Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia)

2. Dane INFORMACYJNE (do uzupełnienia) • Nazwa szkoły: • Publiczne gimnazjum w Człopie • ID grupy: • 98/7_mf_g1 • Kompetencja: • Fizyczno- matematyczna • Temat projektowy: • Cieplny przepływ energii • Semestr/rok szkolny: 2011/12

3. CIEPLNY PRZEPŁYW ENERGII

4. Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących układy makroskopowe pozostające we wzajemnym kontakcie; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii. Ciepło oznacza również ilość energii wewnętrznej przekazywanej w procesie cieplnym. Aby uniknąć nieporozumień, dla odróżnienia ciepła jako zjawiska fizycznego od ciepła jako wielkości fizycznej można używać określenia wymiana cieplna lub cieplny przepływ energii na określenie procesu, a ilość ciepła na wielkość fizyczną określającą zmianę energii wewnętrznej wywołaną tym zjawiskiem. Ciepło (jako wielkość fizyczna) przepływa między ciałami, które nie znajdują się w równowadze termicznej (czyli mają różne temperatury) i wywołuje zwykle zmianę temperatur ciał pozostających w kontakcie termicznym. Kontakt termiczny jest warunkiem koniecznym przepływu ciepła.

5. Energię wewnętrzną układu można zmienić poprzez wykonanie pracy nad tym układem. ∆U = W Energia wewnętrzna układu może zmienić się również poprzez dostarczenie ciepła do układu. ∆U = Q I zasada termodynamiki: Zmiana energii wewnętrznej ciała(∆U) jest równa sumie pracy wykonanej nad ciałem przez siły zewnętrzne i energii przekazanej w sposób ciepła. ∆U = W + Q Energia wewnętrzna może być przekazywanapoprzez przewodnictwo, konwekcję i promieniowanie.

6. Konwekcja

7. Konwekcja • Proces przekazywania ciepła związany z makroskopowym ruchem materii w gazie, cieczy bądź plazmie, np. powietrzu, wodzie, plazmie gwiazdowej. Czasami przez konwekcję rozumie się również sam ruch materii związany z różnicami temperatur, który prowadzi do przenoszenia ciepła. Ruch ten precyzyjniej nazywa się prądem konwekcyjnym.

8. Konwekcja jako proces • Konwekcja jest jednym z kilku mechanizmów transportu energii cieplnej (wymiany ciepła), np. przenoszenie za pomocą dyfuzji molekularnej, dyfuzji turbulencyjnej, adwekcja (przenoszenie, konwekcja) ciepła. Konwekcja jest wydajnym sposobem przekazywania ciepła, ale jednocześnie silnie zależnym od substancji i warunków w jakich zachodzi. Konwekcja w atmosferze i wodzie ma duże znaczenie w kształtowaniu klimatu i pogody na Ziemi.

9. Prąd konwekcyjny • Każda konwekcja wynika z istnienia prądu konwekcyjnego. W konwekcji naturalnej prąd ten powodowany różnicą gęstości pomiędzy obszarami o różnej temperaturze w płynie. W stanie stacjonarnym prądy konwekcyjne tworzą zamknięte pętle - komórki konwekcyjne. Komórka konwekcyjna, w danych warunkach (różnicy temperatur, lepkości płynu) ma pewne minimalne rozmiary. Jeżeli objętość, w której znajduje się płyn, jest mniejsza od minimalnego rozmiaru komórki konwekcyjnej, wówczas prąd konwekcyjny nie powstaje i zjawisko konwekcji nie zachodzi. Efekt ten ma kluczowe znaczenie w konstruowaniu materiałów izolacyjnych, w których występują przestrzenie wypełnione powietrzem.

10. Ćwiczenie 1. • Płytka woda nagrzewa się szybciej niż głęboka. Narysuj kierunek prądów konwekcyjnych w wodzie przy brzegu.

11. Ćwiczenie 2. • Zaznacz strzałkami ruch powietrza na skutek konwekcji między szybami. • W zwykłej sytuacji:

12. Ćwiczenie 3. cz. 1 • Zjawisko konwekcji w cieczach i gazach • Układ eksperymentalny: • rurka do konwekcji, palnik, rzutnik, statyw, kilka kryształków nadmanganianu potasu, zimna woda, młynek powietrzny wykonany z papieru lub folii aluminiowej albo tzw. żmijka, wysokie i dość szerokie naczynie w kształcie cylindra, prostokątny gruby karton o szerokości równej średnicy cylindra, świeca, cienki metalowy drut do robienia swetrów.

