« Physique - 10e année"
Dans quels processus se produisent les transformations globales de la matière ?
Comment changer l’état d’agrégation d’une substance ?
Vous pouvez modifier l’énergie interne de n’importe quel corps en le travaillant, en le chauffant ou, au contraire, en le refroidissant.
Ainsi, lors du forgeage d'un métal, le travail est effectué et il chauffe, en même temps le métal peut être chauffé sur une flamme brûlante.
De plus, si vous fixez le piston (Fig. 13.5), le volume de gaz ne change pas lorsqu'il est chauffé et aucun travail n'est effectué. Mais la température du gaz, et donc son énergie interne, augmente.
L'énergie interne peut augmenter et diminuer, de sorte que la quantité de chaleur peut être positive ou négative.
Le processus de transfert d'énergie d'un corps à un autre sans effectuer de travail est appelé échange de chaleur.
La mesure quantitative de la variation de l'énergie interne pendant le transfert de chaleur est appelée quantité de chaleur.
Image moléculaire du transfert de chaleur.
Lors de l'échange de chaleur à la frontière entre les corps, l'interaction des molécules d'un corps froid se déplaçant lentement avec des molécules d'un corps chaud se déplaçant rapidement se produit. En conséquence, les énergies cinétiques des molécules sont égalisées et les vitesses des molécules d'un corps froid augmentent, et celles d'un corps chaud diminuent.
Lors de l'échange thermique, l'énergie n'est pas convertie d'une forme à une autre ; une partie de l'énergie interne d'un corps plus chauffé est transférée à un corps moins chauffé.
Quantité de chaleur et capacité thermique.
Vous savez déjà que pour chauffer un corps de masse m de la température t 1 à la température t 2, il faut lui transférer une quantité de chaleur :
Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)
Lorsqu'un corps se refroidit, sa température finale t 2 s'avère inférieure à la température initiale t 1 et la quantité de chaleur dégagée par le corps est négative.
Le coefficient c dans la formule (13.5) est appelé capacité thermique spécifique substances.
Chaleur spécifique- il s'agit d'une quantité numériquement égale à la quantité de chaleur qu'une substance pesant 1 kg reçoit ou libère lorsque sa température change de 1 K.
La capacité thermique spécifique des gaz dépend du processus par lequel le transfert de chaleur se produit. Si vous chauffez un gaz à pression constante, il se dilatera et fonctionnera. Pour chauffer un gaz de 1 °C à pression constante, il doit transférer plus de chaleur que pour le chauffer à volume constant, où le gaz ne fera que chauffer.
Les liquides et les solides se dilatent légèrement lorsqu'ils sont chauffés. Leurs capacités thermiques spécifiques à volume constant et à pression constante diffèrent peu.
Chaleur spécifique de vaporisation.
Pour transformer un liquide en vapeur lors du processus d’ébullition, il faut lui transférer une certaine quantité de chaleur. La température d’un liquide ne change pas lorsqu’il bout. La transformation d'un liquide en vapeur à température constante n'entraîne pas une augmentation de l'énergie cinétique des molécules, mais s'accompagne d'une augmentation de l'énergie potentielle de leur interaction. Après tout, la distance moyenne entre les molécules de gaz est bien plus grande qu’entre les molécules de liquide.
Une quantité numériquement égale à la quantité de chaleur nécessaire pour convertir un liquide pesant 1 kg en vapeur à température constante est appelée chaleur spécifique de vaporisation.
Le processus d'évaporation d'un liquide se produit à n'importe quelle température, tandis que les molécules les plus rapides quittent le liquide et celui-ci se refroidit pendant l'évaporation. La chaleur spécifique d'évaporation est égale à la chaleur spécifique de vaporisation.
Cette valeur est désignée par la lettre r et exprimée en joules par kilogramme (J/kg).
La chaleur spécifique de vaporisation de l'eau est très élevée : r H20 = 2,256 10 6 J/kg à une température de 100 °C. Pour d'autres liquides, par exemple l'alcool, l'éther, le mercure, le kérosène, la chaleur spécifique de vaporisation est 3 à 10 fois inférieure à celle de l'eau.
Pour convertir un liquide de masse m en vapeur, il faut une quantité de chaleur égale à :
Q p = rm. (13.6)
Lorsque la vapeur se condense, la même quantité de chaleur est libérée :
Q k = -rm. (13.7)
Chaleur spécifique de fusion.
