Ciepło, przemiany fazowe i I zasada termodynamiki

Ten materiał dotyczy tej części termodynamiki, która nie wymaga modelu gazu doskonałego: energii wewnętrznej, ciepła, pracy i przemian fazowych. Na poziomie rozszerzonym fizyki to podstawa wielu zadań doświadczalnych i rachunkowych — od czajnika elektrycznego, przez kostki lodu wrzucone do napoju, po klocek nagrzewający się podczas tarcia.

Zaczynasz od pierwszej zasady termodynamiki $\mathrm{\Delta }U=Q+W$ i konwencji znaków: ciepło dostarczone do ciała i praca wykonana nad ciałem są dodatnie. Pytania sprawdzają, czy umiesz wskazać, które procesy zwiększają energię wewnętrzną, i czy rozumiesz, że praca sił tarcia może podnieść temperaturę ciała tak samo jak ogrzewanie.

Druga część to ciepło właściwe i ciepło przemiany fazowej. Obliczasz ciepło potrzebne do ogrzania ciała $Q=m{c}_w\mathrm{\Delta }T$, do stopienia lodu i do odparowania wody, wyznaczasz ciepło właściwe z pomiarów i wyjaśniasz, dlaczego podczas topnienia i wrzenia temperatura pozostaje stała, mimo że energia wewnętrzna rośnie skokowo. Ćwiczysz też analizę procesu ogrzewania przy stałej mocy grzałki: z czasów trwania kolejnych etapów wyznaczasz moc i ciepło topnienia — tak, jak odczytuje się je z wykresu temperatury w funkcji czasu.

Trzecia część to bilans cieplny: mieszanie wody o różnych temperaturach oraz lód wrzucony do wody, gdzie najpierw trzeba sprawdzić, czy cały lód się stopi, a dopiero potem obliczyć temperaturę końcową. Uzupełnieniem są zadania o mocy i sprawności urządzeń grzewczych, w których porównujesz energię pobraną z sieci z ciepłem rzeczywiście przekazanym wodzie i obliczasz, ile czasu potrzeba na zagotowanie określonej ilości wody.

Materiał nie obejmuje równania Clapeyrona ani przemian gazowych — te ćwiczysz w osobnym materiale tej kategorii. Do dyspozycji masz quiz z wyjaśnieniami, fiszki z wartościami stałych i wzorami, egzamin ustny w formie rozmowy z egzaminatorem oraz pracę pisemną do wydruku z zadaniami otwartymi, wymagającymi pełnego zapisu bilansu cieplnego. Wartości ciepła właściwego i ciepła przemian podajemy w treści zadań. Zadania są oryginalne i przeznaczone do samodzielnej nauki i powtórki.

• Stosujesz pierwszą zasadę termodynamiki z poprawną konwencją znaków ciepła i pracy.
• Obliczasz ciepło potrzebne do ogrzania ciała, stopienia lodu i odparowania wody.
• Wyjaśniasz, dlaczego temperatura nie zmienia się podczas przemiany fazowej.
• Układasz i rozwiązujesz równania bilansu cieplnego, także z topnieniem lodu.
• Wyznaczasz moc, sprawność i ciepła przemian z danych o ogrzewaniu przy stałej mocy.

Materiał ćwiczeniowy przygotowany przez Zestly.