13. Ćwiczenie 3. cz. 2 • Wskazówki metodyczne: • a) Rurkę do konwekcji mocujemy poziomo w statywie na tle białego ekranu i nalewamy zimnej wody. Na dno rurki na wprost otworu wrzucamy kilka kryształków nadmanganianu potasu. Jedno z kolanek rurki ogrzewamy płomieniem palnika. Po chwili obserwujemy ruch konwekcyjny strumienia wody. b) Na ostrzu drutu do robienia swetrów umieszczamy papierowy młynek lub żmijkę i umieszczamy to nad płomieniem palnika. Obserwujemy ruch konwekcyjny powietrza, który powoduje obracanie się młynka lub żmijki. c) Do wysokiego cylindra wstawiamy świecę przymocowaną do uchwytu z drutu. Świeca po pewnym czasie zaczyna gasnąć. Następnie wkładamy do cylindra długi prostokątny karton przesuwając go wzdłuż świecy. Świeca powinna znajdować się po jednej stronie kartonu, a karton nie może dotykać dna. Płomień świecy znów się zwiększa. Spowodowane jest to ruchem konwekcyjnym powietrza.

14. Promieniowanie

15. Promieniowanie – strumień cząstek lub fal wysyłanych przez ciało. *Wytwarzanie promieniowania jest nazywane emisją.

16. Zadanie 1. Zaznacz strzałkami przepływ energii przez promieniowanie :

17. Zadanie 2. • Promieniowanie • Układ eksperymentalny: • termoskop blaszany o jednej ściance czarnej, drugiej jasnej, zabarwiony alkohol, palnik • Wskazówki metodyczne: • Do blaszanego termoskopu nalewamy zabarwionego alkoholu, szyjkę zatykamy szczelnie korkiem gumowym z przeprowadzoną rurką szklaną tak, aby słupek alkoholu zjawił się nad powierzchnią korka. W pewnej odległości ustawiamy zapalony palnik. Zwracamy termoskop jasną stroną w kierunku palnika. Stwierdzamy nieznaczne podniesienie się słupka alkoholu. Oznacza to, że termoskop słabo się ogrzał. Zwracamy teraz termoskop ciemną stroną do palnika. Słupek alkoholu szybko podnosi się do góry, a więc termoskop ogrzewa się mocno. Z doświadczenia wypływają następujące wnioski: ogrzanie było wynikiem promieniowania cieplnego ciała o czarnych powierzchniach pochłaniają silniej promieniowanie, aniżeli ciała o powierzchniach jasnych.

18. Doświadczenie 1: *Rozgrzej żelazko ,podnieś je i zbliż do niego rękę od spodu. -Od żelazka promieniuje ciepło.

19. Doświadczenie 2 : Potrzymaj przez chwilę dłoń na wysokości 20 cm nad zapaloną świeczką. Potem zbliż ją do ognia na taką samą odległość, ale z boku. -W której sytuacji wyraźniej czuć ciepło ? Odp.Nad świecą jest cieplej, gdyż oprócz promieniowania energia przenoszona jest również na sposób konwekcji.

20. Przepływy energii w kolektorze

21. Przewodnictwo cieplne Gdy stykają się dwa ciała o różniej temperaturze, energia przepływa z ciała cieplejszego do ciała chłodniejszego. Im większa różnica temperatury, tym szybciej przepływa energia.

22. Dobre i złe przewodniki ciepła Ciała, które dobrze cieplnie przewodzą energię nazywamy przewodnikami cieplnymi. Do najlepszych przewodników cieplnych należą metale, np. srebro, miedź, czy aluminium. Ciała, które bardzo źle przewodzą energię nazywamy izolatorami cieplnymi. Izolatorami cieplnymi są na przykład tworzywa sztuczne (teflon, polistyren), parafina, drewno, tłuszcze, szkło itp. Dobrym izolatorem cieplnym jest powietrze unieruchomione, (jeżeli nie ma możliwości przepływu).