Lorsqu'un corps cristallin fond, toute la chaleur qui lui est fournie va augmenter l'énergie potentielle d'interaction entre les molécules. L'énergie cinétique des molécules ne change pas puisque la fusion se produit à température constante.
Une valeur numériquement égale à la quantité de chaleur nécessaire pour transformer une substance cristalline pesant 1 kg au point de fusion en liquide est appelée chaleur spécifique de fusion et désigné par la lettre λ.
Lorsqu'une substance pesant 1 kg cristallise, elle libère exactement la même quantité de chaleur que celle absorbée lors de la fusion.
La chaleur spécifique de fonte de la glace est assez élevée : 3,34 10 5 J/kg.
« Si la glace n'avait pas une chaleur de fusion élevée, alors au printemps, toute la masse de glace devrait fondre en quelques minutes ou secondes, car la chaleur est continuellement transférée à la glace depuis l'air. Les conséquences seraient désastreuses ; en effet, même dans la situation actuelle, de grandes inondations et de forts débits d’eau surviennent lorsque de grandes masses de glace ou de neige fondent.» R. Noir, XVIIIe siècle.
Pour faire fondre un corps cristallin de masse m, il faut une quantité de chaleur égale à :
Qpl = λm. (13.8)
La quantité de chaleur dégagée lors de la cristallisation d'un corps est égale à :
Q cr = -λm (13,9)
Équation du bilan thermique.
Considérons l'échange thermique au sein d'un système composé de plusieurs corps qui ont initialement des températures différentes, par exemple l'échange thermique entre l'eau d'un récipient et une boule de fer chaude descendue dans l'eau. Selon la loi de conservation de l’énergie, la quantité de chaleur dégagée par un corps est numériquement égale à la quantité de chaleur reçue par un autre.
La quantité de chaleur émise est considérée comme négative, la quantité de chaleur reçue est considérée comme positive. Par conséquent, la quantité totale de chaleur Q1 + Q2 = 0.
Si un échange de chaleur se produit entre plusieurs corps dans un système isolé, alors
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
L'équation (13.10) est appelée équation du bilan thermique.
Ici Q 1 Q 2, Q 3 sont les quantités de chaleur reçues ou dégagées par les corps. Ces quantités de chaleur sont exprimées par la formule (13.5) ou les formules (13.6)-(13.9), si diverses transformations de phase de la substance (fusion, cristallisation, vaporisation, condensation) se produisent au cours du processus d'échange thermique.
ÉCHANGE DE CHALEUR.
1. Échange de chaleur.
Échange de chaleur ou transfert de chaleur est le processus de transfert de l’énergie interne d’un corps à un autre sans effectuer de travail.
Il existe trois types de transfert de chaleur.
1) Conductivité thermique- Il s'agit d'un échange thermique entre les corps lors de leur contact direct.
2) Convection- Il s'agit d'un échange de chaleur dans lequel la chaleur est transférée par des flux de gaz ou de liquide.
3) Radiation– Il s’agit d’un échange de chaleur par rayonnement électromagnétique.
2. Quantité de chaleur.
La quantité de chaleur est une mesure de la variation de l’énergie interne d’un corps lors d’un échange thermique. Désigné par la lettre Q.
Unité de mesure de la quantité de chaleur = 1 J.
La quantité de chaleur reçue par un corps d'un autre corps à la suite d'un échange de chaleur peut être dépensée pour augmenter la température (augmentation de l'énergie cinétique des molécules) ou modifier l'état d'agrégation (augmentation de l'énergie potentielle).
3. Capacité thermique spécifique de la substance.
L'expérience montre que la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps de masse m de la température T 1 à la température T 2 est proportionnelle à la masse du corps m et à la différence de température (T 2 - T 1), c'est-à-dire
Q = cm(T. 2 -T 1 ) = smΔ T,
Avec est appelée la capacité thermique spécifique de la substance du corps chauffé.
La capacité thermique spécifique d'une substance est égale à la quantité de chaleur qui doit être transmise à 1 kg de substance pour la chauffer de 1 K.
Unité de mesure de la capacité thermique spécifique =.
Les valeurs de capacité thermique de diverses substances peuvent être trouvées dans des tableaux physiques.
Exactement la même quantité de chaleur Q sera libérée lorsque le corps sera refroidi de ΔT.
4. Chaleur spécifique de vaporisation.
L'expérience montre que la quantité de chaleur nécessaire pour transformer un liquide en vapeur est proportionnelle à la masse du liquide, c'est-à-dire
Q = Lm,
où est le coefficient de proportionnalité L est appelée la chaleur spécifique de vaporisation.
