Уравнение теплового баланса
Определение и уравнение баланса тепла
Одним из основных законов физики и, в частности, термодинамики является закон сохранения и преобразования энергии.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Если в изолированной системе тел нет энергетических преобразований, кроме теплообмена, то количество тепла, выделяемое телами, внутренняя энергия которых уменьшается, равна количеству тепла, получаемого телами, внутренняя энергия которых увеличивается. В этом случае полная энергия системы не изменяется, а затем первый закон термодинамики записывается в следующем виде:
Это уравнение называется уравнением теплового баланса.
Или по-другому: общее количество тепла, выделяемого в теплоизолированной системе, равно количеству тепла (всего), которое поглощается в этой системе.
По своему значению уравнение теплового баланса является законом сохранения энергии для процессов теплообмена в теплоизолированных системах.
Примеры решения проблем
ПРИМЕР 1
В медный калориметр массой m = 0,2 кг со льдом массой Мы делаем рисунок
В соответствии с условием проблемы теплообмена системы лед-калориметров с внешней средой не происходит. Поэтому внутренняя энергия системы не изменяется. Это означает, что все процессы, происходящие в системе, могут быть описаны уравнением теплового баланса с учетом агрегатных преобразований. Кроме того, в результате теплового взаимодействия вода останется в калориметре (судя по температуре, установленной условием задачи Давайте добавим к исходным данным необходимые нам данные таблицы:
удельная теплоемкость пара Теплоемкость воды Теплоемкость льда Теплоемкость меди Удельная теплота испарения воды Удельная теплота таяния льда При решении проблемы необходимо отслеживать и описывать все этапы изменений внутренней энергии тел.
1. Пар, выделяющий тепло, охлаждается от температуры Тр до 2. Пар конденсируется при постоянной температуре 3. Вода, полученная из пара, охлаждается до температуры В результате внутренняя энергия пара уменьшается:
4. Лед, получающий тепло, нагревается от Tml до 5. Ледяной расплав.
6. Вода (полученная из льда) нагревается до температуры В результате внутренняя энергия льда увеличивается:
7. Калориметр, поглощающий тепло, нагревается от В результате его внутренняя энергия увеличивается на:
Сделаем уравнение теплового баланса:
Чтобы описать процесс, который мы имеем, уравнение теплового баланса будет выглядеть так:
отсюда
Масса пара составляет приблизительно 342 грамма.
ПРИМЕР 2
К сосуду объемом V с теплозащитными стенками, заполненными газом с молярной массой Мы предполагаем, что теплоемкость стали В нашем случае процессы обратимы, поэтому изменение энтропии можно записать следующим образом:
В системе имеются следующие процессы:
1. Газ нагревается от температуры В полученном уравнении по-прежнему необходимо определить температуру, которая будет установлена в системе, и массу газа в сосуде.
Мы находим массу газа из уравнения Менделеева - Клапейрона:
Чтобы найти 2. Мяч охлаждается, выделяя тепло.
Тогда вы можете написать уравнение баланса тепла:
Изменение энтропии газа в описанном процессе:
кг, с температурой
, пар был доведен до температуры
,после чего в калориметре была установлена температура
. Определите массу
пары. Обработайте систему лед-калориметр-пар как изолированную.
рис один.
. В системе пар выделяет тепло (уменьшается его внутренняя энергия), а калориметр и лед получают тепло (их внутренняя энергия увеличивается).
= 1,7
) Дж / кгК,
= 4,2
Дж/кгК
= 2,1
Дж/кгК
= 3,8
Дж/кгК
Дж / кг
Дж / кг
373 К (температура конденсации водяного пара в нормальных условиях).
= 273 K (точка плавления льда в нормальных условиях).
.
или
, температурой T1 и давлением p, был выброшен стальной шар массы m и температура T2 (T1
и теплоемкость газа
являются табличными значениями и известны нам.
до температуры
, получая тепло.
, мы описываем процесс нагрева газа и охлаждения шара и используем уравнение теплового баланса.
где