23. Zastosowanie przewodników ciepła: -do produkcji rur przeprowadzających ciepłą wodę  -do produkcji garnków, żelazek i kaloryferów, ponieważ metal dobrze przewodzi ciepło, -do produkcji chłodnic samochodowych 

24. Zastosowanie izolatorów cieplnych: -w budownictwie jako okna próżniowe, które mają za zadanie chronić lokatorów budynków przed nadmierną utratą ciepła  -w budownictwie jako materiały budowlane (cegły, betonowe płyty, styropian), które źle przewodzą ciepło -do produkcji drzwi, ponieważ drewno nie przewodzi dobrze ciepła

25. Zadania 1. Paweł i Gaweł nalali gorącej herbaty do kubków jednakowej wielkości i postawili je na śniegu. Po chwili herbata Pawła była całkiem zimna, a Gawła – jeszcze ciepła. Który z nich miał kubek metalowy, a który porcelanowy ? Odp.: Paweł miał kubek metalowy (dobry przewodnik), a Gaweł - porcelanowy (izolator).  2. Zapaloną świeczkę można trzymać bezpośrednio w ręce. Czy stearyna jest dobrym , czy słabym przewodnikiem ciepła? Odp.: Stearyna jest słabym przewodnikiem ciepła, ponieważ możemy trzymać świeczkę w ręce i nas nie parzy. 3. Gorąca herbatę mieszamy bez trudności łyżeczką ze stali. Gdy jednak próbujemy mieszać ją łyżeczką z aluminium, ta parzy nas w ręce natychmiast po włożeniu. Który z metali jest lepszym przewodnikiem ciepła stal czy aluminium? Odp.: Lepszym przewodnikiem ciepła jest aluminium, ponieważ gdy wkładamy ją do czegoś gorącego np. herbaty parzy nas .

26. Przewodnictwo cieplne ciał stałych Układ eksperymentalny: -pręty z: miedzi, żelaza, mosiądzu, cynku, ołowiu, szkła (długość około 30 cm i śr. około 1 cm), -palnik, -parafina lub wosk, -małe koraliki lub kuleczki drewniane, -2 kartki papieru, -woda, -małe metalowe przedmioty (gwoździe, monety, litery), -poziomy pręt z pierścieniem, -statyw, -drewniany klocek, -uchwyt.

27. Dobre i złe przewodniki ciepła a) Do metalowego pręta za pomocą parafiny przyczepiamy w równych odstępach małe gwoździki. Jeden koniec pręta mocujemy za pomocą uchwytu w statywie, drugi podgrzewamy palnikiem. Obserwujemy stopniowe odpadanie gwoździków. W ten sposób pokazujemy przenikanie ciepła od jednego końca do drugiego. To samo powtarzamy z prętem szklanym. b) Na drewniany klocek nabijamy małe przedmioty metalowe i kładziemy go na kartce papieru. Końce kartki chwytamy w palce i umieszczamy to nad płomieniem palnika. Po chwili obserwujemy na kartce wyraźne odbicie przedmiotów metalowych w wyniku zwęglenia papieru w miejscu, gdzie stykał się on z drewnem. Doświadczenie to pokazuje, że drewno jest złym przewodnikiem ciepła a metal bardo dobrym. c) Z kartki papieru robimy miseczkę i umieszczamy ją na poziomym pierścieniu zamontowanym w statywie. Do miseczki nalewamy wodę i podgrzewamy palnikiem spirytusowym od dołu aż do wrzenia. Palnik powinien mieć wąski płomień. Obserwujemy, że papier nie ulega zwęgleniu w miejscu gdzie stykał się z metalem.

28. Doświadczenie

29. Opis doświadczenia W czajniku o mocy 2200 wat umieszczamy 0,5 kg wody o temperaturze którą zmierzymy. Włączamy czajnik na 60 s. Po 60 s mierzymy ponownie temperaturę. Dokonujemy Kilkakrotnych pomiarów. Wyniki zapisujemy w tabeli:

31. Obliczenia E = P· t E = 2200 W·60s = 132000J Δtśr = 55 + 57 + 55 + 53 + 54 + 52 + 50 = 376 : 6 = 62,7°C Δt = ± 1°C c= =4210,5 J 132000 kg°C 0,5 kg·62,7

32. 1Basen ma wymiary 25 m x 10m x 2m Gdyby woda nie była podgrzewana, stygłaby o 1stopień C w ciągu godziny . Jaką moc powinno mieć urządzenie podgrzewające wodę, aby utrzymać stałą temperaturę? Wskaż poprawną odpowiedź , wiedząc że 1 m sześcienny wody ma masę 1000kg. V = abc = 25 * 10 * 2 = 500 m³ t = 1 h = 3600 s ΔT = 1 ⁰C = 1 K ρ = 1000 kg/m³ c_w = 4189,9 J / (kg * K) P = W / t W = Q Q = c_w * m * ΔT P = (c_w * m * ΔT) / t m = ρ * V P = (c_w * ρ * V * ΔT) / t P = (4189,9 * 1000 * 500 * 1) / 3600 = 581 931 W = 582 kW

