§ 14. Тепловий баланс. Рівняння теплового балансу

1. Тіла з різними температурами при теплообміні обмінюються між собою теплотою. Припустимо, що є система тіл, яка не одержує енергію ззовні і не віддає енергію назовні (така система тіл називається ізольованою). Тоді збільшення або зменшення внутрішньої енергії тіл системи відбувається тільки внаслідок теплопередачі. Більш нагріті тіла віддають енергію менш нагрітим, поки їхні температури не стануть однаковими. Наприклад, при теплообміні кількість теплоти Q₁, яку віддає гаряча вода, дорівнює кількості теплоти Q₂, яку отримує холодна вода, тобто

Записане рівняння називають рівнянням теплового балансу. Воно пов’язує кількість теплоти, яку отримує одне тіло, і кількість теплоти, яку віддає друге тіло при теплообміні. При цьому в теплообміні можуть брати участь не тільки два тіла, а три і більше. Наприклад, якщо у склянку з гарячим чаєм опустити ложку, то в теплообміні беруть участь склянка і чай (віддають енергію), ложка й оточуюче повітря (отримують енергію). Як уже вказувалось, у конкретних задачах можна знехтувати кількістю теплоти, яку отримують чи віддають деякі тіла при теплообміні, вважаючи її невеликою.

2. Рівняння теплового балансу дає можливість визначити, наприклад, масу тіл, що беруть участь в теплообміні; температуру, яка встановиться в результаті теплообміну. Використовуючи рівняння теплового балансу, можна розрахувати значення питомої теплоємності речовини.

3. Приклад розв’язування задачі.

У калориметр, що містить воду з масою 500 г за температури 10 °С, впустили пару за температури 100 °С. При тепловій рівновазі в калориметрі встановилася температура 40 °С. Визначте масу пари.

Між парою і водою в калориметрі відбувається теплообмін. Пара конденсується і віддає воді кількість теплоти Q₁, вода, що утворилася з пари, віддає кількість теплоти і охолоджується від 100 °С до 40 °С. Вода, яка перебувала в калориметрі, отримує кількість теплоти Q₃ і нагрівається від 10 °С до 40 °С. Нехтуючи втратами енергії на нагрівання калориметра і навколишнього повітря, можна записати рівняння теплового балансу: Q₁ + Q₂ = Q₃.

Кількість теплоти, яка виділяється при конденсації пари: Q₁ = Lm_п.

Кількість теплоти, яку віддає вода, що утворилася при конденсації пари: Q₂ = cm_п(t₂ – t).

Кількість теплоти, яку отримала вода в калориметрі: Q₃ = cm_в(t – t₁).

З урахуванням цього отримаємо:

Перевіримо одиниці шуканої величини:

Знайдемо числове значення шуканої величини:

Оскільки ми використовуємо рівняння теплового балансу у формі, де значення кількостей теплоти завжди додатні, то при здійсненні розрахунку кількості теплоти, яку віддає тіло, зміну температури обчислюємо, віднімаючи від більшої температури меншу.

Відповідь. m_п ≈ 0,025 кг.

Запитання для самоперевірки

• 1. Опишіть процес теплообміну, який відбувається при зануренні в калориметр з гарячою водою тіла, що має кімнатну температуру.
• 2. Яке рівняння називають рівнянням теплового балансу?

Завдання 14

• 1. У посудину налили 25 л води за температури 20 °С. Чому дорівнює маса гарячої води за температури 80°С, яку потрібно долити в посудину, щоб у ній установилася температура 30 °С?
• 2. У склянку з масою 100 г, що має температуру 20 °С, налили воду за температури 80 °С. Через деякий час температура води стала рівною 70 °С. Яка маса води, налитої у склянку?
• 3. На рисунку 34 наведено графіки залежності температури від часу при нагріванні двох різних рідин (І і II) із однаковою масою на однакових нагрівних приладах. У чому полягає різниця процесів нагрівання цих рідин і чому?

Рис. 34

• 4. У воду з масою 300 г, температура якої 10 °С, опускають нагріті у киплячій воді металеві важки із загальною масою 1 кг. Температура води підвищується на 21 °С. З якого матеріалу можуть бути зроблені важки?
• 5*. У калориметрі знаходиться лід із масою 500 г за температури 0 °С. Яка температура встановиться у калориметрі, якщо в нього впустили водяну пару з масою 80 г, що має температуру 100 °С?
• 6*. У калориметрі за температури 0 °С знаходиться 500 г води і 300 г льоду. Яка температура встановиться в калориметрі, якщо долити у нього 100 г окропу?
• 7*. Алюмінієвий кубик ставлять на лід, що має температуру 0 °С. До якої температури має бути нагрітий кубик, щоб він занурився повністю у лід?

У кип’ятку чи в холодній воді: як правильно варити яйця

У процесі варіння яєць важливо пам’ятати основні моменти, щоб смак і форма збереглися ідеально.