La chaleur spécifique de vaporisation est égale à la quantité de chaleur nécessaire pour transformer 1 kg de liquide à ébullition en vapeur.
Une unité de mesure pour la chaleur spécifique de vaporisation.
Au cours du processus inverse, la condensation de la vapeur, la chaleur est libérée dans la même quantité que celle dépensée pour la formation de vapeur.
5. Chaleur spécifique de fusion.
L'expérience montre que la quantité de chaleur nécessaire pour transformer un solide en liquide est proportionnelle à la masse du corps, c'est-à-dire
Q = λ m,
où le coefficient de proportionnalité λ est appelé chaleur spécifique de fusion.
La chaleur spécifique de fusion est égale à la quantité de chaleur nécessaire pour transformer un corps solide pesant 1 kg en liquide au point de fusion.
Unité de mesure de la chaleur spécifique de fusion.
Au cours du processus inverse, la cristallisation du liquide, la chaleur est libérée dans la même quantité que celle dépensée pour la fusion.
6. Chaleur spécifique de combustion.
L'expérience montre que la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion complète du carburant est proportionnelle à la masse du carburant, c'est-à-dire
Q = qm,
Où le coefficient de proportionnalité q est appelé chaleur spécifique de combustion.
La chaleur spécifique de combustion est égale à la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion complète de 1 kg de carburant.
Unité de mesure de la chaleur spécifique de combustion.
7. Équation du bilan thermique.
L'échange de chaleur implique deux corps ou plus. Certains corps dégagent de la chaleur tandis que d’autres en reçoivent. L'échange de chaleur se produit jusqu'à ce que les températures des corps deviennent égales. Selon la loi de conservation de l’énergie, la quantité de chaleur émise est égale à la quantité reçue. Sur cette base, l'équation du bilan thermique est écrite.
Regardons un exemple.
Un corps de masse m 1, dont la capacité thermique est c 1, a une température T 1, et un corps de masse m 2, dont la capacité thermique est c 2, a une température T 2. De plus, T 1 est supérieur à T 2. Ces corps sont mis en contact. L'expérience montre qu'un corps froid (m 2) commence à se réchauffer et qu'un corps chaud (m 1) commence à se refroidir. Cela suggère qu'une partie de l'énergie interne du corps chaud est transférée au corps froid et que les températures sont égalisées. Notons la température globale finale par θ. 
La quantité de chaleur transférée d'un corps chaud à un corps froid
Q transféré. = c 1 m 1 (T. 1 – θ )
La quantité de chaleur reçue par un corps froid d'un corps chaud
Q reçu. = c 2 m 2 (θ – T 2 )
Selon la loi de conservation de l'énergie Q transféré. = Q reçu., c'est-à-dire
c 1 m 1 (T. 1 – θ )= c 2 m 2 (θ – T 2 )
Ouvrons les parenthèses et exprimons la valeur de la température totale en régime permanent θ.
Dans ce cas, nous obtenons la valeur de température θ en kelvins.
Cependant, puisque Q est passé dans les expressions.
et Q est reçu. est la différence entre deux températures, et elle est la même en Kelvin et en degrés Celsius, alors le calcul peut être effectué en degrés Celsius. Alors
Dans ce cas, nous obtenons la valeur de température θ en degrés Celsius.
L'égalisation de la température résultant de la conductivité thermique peut être expliquée sur la base de la théorie de la cinétique moléculaire comme l'échange d'énergie cinétique entre les molécules lors d'une collision au cours d'un mouvement thermique chaotique. 
Cet exemple peut être illustré par un graphique. Capacité thermique
- c'est la quantité de chaleur absorbée par un corps lorsqu'il est chauffé de 1 degré. La capacité thermique d'un corps est indiquée par une lettre latine majuscule.
AVEC
De quoi dépend la capacité thermique d’un corps ? Tout d’abord de par sa masse. Il est clair que chauffer, par exemple, 1 kilogramme d’eau nécessitera plus de chaleur que chauffer 200 grammes.
Qu’en est-il du type de substance ? Faisons une expérience. Prenons deux récipients identiques et, après avoir versé dans l'un de l'eau pesant 400 g et dans l'autre de l'huile végétale pesant 400 g, nous commencerons à les chauffer à l'aide de brûleurs identiques. En observant les lectures du thermomètre, nous verrons que l'huile chauffe rapidement. Pour chauffer l'eau et l'huile à la même température, l'eau doit être chauffée plus longtemps. Mais plus nous chauffons l’eau longtemps, plus elle reçoit de chaleur du brûleur.