33. Aby ogrzać 300 kg wody od 20*C do 40*C, należy dostarczyć jej energię: dane: Tp - temperatura początkowa wody = 20°C Tk - temperatura końcowa wody = 40°C cw - ciepło właściwe wody = 4200 J/kg°C m - masa wody = 300 kg szukane: Q - potrzebna energia cieplna wzory ΔT - różnica temperatur = Tk - Tp Q = cw*m*ΔT rozwiązanie 'a' ΔT = Tk - Tp = 40°C - 20°C = 20°C Q = cw*m*ΔT = 4200*300*20 = 25200000 J = 25200 kJ = 25,2 MJ

34. Dostarczając energii 1MJ, można stopić... Dane: Q = 1 MJ = 1000 000 J Ct = 335000 [J/kg] Rozw.: Q = m × Ct m = Q / Ct = 1000 000 J / 335000 [J/kg] = 2,9 kg

35. Młot o masie 2kg spada na podkowę z wysokości 70cm . O ile wzrośnie energia wewnętrzna młota i podkowy? Dane: m = 2 kg h = 70 cm = 0,7 m g = 10 [m/s²] Rozw.: Przyrost energii wewnętrznej młota i podkowy jest równy energii potencjalnej jaką posiadał młot na podanej wysokości! ΔEw = Ep = m × g × h = 2 kg × 10 [m/s²] × 0,7 m = 14 J

36. moc grzałki elektrycznej wynosi 500W. Wyznacz, jak szybko za pomocą tej grzałki doprowadzi się do wrzenia wodę w szklance o temperaturze 20 stopni Celsjusza. przyjmij masę wody w szklance 0,2kg.pomiń straty energii m=0,2 kg Δt=100-20-80st C c = 4200 J / kg* st C P=500 W t=? Q=W=? Najpierw obliczamy ilość ciepła Q= m*c*Δt Q= 0,2 kg * 4200 J / kg *st C * 80 st C Q= 67 200 J ilość ciepła równa się energii wewnętrznej( pracy) P=W/t t= W/P t= 67 200 J / 500 W ( J/s) t = 134 s to jest ok 2 minuty 15 sekund

37. Przedrostki

38. Jednostki ciepła • Jednostką ciepła w układzie SI jest (od 1948 roku) dżul (J). Tradycyjnie, we wzorach fizycznych, ciepło oznacza się literą Q. • Kaloria — historyczna jednostka ciepła, obecnie gdy ciepło jest utożsamiane z energią jest pozaukładowąjednostką energii (skrót cal); często używana jest jednostka wielokrotna kilokaloria (skrót kcal); 1 kcal = 1000 cal. • Kaloria  Dawniej definiowana jako ilość ciepła potrzebna do podgrzania, pod ciśnieniem 1 atmosfery, 1 g czystej chemicznie wody o 1 °C od temperatury 14,5 °C do 15,5 °C. W 1929 roku wprowadzono kalorię międzynarodową (obecnie używany w fizyce przelicznik): • 1 cal = 4,1868 J

39. Ciekawostka • Jednym z uczonych, którzy wyjaśnili, że ciepło jest sposobem przepływu energii był James Joule (1818 – 1889). Od jego nazwiska pochodzi nazwa jednostki energii (1J). Joule wyliczył, o ile stopni powinna ogrzewać się woda spadająca z dużej wysokości, i próbował sprawdzić doświadczalnie swoje obliczenia. Dlatego w podróż poślubną w Alpy zabrał dokładny termometr, którym mierzył temperaturę w górnej i w dolnej części wodospadu . Niestety, doświadczenie się nie udało, gdyż w wodospadzie woda rozdziela się na małe kropelki, które łatwo oddają lub pobierają energię z powietrza.

40. Ciepło właściwe • Ciepło właściwe określa, ile energii trzeba dostarczyć aby podnieść temperaturę 1kg substancji o 1°C. • Energia = masa * ciepło właściwe * przyrost temperatury (E = m * c * Δt ) przyrost temperatury= Energia/ masa * ciepło właściwe (Δt = E / m * c ) masa = Energia / ciepło właściwe * przyrost temperatury (m = E / c * Δt )

41. Zadanie 1 • Oblicz ile energii potrzeba aby podgrzać 10kg żelaza o 5°C .( ciepło właściwe żelaza wynosi 450 J/kg * °C) • E = m * c * Δt • E = 10 * 450 * 5 = 22500J = 22,5kJ • Odp.: Do podgrzania 10kg żelaza o 5°C potrzeba 22,5kJ

42. Zadanie 2 • Oblicz, ile wody można podgrzać, dostarczając 20kJ energii, jeśli chcemy zmienić jej temperaturę od 10°C do 50°C (ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/kg * °C). • m= E / c *Δt • m= 20000 / 4200 * 40°C = 0,12 • Odp.: Można podgrzać 0,12kg wody.