Здається, варити курячі яйця вміють всі, але інколи з цим стаються проблеми. Навіть досвідчені господині припускаються помилок. Щоб варені яйця завжди гарно очищувалися та не тріскалися у процесі, необхідно запам’ятати кілька простих правил.

Раніше ми розповідали, як зробити яйце пашот, а сьогодні обговоримо, як варити яйця правильно.

Найчастіше люди цікавляться, у яку воду занурювати яйця – в холодну чи гарячу. Насправді, можна їх варити у будь-якій воді, але є нюанси.

Як правильно варити яйця в холодній або гарячій воді

Існує два основних варіанти варіння яєць: у гарячій воді та у холодній. Обирайте оптимальний варіант з огляду на температуру зберігання ваших яєць. Якщо вони знаходяться у холодильнику – варіть у холодній воді, якщо в умовах кімнатної температури хоча б одну годину – у гарячій. Розглянемо по черзі тонкощі обох випадків.

Багато господинь знають, як варити яйця у холодній воді. Це досить зручний та простий спосіб, але після закипання води за процесом важливо стежити. Для цього необхідно ретельно промити яйця водою, занурити у посудину з холодною водою та поставити на помірний вогонь.

Скільки варити яйця у холодній воді:

• яйце некруто – варити 2 хвилини після закипання, зменшивши вогонь;
• яйце в мішечок – варити 4 хвилини після закипання;
• яйце круто – варимо 7 хвилин після закипання, зменшивши вогонь.

Не варто вагатися, чи можна покласти яйця у киплячу воду. У цьому випадку головне – запам’ятати ключові правила. У киплячій воді краще за все варити яйця, які мають кімнатну температуру. Якщо ви занурите у кип’яток яйця з холодильника, вони відразу потріскаються. На смак це не надто вплине, але форму вже не повернути.

Існує простий алгоритм того, як варити яйця у киплячій воді. Поставте посудину з водою на вогонь та ретельно промийте яйця під проточною водою. Коли вода закипить, обережно занурте яйця.

• яйце некруто – варити 1 хвилину, зняти з вогню та накрити кришкою на 4-5 хвилин;
• яйце в мішечок – варити 2 хвилини, зняти з вогню і накрити кришкою на 7 хвилин;
• яйце круто – варити 4 хвилини на помірному вогні без інтенсивного кипіння води.

Загалом, кожна господиня обирає більш зручний для себе спосіб приготування яєць, але треба пам’ятати про обидва.

§ 12. Кипіння рідини

КИПІННЯ РІДИНИ. У попередньому параграфі ви дізналися, що одним зі способів пароутворення є випаровування. Пароутворення також відбувається у процесі кипіння. На відміну від випаровування, під час кипіння перетворення на пару відбувається як на поверхні, так і всередині рідини.

Розглянемо особливості перебігу процесу кипіння. Поступово під час нагрівання води на внутрішній поверхні посудини утворюються маленькі бульбашки повітря, яке завжди присутнє у воді (рис. 12.1, а).

Під час нагрівання вода випаровується вздовж поверхні бульбашки в її середину. З підвищенням температури бульбашка заповнюється не тільки повітрям, розчиненим у воді, а й водяною парою (рис. 17.1, б). Зі збільшенням кількості водяної пари всередині бульбашок їхній об’єм поступово збільшується. Відповідно, зростає і виштовхувальна сила, бульбашки відриваються від поверхні посудини та рухаються до поверхні рідини.

Якщо вода ще не прогріта і верхні її шари залишаються холодними, бульбашки стискаються, створюючи характерний шум, який ми чуємо перед початком кипіння рідини (рис. 17.1, в). Якщо продовжувати нагрівати воду, процес пароутворення відбувається інтенсивніше. Кількість пари всередині бульбашок стає більшою, відповідно підвищується і її тиск. Як наслідок, об’єм бульбашок зростає і за певної температури рідини бульбашки спливають на поверхню та лопаються, а водяна пара, що містилася в бульбашках, виходить назовні (рис. 17.1, г).

Кипіння — процес утворення пари не тільки на поверхні рідини, а й у її об’ємі.

Рис. 12.1. Кипіння рідини

Рис. 12.2. Графік залежності температури води від часу кипіння

ТЕМПЕРАТУРА КИПІННЯ. Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння. У процесі кипіння температура рідини не змінюється. За нормального атмосферного тиску над поверхнею рідини термометр, вміщений у воду під час її кипіння, показує одну й ту саму температуру, приблизно 100 °С. Тому на графіку залежності температури води від часу кипіння відповідає відрізок ВС (рис. 12.2).

Це відбувається тому, що вся енергія, яка надається рідині, витрачається на збільшення її внутрішньої енергії та руйнування зв’язків між молекулами.

Внутрішня енергія пари завжди більша за внутрішню енергію рідини при тій самій температурі. Різні речовини мають свою температуру кипіння (табл. 12.1).

Температура кипіння різних речовин

(за нормального атмосферного тиску)

Речовина

Температура кипіння t, °С