Ainsi, par exemple, pour augmenter la température d'une eau pesant 1 kg de 1 °C, il faut une quantité de chaleur égale à 4 200 J, et pour chauffer la même masse d'huile de tournesol de 1 °C, une quantité de chaleur égale à 1700 J sont requis.
Une grandeur physique indiquant la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 1 kg d'une substance de 1 ºС est appelée capacité thermique spécifique de cette substance.
Chaque substance possède sa propre capacité thermique spécifique, désignée par la lettre latine c et mesurée en joules par kilogramme degré (J/(kg °C)).
La capacité thermique spécifique d'une même substance dans différents états d'agrégation (solide, liquide et gazeux) est différente. Par exemple, la capacité thermique spécifique de l’eau est de 4 200 J/(kg °C) et la capacité thermique spécifique de la glace est de 2 100 J/(kg °C) ; l'aluminium à l'état solide a une capacité thermique spécifique de 920 J/(kg - °C) et à l'état liquide - 1080 J/(kg - °C).
Notez que l’eau a une capacité thermique spécifique très élevée. Par conséquent, l'eau des mers et des océans, se réchauffant en été, absorbe une grande quantité de chaleur de l'air. Grâce à cela, dans les endroits situés à proximité de grands plans d'eau, l'été n'est pas aussi chaud que dans les endroits éloignés de l'eau.
Calcul de la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps ou dégagée par celui-ci lors du refroidissement.
De ce qui précède, il ressort clairement que la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps dépend du type de substance qui le compose (c'est-à-dire sa capacité thermique spécifique) et de la masse du corps. Il est également clair que la quantité de chaleur dépend du degré d’augmentation de la température corporelle.
Ainsi, pour déterminer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps ou dégagée par celui-ci lors du refroidissement, il faut multiplier la capacité thermique spécifique du corps par sa masse et par la différence entre ses températures finale et initiale :
Q= cm (t 2 -t 1),
Où Q- quantité de chaleur, c- capacité thermique spécifique, m- le poids corporel, t1- température initiale, t 2- température finale.
Quand le corps se réchauffe t 2> t1 et donc Q >0 . Quand le corps se refroidit t 2i< t1 et donc Q< 0 .
Si la capacité thermique de tout le corps est connue La capacité thermique d'un corps est indiquée par une lettre latine majuscule, Q déterminé par la formule : Q = C (t 2 - t1).
22) Fusion : définition, calcul de la quantité de chaleur pour la fusion ou la solidification, chaleur spécifique de fusion, graphique de t 0 (Q).
Thermodynamique
Branche de la physique moléculaire qui étudie le transfert d'énergie, les modèles de transformation d'un type d'énergie en un autre. Contrairement à la théorie de la cinétique moléculaire, la thermodynamique ne prend pas en compte la structure interne des substances et les microparamètres.
Système thermodynamique
C'est un ensemble de corps qui échangent de l'énergie (sous forme de travail ou de chaleur) entre eux ou avec l'environnement. Par exemple, l'eau dans la bouilloire refroidit et la chaleur est échangée entre l'eau et la bouilloire et la chaleur de la bouilloire avec l'environnement. Un cylindre avec du gaz sous le piston : le piston effectue un travail, à la suite duquel le gaz reçoit de l'énergie et ses macroparamètres changent.
Quantité de chaleur
Ce énergie, que le système reçoit ou libère pendant le processus d'échange thermique. Désignée par le symbole Q, elle se mesure, comme toute énergie, en Joules.
En raison de divers processus d'échange thermique, l'énergie transférée est déterminée à sa manière.
Chauffage et refroidissement
Ce processus se caractérise par un changement de température du système. La quantité de chaleur est déterminée par la formule
Capacité thermique spécifique d'une substance avec mesuré par la quantité de chaleur nécessaire pour se réchauffer unités de masse de cette substance par 1K. Chauffer 1 kg de verre ou 1 kg d’eau nécessite différentes quantités d’énergie. La capacité thermique spécifique est une quantité connue, déjà calculée pour toutes les substances, voir la valeur dans les tableaux physiques ;
Capacité thermique de la substance C- c'est la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps sans tenir compte de sa masse par 1K.
Fusion et cristallisation
La fusion est le passage d'une substance de l'état solide à l'état liquide. La transition inverse est appelée cristallisation.