43. Zadanie 3 • Ile energii potrzeba, aby podgrzać o 10°C wodę w basenie o wymiarach 25m x 10m x 2m? Masa 1m3 wody to 1000kg. • V= abc • V= 25m * 10m * 2m=500m3 • 500 * 1000 = 500000 • E= m * c * Δt • E= 500000 * 4200 * 10= 21000000000J=21GJ • Odp.: Potrzeba 21GJ, aby podgrzać wodę w tym basenie.

44. Naczynie o podwójnychściankach, międzyktórymi jest szczelnaprzestrzeń, w którejpanujebardzoniskieciśnienie, zwanepróżniątechniczną. Naczynie to służygłównie do przechowywaniasubstancji o dużejróżnicytemperatury z otoczeniem. Termos

45. Najważniejszymelementem w budowietermosu jest ścianaDewarazbudowanazesklanychścianekktórepokrytesąsrebrnymilustrami. Cylinder wykonujesiętakabymiędzynimbyłaprzestrzeń. Bardzoniskieciśnieniegazupowodujepowodujemałąprzewodnośćukładu. Ściankisąbardzocienkiegdyżpodczasichschładzaniaczyogrzewaniawymieniająminimalnąilośćciepła. powierzchnieścianeksąnajczęściejpokrywanewarstwąodbijającąswiatłoabyzmniejszyćpromirniowanieciepla. Korki do termosówsąnajczęściejwykonywane z dobregoizolatoraciepła. Budowatermosu

46. W laboratoriachspotykasięzarównotermosyszklane, jakimetalowe. Służą one do przechowywanianiskowrzącychcieczy (np: ciekłegoazotu), do umieszczania w nichpróbeksubstancji, któremusząbyćprzechowywane w staniezamrożonymorazjakołaźnieipłaszczechłodzące. Termosylaboratoryjnemająpojemnościod 100 ml do nawet 100 l. Termosy o dużychpojemnościachsązwykleprodukowanezestalinierdzewnejizaopatrywane w zaworyikróćce do przetaczaniaprzechowywanych w nichcieczy. Rodzajetermosów

47. Oblicz, ile energii potrzeba, aby: a) podgrzać 0.25 kg wody o 10°C b) podgrzać 10 kg żelaza o 5°C c) podgrzać 20 kg alkoholu o 7°C Zadanie 1 a) E=m*c*Δt E= 0.25*4200*10= 10500J b) E= 10*450*5= 22500J c) E= 20*2400*7= 336000J

48. Oblicz ile wody można podgrzać, dostarczając 20kJ energii, jeśli chcemy zmienić jej temperaturę od 10°C do 50°C . Zadanie 2 m=E/c*Δt m=20000J/40°C*4200J/kg*°C po skróceniu wygląda to tak: m=5/42 kg= 0.12 kg

49. Czajnik elektryczny o mocy 2 kW podgrzewa wodę od temperatury 10°C do 100°C.Ile trwa podgrzanie litra wody? Zadanie 3 ΔT = 90 C Q = cmΔT c wody = 4200 m = 1 kg Q = 4200*1*90 = 378 000J Q = W P = W/t t = W/P t = 378 000 / 2 000 = 189 s= 3 min 9 sek.

50. Ile czasu potrzeba, aby grzałką elektryczną o mocy 300 W podgrzać szklankę wody(0.25 kg) od 20°C do 100°C? Zadanie 4 Dane: m= 0.25 kg – masa wody T1= 20°C – temp. Początkowa T2= 100°C – temp. Końcowa Δt= 80°C – przyrost temp. Cw= 4200 J/kg*°C = cw wody P= 300W – moc grzałki Rozwiązanie: Potrzebną energię obliczamy, korzystając ze wzoru: E=m*c*Δt Po podstawieniu wartości liczbowych: E= 0.25*4200*80=84000J Moc wynosi P=300W Potrzebna energia jest 280 razy większa więc grzałka musi pracować przez czas: t=280s= 4min 40 s