Тепловое равновесие и внутренняя энергия тел
Тепловое равновесие — состояние изолированной системы тел, при котором между телами не происходит теплообмена.
Что это означает? Представим, что человек берёт стакан с водой, температура которой равна 25°C, температура тела человека 36,6°C. Как только человек возьмёт стакан, тепловое равновесие будет отсутствовать, так как рука человека будет охлаждаться, а стакан с водой — нагреваться. Через некоторое время температуры стакана и руки выровняются, и наступит тепловое равновесие.
Внутренняя энергия (U) — сумма всех кинетических и потенциальных энергий молекул вещества. При переходе из одного агрегатного состояния в другое кинетическая энергия молекул не меняется, так как температура остаётся постоянной, однако потенциальная энергия молекул изменяется, так как при фазовых переходах меняется расстояние между молекулами.
В модели идеального газа потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь, поэтому его внутренняя энергия равна сумме кинетических энергий молекул.
Агрегатные состояния
Агрегатное состояние — это физическое состояние вещества, зависящее от сочетания температуры и давления.
В программу ЕГЭ включены три агрегатных состояния:
- твёрдое;
- жидкое;
- газообразное.
Парообразование — это переход из жидкого состояния в газообразное, наоборот — конденсация.
Количество теплоты, необходимое для парообразования жидкого вещества массой m, взятого при температуре кипения, вычисляют по формуле:
$Q = Lm$
Удельная теплота парообразования (L) — количество теплоты, которое нужно сообщить жидкому телу массой 1 кг, взятому при температуре кипения, для его перевода в газообразное агрегатное состояние, измеряется в Дж/кг.
Удельная теплота парообразования воды равна $L_{\text{в}} = 2,3 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг}$.
В таблице представлена удельная теплота парообразования основных веществ:
В таблице представлена температура кипения основных веществ:
Если тело взято при температуре ниже температуры кипения, то его нагрев будет состоять из двух этапов. Сначала нагревание от исходной температуры до температуры кипения, потом испарение при постоянной температуре.
Для решения задач на ЕГЭ очень важно уметь определять процессы по графику зависимости температуры от времени. Процессы парообразования и конденсации всегда идут горизонтально, так как происходят при постоянной температуре. Например, на рисунке ниже процесс EF— парообразование, а процесс NC — конденсация.
Примеры решения задач
Задание 1
Графики зависимости температуры t двух тел одинаковой массы от сообщённого им количества теплоты Q представлены на рисунке. Первоначально тела находились в жидком агрегатном состоянии.
Анализируя данные графиков, выберите из приведённого списка все верные утверждения.
- В жидком агрегатном состоянии удельная теплоёмкость первого тела в 3 раза больше удельной теплоёмкости второго тела.
- Удельная теплота парообразования второго тела больше удельной теплоты парообразования первого тела.
- Оба тела имеют одинаковую удельную теплоёмкость в газообразном агрегатном состоянии.
- Температура парообразования первого тела в 2 раза ниже температуры парообразования второго тела.
- Тела имеют разную удельную теплоёмкость в жидком агрегатном состоянии.
- Телам в жидком агрегатном состоянии было сообщено одинаковое количество теплоты:
$Q_1 = Q_2$; $\ c_1 m \Delta t_1 = c_2 m \Delta t_2; \ \Delta t_1 = 3 \Delta t_2 \Rightarrow \frac{c_2}{c_1} = \frac{\Delta t_1}{\Delta t_2} = 3$ — удельная теплоёмкость первого тела в жидком агрегатном состоянии в 3 раза меньше удельной теплоёмкости второго тела – неверно.- Из графика количество теплоты, необходимое для парообразования второго тела, больше, чем для первого тела:
$Q_{\text{п}2} > Q_{\text{п}1} \Rightarrow L_2 m > L_1 m \Rightarrow L_2 > L_1$ — верно.- При сообщении телам в газообразном состоянии одинакового количества теплоты температура первого тела изменяется на меньшую величину по сравнению с температурой второго тела:
$Q_{\text{г}1} = Q_{\text{г}2}$; $\Delta t_1 < \Delta t_2$; $c_1 m \Delta t_1 = c_2 m \Delta t_2$; $\frac{c_2}{c_1} = \frac{\Delta t_1}{\Delta t_2} < 1 \Rightarrow c_2 < c_1$— неверно.- Температура парообразования первого тела в 2 раза выше температуры парообразования второго тела — неверно.
- Ранее было установлено, что теплоёмкости тел в жидком агрегатном состоянии отличаются в 3 раза — верно.
Ответ: 25.
Авторы:
Саня Эбонит, преподаватель «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ;
Кир Синюткин, методист «100балльного репетитора» по физике ЕГЭ