L'énergie dépensée pour la destruction du réseau cristallin d'une substance est déterminée par la formule
La chaleur spécifique de fusion est une valeur connue pour chaque substance ; voir la valeur dans les tableaux physiques.
Vaporisation (évaporation ou ébullition) et condensation
La vaporisation est le passage d'une substance d'un état liquide (solide) à un état gazeux. Le processus inverse est appelé condensation.
La chaleur spécifique de vaporisation est une valeur connue pour chaque substance ; voir la valeur dans les tableaux physiques.
Combustion
La quantité de chaleur dégagée lorsqu'une substance brûle
La chaleur spécifique de combustion est une valeur connue pour chaque substance ; voir la valeur dans les tableaux physiques.
Pour un système de corps fermé et adiabatiquement isolé, l’équation du bilan thermique est satisfaite. La somme algébrique des quantités de chaleur émises et reçues par tous les corps participant à l'échange thermique est égale à zéro :
Q 1 + Q 2 +...+ Q n =0
23) La structure des liquides. Couche superficielle. Force de tension superficielle : exemples de manifestation, calcul, coefficient de tension superficielle.
De temps en temps, n’importe quelle molécule peut se déplacer vers un emplacement vacant à proximité. De tels sauts de liquides se produisent assez souvent ; par conséquent, les molécules ne sont pas liées à des centres spécifiques, comme dans les cristaux, et peuvent se déplacer dans tout le volume du liquide. Ceci explique la fluidité des liquides. En raison de la forte interaction entre des molécules proches, elles peuvent former des groupes ordonnés locaux (instables) contenant plusieurs molécules. Ce phénomène est appelé clôturer la commande(Fig. 3.5.1).
Le coefficient β est appelé coefficient de température de dilatation volumétrique . Ce coefficient pour les liquides est dix fois supérieur à celui pour les solides. Pour l'eau par exemple à une température de 20 °C β in ≈ 2 10 – 4 K – 1, pour l'acier β st ≈ 3,6 10 – 5 K – 1, pour le verre de quartz β kv ≈ 9 10 – 6 K – 1 .
La dilatation thermique de l’eau présente une anomalie intéressante et importante pour la vie sur Terre. À des températures inférieures à 4 °C, l'eau se dilate à mesure que la température diminue (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Lorsque l’eau gèle, elle se dilate, de sorte que la glace reste flottante à la surface d’une étendue d’eau gelée. La température de l’eau gelée sous la glace est de 0 °C. Dans les couches d'eau plus denses au fond du réservoir, la température est d'environ 4 °C. Grâce à cela, la vie peut exister dans l’eau des réservoirs gelés.
La caractéristique la plus intéressante des liquides est la présence surface libre . Le liquide, contrairement aux gaz, ne remplit pas tout le volume du récipient dans lequel il est versé. Une interface se forme entre le liquide et le gaz (ou la vapeur), qui se trouve dans des conditions particulières par rapport au reste du liquide. Il convient de garder à l'esprit qu'en raison de la compressibilité extrêmement faible, la présence d'une couche superficielle plus densément tassée. n'entraîne aucun changement notable dans le volume du liquide. Si une molécule se déplace de la surface vers le liquide, les forces d’interaction intermoléculaire effectueront un travail positif. Au contraire, afin de tirer un certain nombre de molécules des profondeurs du liquide vers la surface (c'est-à-dire augmenter la surface du liquide), les forces extérieures doivent effectuer un travail positif Δ UN externe, proportionnel au changement Δ S superficie :
On sait en mécanique que les états d’équilibre d’un système correspondent à la valeur minimale de son énergie potentielle. Il s'ensuit que la surface libre du liquide tend à réduire sa surface. Pour cette raison, une goutte libre de liquide prend une forme sphérique. Le liquide se comporte comme si des forces agissant tangentiellement à sa surface contractaient (tiraient) cette surface. Ces forces sont appelées forces de tension superficielle .
La présence de forces de tension superficielle fait ressembler la surface d'un liquide à un film élastique étiré, à la seule différence que les forces élastiques dans le film dépendent de sa surface (c'est-à-dire de la manière dont le film est déformé) et de la tension superficielle. forces ne dépend pas sur la surface du liquide.
