жидкость во второй кастрюле закипит.

Если стеклянную посуду поставить на газовую горелку (открытый огонь), даже если она будет жаростойкой, то из-за разности температур (снизу происходит нагрев стекла, а с верху происходит охлаждение) произойдет термическое напряжение и посуда треснет.

Задача 1. Теплоемкость стального шарика(c₂) равна 300 Дж/кг*К. Плотность стали равна 7800 кг/м³. Удельная теплоёмкость стали(c₁) равна 500 Дж/кг*К. Объем шара равен 80 см³. Цельный ли шарик? Если нет, то что в нем?

Изначально найдем радиус шарика: V=4/3*π*R³; R=(3/4*π^-1 *V)^1/3 R=2,674*10^-2м.

Затем найдем массу шарика: , следовательно масса равна m=

m=0,624 кг (цельный шарик).

Далее найдем отношение теплоемкостей, дабы определить массу шарика, чья теплоемкость равна 300 Дж/кг*К: c= => c₁/c₂=m₂/m₁=1,6 => m₂=1,04кг.

Исходя из проделанных расчетов, сделаем вывод, что в шарике находится более тяжелый материал, нежели сталь (шар полый).

В полости шара могут находится вещества с более большей плотностью, нежели сталь. Приблизительный список содержимого полости:

1. Осмий кг/м³. Объем одного килограмма вещества равен: V= м³=44,3 см³. Теплоёмкость осмия равна: 129 Дж/кг*К

2. Иридий 22400 кг/м³. Объем одного килограмма вещества равен: V= =0,0000446 м³=44,6 см³. Теплоёмкость иридия равна: 134 Дж/кг*К

3. Платина 21500 кг/м³. Объем одного килограмма вещества равен: V= =0,0000465 м³=46,5 см³. Теплоёмкость платины равна: 134 Дж/кг*К

4. Золото 19300 кг/м³. Объем одного килограмма вещества равен: V= =0,0000518 м³=51,8 см³. Теплоёмкость золота равна: 129 Дж/кг*К

Задача 2. Выполнить на основе опыта. Указания к опыту: В кастрюлю с плоским дном налить 200-350 мл воды. Включить газ, зафиксировать среднее постоянное пламя. Включить секундомер. Отсчитать время до закипания и время до полного выкипания воды. Определить теплоту парообразования воды. Сравнить с табличными значениями. Указать причины отличия.

Решение:

Q𝝉1(время до закипания) Q=cm𝛥t ,

Q𝝉2(время до полного выкипания) где с – удельная теплоемкость

V=300мл=0,3л=0,3*10^-6 вещества, в нашем случае она

m=300г =03 кг равна с=4200 Дж/кг*К;

t_в=20 ⁰С 𝛥t – изменение температуры,𝛥t=80

t_кип=100 ⁰С m – масса вещества.

𝝉₁=309.6 с Q𝝉1=4200*0,3*80=100800 Дж

𝝉₂=1706,4 с Далее найдем Q= Q𝝉/𝝉, где 𝝉 -

время подвода теплоты.

r-? Дж/кг Q= Q𝝉₁/𝝉₁=325,58 Дж/с

Далее Q𝝉2= r*m, где r – удельная теплота парообразования;

m – масса вещества; Q𝝉2 = Q* 𝝉₂= 555572,1 Дж; Следовательно

r= r=Q𝝉2/m; r=1851906,977Дж/кг.

При V=350мл, r=1816000 Дж/кг

При V=200 мл, r=2410800 Дж/кг

При V=250мл, r= 2822158,08 Дж/кг

Следовательно r_ср=(r₂₅₀+r₂₀₀+r₃₀₀+r₃₅₀)/4=2225216,26425Дж/кг

𝜹_max (погрешность, максимальная) = 100%*(r_max-r_cp)/r_max= ((2822158,08 - 2225216,26425)/ 2822158,08)*100%=21%

Причины, связанные с различием найденных значений от табличных в следующем. Так же нам необходимо затратить энергию на нагрев стальной кастрюли, поэтому и брал значение удельной теплоемкости для стали, равной 500 Дж/кг*К. Отсюда не трудно вычислить количество теплоты, так как вода и кастрюлька имели одинаковую t=20 ⁰С, а масса кастрюли равна 300гр, следовательно:

Q𝝉 =500*0.3*80=12000Дж

Так как время нагрева воды и кастрюли одинаково и равно 309.6 сек, то вычислим количество теплоты, подводимое к кастрюле в секунду:

Q =12000/309.6=38.76 Дж/с

В итоге, количество теплоты, которое ушло на нагрев кастрюли, равно: Q^`𝝉=38.76*1706,4=66139,5349 Дж

Следовательно, при сложении энергий нагрева кастрюли и воды, мы получим общую энергию. А так как испаряется только лишь вода, а температуры плиты не достаточно для плавления металла, то количество теплоты за время 𝝉₂ потраченное на нагрев, не будет точное. Оно будет больше. Найдя его при правильных лабораторных условиях, мы скорее всего бы получили ту самую табличную величину r парообразования.

Задача 3.Взяли два одинаковых сосуда. В один положили лед, температурой t_л=0⁰С, а в другой такое же количество воды, t_в=0⁰С(температура комнаты t_к=20⁰С). Вся вода за четверть часа нагрелась до 4⁰С. Весь лед растаял за 5 часов. Вычислить теплоту плавления льда. Сравнить с табличными значениями и указать причины отличия.