Certains liquides, comme l’eau savonneuse, ont la capacité de former de fines pellicules. Les bulles de savon bien connues ont une forme sphérique régulière, ce qui montre également l'effet des forces de tension superficielle. Si un cadre en fil de fer, dont l'un des côtés est mobile, est plongé dans une solution savonneuse, alors tout le cadre sera recouvert d'un film de liquide (Fig. 3.5.3).
Les forces de tension superficielle ont tendance à réduire la surface du film. Pour équilibrer le côté mobile du cadre, une force externe doit lui être appliquée si, sous l'influence d'une force, la barre transversale se déplace de Δ. x, alors le travail Δ sera effectué UN vn = F vnΔ x = Δ E p = σΔ S, où Δ S = 2LΔ x– augmentation de la surface des deux côtés du film de savon. Puisque les modules de forces et sont les mêmes, on peut écrire :
|
Ainsi, le coefficient de tension superficielle σ peut être défini comme module de la force de tension superficielle agissant par unité de longueur de la ligne délimitant la surface.
En raison de l'action des forces de tension superficielle dans les gouttes de liquide et à l'intérieur des bulles de savon, une surpression Δ apparaît p. Si vous coupez mentalement une goutte sphérique de rayon R. en deux moitiés, alors chacune d'elles doit être en équilibre sous l'action des forces de tension superficielle appliquées à la frontière coupée de longueur 2π R. et forces de surpression agissant sur la zone π R. 2 sections (Fig. 3.5.4). La condition d’équilibre s’écrit
Si ces forces sont supérieures aux forces d'interaction entre les molécules du liquide lui-même, alors le liquide mouille surface d'un solide. Dans ce cas, le liquide s'approche de la surface du solide selon un certain angle aigu θ, caractéristique d'un couple liquide-solide donné. L'angle θ s'appelle angle de contact . Si les forces d'interaction entre les molécules liquides dépassent les forces de leur interaction avec des molécules solides, alors l'angle de contact θ s'avère obtus (Fig. 3.5.5). Dans ce cas, on dit que le liquide ne mouille pas surface d'un solide. À mouillage completθ = 0, à complètement non mouillantθ = 180°.
Phénomènes capillaires appelé montée ou descente de liquide dans des tubes de petit diamètre - capillaires. Les liquides mouillants montent dans les capillaires, les liquides non mouillants descendent.
Sur la fig. 3.5.6 montre un tube capillaire d'un certain rayon r, descendu à l'extrémité inférieure dans un liquide mouillant de densité ρ. L'extrémité supérieure du capillaire est ouverte. La montée du liquide dans le capillaire se poursuit jusqu'à ce que la force de gravité agissant sur la colonne de liquide dans le capillaire devienne égale en ampleur à la résultante. F n forces de tension superficielle agissant le long de la limite de contact du liquide avec la surface du capillaire : F t = F n, où F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cosθ.
Il en découle :
Avec non-mouillage complet θ = 180°, cos θ = –1 et donc h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
L'eau mouille presque complètement la surface du verre propre. Au contraire, le mercure ne mouille pas complètement la surface du verre. Par conséquent, le niveau de mercure dans le capillaire en verre descend en dessous du niveau dans le récipient.
24) Vaporisation : définition, types (évaporation, ébullition), calcul de la quantité de chaleur pour la vaporisation et la condensation, chaleur spécifique de vaporisation.
Évaporation et condensation. Explication du phénomène d'évaporation basée sur des idées sur la structure moléculaire de la matière. Chaleur spécifique de vaporisation. Ses unités.
Le phénomène de transformation d’un liquide en vapeur est appelé vaporisation.
Évaporation - le processus de vaporisation se produisant à partir d'une surface ouverte.
Les molécules liquides se déplacent à des vitesses différentes. Si une molécule se retrouve à la surface d’un liquide, elle peut vaincre l’attraction des molécules voisines et s’envoler hors du liquide. Les molécules éjectées forment de la vapeur. Les molécules restantes du liquide changent de vitesse lors d'une collision. Dans le même temps, certaines molécules acquièrent une vitesse suffisante pour s'envoler hors du liquide. Ce processus se poursuit afin que les liquides s'évaporent lentement.
*Le taux d'évaporation dépend du type de liquide. Les liquides dont les molécules sont attirées avec moins de force s'évaporent plus rapidement.
*L'évaporation peut se produire à n'importe quelle température. Mais à des températures élevées, l'évaporation se produit plus rapidement .
*Le taux d'évaporation dépend de sa superficie.
*Avec le vent (flux d'air), l'évaporation se produit plus rapidement.
Lors de l'évaporation, l'énergie interne diminue, car Lors de l'évaporation, le liquide laisse des molécules rapides, donc la vitesse moyenne des molécules restantes diminue. Cela signifie que s’il n’y a pas d’afflux d’énergie extérieure, alors la température du liquide diminue.
Le phénomène de transformation de la vapeur en liquide est appelé condensation.
Elle s'accompagne d'une libération d'énergie.
La condensation de la vapeur explique la formation des nuages. La vapeur d’eau qui s’élève au-dessus du sol forme des nuages dans les couches supérieures d’air froid, constitués de minuscules gouttes d’eau.
Chaleur spécifique de vaporisation - physique une valeur indiquant la quantité de chaleur nécessaire pour convertir un liquide pesant 1 kg en vapeur sans changer de température.
Oud. chaleur de vaporisation désigné par la lettre L et mesuré en J/kg
Oud. chaleur de vaporisation de l'eau : L=2,3×10 6 J/kg, alcool L=0,9×10 6
Quantité de chaleur nécessaire pour convertir un liquide en vapeur : Q = Lm
Qu'est-ce qui chauffera plus rapidement sur la cuisinière : une bouilloire ou un seau d'eau ? La réponse est évidente : une théière. Alors la deuxième question est pourquoi ?
La réponse n'est pas moins évidente : car la masse d'eau dans la bouilloire est moindre. Super. Et maintenant, vous pouvez vivre vous-même une véritable expérience physique à la maison. Pour ce faire, vous aurez besoin de deux petites casseroles identiques, d'une quantité égale d'eau et d'huile végétale, par exemple un demi-litre chacune et d'une cuisinière. Placer les casseroles avec l'huile et l'eau sur le même feu. Maintenant, regardez simplement ce qui va chauffer plus rapidement. Si vous disposez d'un thermomètre pour liquides, vous pouvez l'utiliser ; sinon, vous pouvez simplement tester la température avec votre doigt de temps en temps, en faisant juste attention à ne pas vous brûler. Dans tous les cas, vous verrez bientôt que l’huile chauffe beaucoup plus vite que l’eau. Et encore une question qui peut également être mise en œuvre sous forme d'expérience. Qu'est-ce qui bout plus vite : de l'eau tiède ou froide ? Tout est à nouveau évident : le chaud sera le premier à la ligne d'arrivée. Pourquoi toutes ces questions et expériences étranges ? Déterminer la grandeur physique appelée « quantité de chaleur ».
Quantité de chaleur
La quantité de chaleur est l’énergie qu’un corps perd ou gagne lors du transfert de chaleur. Cela ressort clairement du nom. Lors du refroidissement, le corps perdra une certaine quantité de chaleur et lors du chauffage, il l'absorbera. Et les réponses à nos questions nous ont montré De quoi dépend la quantité de chaleur ? Premièrement, plus la masse d’un corps est grande, plus la quantité de chaleur qui doit être dépensée pour modifier sa température d’un degré est importante. Deuxièmement, la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps dépend de la substance qui le compose, c'est-à-dire du type de substance. Et troisièmement, la différence de température corporelle avant et après le transfert de chaleur est également importante pour nos calculs. Sur la base de ce qui précède, nous pouvons déterminer la quantité de chaleur à l'aide de la formule :
où Q est la quantité de chaleur,
m - poids corporel,
(t_2-t_1) - la différence entre les températures corporelles initiale et finale,
c est la capacité thermique spécifique de la substance, trouvée à partir des tableaux correspondants.
En utilisant cette formule, vous pouvez calculer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer un corps ou que ce corps dégagera lors du refroidissement.
La quantité de chaleur se mesure en joules (1 J), comme tout type d'énergie. Cependant, cette valeur a été introduite il n’y a pas si longtemps et les gens ont commencé à mesurer la quantité de chaleur beaucoup plus tôt. Et ils ont utilisé une unité largement utilisée à notre époque : la calorie (1 cal). 1 calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer 1 gramme d’eau de 1 degré Celsius. Guidés par ces données, ceux qui aiment compter les calories contenues dans les aliments qu'ils consomment peuvent, juste pour s'amuser, calculer combien de litres d'eau peuvent être bouillis avec l'énergie qu'ils consomment avec les aliments pendant la journée.
L'énergie interne d'un système thermodynamique peut être modifiée de deux manières :
- faire des travaux sur le système,
- en utilisant l'interaction thermique.
Le transfert de chaleur vers un corps n’est pas associé à l’exécution d’un travail macroscopique sur le corps. Dans ce cas, le changement d'énergie interne est causé par le fait que les molécules individuelles d'un corps ayant une température plus élevée travaillent effectivement sur certaines molécules d'un corps ayant une température plus basse. Dans ce cas, l'interaction thermique est réalisée grâce à la conductivité thermique. Le transfert d'énergie est également possible grâce au rayonnement. Le système de processus microscopiques (relatifs non pas au corps entier, mais à des molécules individuelles) est appelé transfert de chaleur. La quantité d'énergie transférée d'un corps à un autre suite au transfert de chaleur est déterminée par la quantité de chaleur transférée d'un corps à un autre.
Définition
Chaleur fait référence à l'énergie reçue (ou abandonnée) par un corps lors du processus d'échange thermique avec les corps environnants (environnement).
C'est l'une des grandeurs de base en thermodynamique. La chaleur est incluse dans les expressions mathématiques des première et deuxième lois de la thermodynamique. On dit que la chaleur est de l’énergie sous forme de mouvement moléculaire.
La chaleur peut être transférée au système (corps) ou elle peut en être extraite. On pense que si la chaleur est transférée au système, elle est alors positive.
Formule pour calculer la chaleur lorsque la température change
Notons la quantité élémentaire de chaleur par . Notons que l'élément de chaleur que le système reçoit (donne) avec un petit changement de son état n'est pas un différentiel complet. La raison en est que la chaleur est fonction du processus de changement d’état du système.
La quantité élémentaire de chaleur transmise au système et la température passant de T à T+dT sont égales à :
où C est la capacité thermique du corps. Si le corps en question est homogène, alors la formule (1) pour la quantité de chaleur peut être représentée comme suit :
où est la capacité thermique spécifique du corps, m est la masse du corps, est la capacité thermique molaire, est la masse molaire de la substance, est le nombre de moles de la substance.
Si le corps est homogène et que la capacité thermique est considérée comme indépendante de la température, alors la quantité de chaleur () que le corps reçoit lorsque sa température augmente d'un certain montant peut être calculée comme suit :
où t 2, t 1 températures corporelles avant et après chauffage. Veuillez noter que lorsque vous recherchez la différence () dans les calculs, les températures peuvent être remplacées à la fois en degrés Celsius et en kelvins.
Formule pour la quantité de chaleur pendant les transitions de phase
Le passage d'une phase d'une substance à une autre s'accompagne de l'absorption ou du dégagement d'une certaine quantité de chaleur, appelée chaleur de transition de phase.
Ainsi, pour transférer un élément de matière de l'état solide à l'état liquide, il faut lui donner une quantité de chaleur () égale à :
où est la chaleur spécifique de fusion, dm est l'élément de masse corporelle. Il faut tenir compte du fait que le corps doit avoir une température égale au point de fusion de la substance en question. Lors de la cristallisation, une chaleur dégagée égale à (4).
La quantité de chaleur (chaleur d’évaporation) nécessaire pour convertir un liquide en vapeur peut être trouvée comme suit :
où r est la chaleur spécifique d’évaporation. Lorsque la vapeur se condense, de la chaleur est libérée. La chaleur d’évaporation est égale à la chaleur de condensation de masses égales de substance.
Unités de mesure de la quantité de chaleur
L'unité de mesure de base de la quantité de chaleur dans le système SI est : [Q]=J
Unité de chaleur extra-système, que l'on retrouve souvent dans les calculs techniques. [Q]=cal (calories). 1 cal = 4,1868 J.
Exemples de résolution de problèmes
Exemple
Exercice. Quels volumes d'eau faut-il mélanger pour obtenir 200 litres d'eau à une température de t = 40C, si la température d'une masse d'eau est t 1 = 10 C, la température de la deuxième masse d'eau est t 2 = 60 C ?
Solution.Écrivons l'équation du bilan thermique sous la forme :
où Q=cmt est la quantité de chaleur préparée après mélange de l'eau ; Q 1 = cm 1 t 1 - la quantité de chaleur d'une partie de l'eau avec une température t 1 et une masse m 1 ; Q 2 = cm 2 t 2 - la quantité de chaleur d'une partie de l'eau avec une température t 2 et une masse m 2.
De l’équation (1.1) il résulte :
En combinant des parties d'eau froide (V 1) et chaude (V 2) en un seul volume (V), nous pouvons supposer que :
On obtient donc un système d'équations :
Après l'avoir résolu, nous obtenons :
