Рассчитайте удельную теплоемкость кирпича масса которого 3 кг если

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Расчёт количества теплоты при нагревании или охлаждении тела»

На прошлых уроках мы с вами познакомились с понятием «внутренняя энергия тела» и узнали, что изменить её можно двумя способами: либо путём совершения механической работы, либо теплопередачей.

Также мы с вами выяснили, что мерой изменения внутренней энергии тела при теплопередаче является количество теплоты. Давайте вспомним, что количество теплоты — это скалярная физическая величина, равная изменению внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения механической работы.

А ещё мы получили уравнение, по которому можно рассчитать количество теплоты, которое необходимо подвести к телу для его нагревания, или выделяемое телом, при его охлаждении:

Q = cm(t – t).

Из формулы видно, что количество теплоты зависит от массы тела, разности температур в конечном и начальном состояниях, а также от удельной теплоёмкости вещества, из которого это тело изготовлено.

Чтобы вспомнить, же что же такое теплоёмкость, рассмотрим решение следующей задачи.

Задача 1. В сосуд с горячей водой опустили алюминиевую и латунную болванки одинаковой массы и температуры. Одинаковым ли будет изменение их температур?

В жизненных ситуациях довольно часто возникает необходимость в тепловых расчётах. Например, при строительстве жилых домов необходимо знать, какое количество теплоты должна отдавать зданию система отопления. Или нужно определить температуру после смешивания горячей и холодной воды. И на этом уроке мы разберёмся, как проводятся такие расчёты.

Последовательность действий при решении задач на расчёт теплообменных процессов:

Задача 2. Для купания ребёнка температура воды в ванночке не должна превышать 38 о С. Для этого родители смешали 40 кг холодной воды при температуре 12 о С и 20 кг горячей воды при температуре 90 о С. Если потерями тепла можно пренебречь, то какое количество теплоты получили холодная вода при нагревании и отдала горячая вода при охлаждении?

Мы получили, что количество теплоты, отданное горячей водой, равно количеству теплоты, полученному водой холодной. И это не случайно. Вспомните: если между телами происходит теплообмен, то внутренняя энергия всех нагревающихся тел увеличивается ровно на столько, на сколько уменьшается внутренняя энергия остывающих тел.

Конечно в реальных условиях количество теплоты, отданное горячей водой, всегда будет больше чем-то количество теплоты, которое получит холодная вода. Это объясняется тем, что часть энергии идёт на нагревание сосуда, в котором находилась вода, а ещё часть теряется на нагревание окружающего воздуха.

Теперь мы можем внести дополнительный пункт в нашу последовательность действий при решении задач — пункт о необходимости составления уравнения теплового баланса.

Количество теплоты, отданное или полученное телом, можно измерить с помощью прибора, который называется калориметр.

Школьный калориметр состоит из двух стаканов, вставленных один в другой. Воздушная прослойка и подставка между ними уменьшают теплопередачу между содержимым внутреннего стакана и окружающим воздухом.

Задача 3. Калориметр содержит 3 л воды при температуре 80 о С. В воду опускают нагретый на плитке кирпич массой 1,5 кг. Определите начальную температуру кирпича, если в результате теплообмена температура воды повысилась до 9 о С. Теплопередачей калориметру и окружающему воздуху можно пренебречь.

Обратите внимание на то, что в некоторых задачах теплоёмкостью калориметра пренебрегать нельзя. В этом случае необходимо учитывать, что и вода, и калориметр будут нагреваться или охлаждаться вместе. А их температуры можно считать одинаковыми.

ХИМИЯ НЕФТИ

Понятие теплоемкости

— количество тепла, необходимое для нагревания единицы массы вещества на один градус. В зависимости от способа выражения состава вещества различают массовую [Дж/(кг·К)], мольную [Дж/(кмоль·К)] и объемную [Дж/(м 3 ·К)] теплоемкости. На практике чаще всего применяют массовую теплоемкость.

Различают истинную и среднюю удельные теплоемкости, которые относят к 1 кг, 1 м 3 или 1 кмоль вещества.

Теплоемкость, соответствующая бесконечно малому изменению температуры (иначе теплоемкость при данной температуре), называется истинной удельной теплоемкостью:

Средней удельной теплоемкостью называется отношение количества тепла (Q), сообщаемого телу при нагревании или отнимаемого при охлаждении, к изменению температуры:

В зависимости от условий определения различают изобарную теплоемкость (при постоянном давлении с_p), изохорную теплоемкость (при постоянном объеме с_v), теплоемкость в состоянии насыщения (температура и давление переменны в соответствии с зависимостью давления насыщенных паров от температуры). Теплоемкость при постоянном давлении с_p больше теплоемкости при постоянном объеме с_v.

Теплоемкость нефтепродукта парафинового основания при одной и той же температуре приблизительно на 15% выше теплоемкости нефтепродукта нафтенового основания или ароматизированного, имеющего ту же плотность. Теплоемкость нормальных углеводородов выше теплоемкости изомеров.

С повышением температуры теплоемкость жидких углеводородов повышается. С увеличением плотности и молекулярной массы теплоемкость углеводородов уменьшается, за исключением ароматических, для которых характерно возрастание теплоемкости.

Для жидкостей изобарная теплоемкость незначительно превышает изохорную, т. е. с_p ≈ с_v.

Расчет теплоемкости

Для расчета удельной теплоемкости жидких нефтепродуктов [кДж/(кг·К)] широко используется эмпирическое уравнение Крэга:

Более точной, учитывающей химический состав нефтепродукта, является формула Ватсона и Нельсона:

Теплоемкость (удельную теплоемкость) жидких нефтепродуктов можно определить при помощи различных номограмм:

График построен на основании уравнения Крэга для нефтепродуктов с определенным характеризующим фактором К=11,8.

Для других значений К найденную величину теплоемкости умножают на поправочный коэффициент, который находят по графику, помещенному в правом углу рисунка.

По рисунку можно найти удельную теплоемкость углеводорода любого типа, для каждого из которых в центре номограммы имеется самостоятельная шкала. На этих шкалах отложены приведенные температуры. Шкала (N_c) соответствует числу атомов углерода в молекуле углеводорода.

Теплоемкость определяют проведением луча через две точки: N_c и Т/Т_кр. Если луч попадает на правую шкалу, то по ней отсчитывают теплоемкость (до с_p=3,1). Если луч выходит за верхний предел этой шкалы, то по верхней шкале находят коэффициент F и теплоемкость расчитывают по формуле:

Для нефтяных фракций теплоемкость легко определяется по номограмме, приведенной на рисунке, по относительной плотности и характеризующему фактору К.

Для определения теплоемкости нефтей и фракций любого состава предложена следующая формула:

Теплоемкость газов и нефтяных паров

Теплоемкость углеводородных газов и нефтяных паров в отличие от жидких нефтепродуктов зависит не только от их химического состава и температуры, но и от давления. Для идеальных газов изобарная массовая теплоемкость (с_p) больше изохорной (с_v), т. е.:

Такое же соотношение справедливо для истинной мольной теплоемкости:

Истинная мольная теплоемкость газообразных углеводородов с повышением температуры и молекулярной массы возрастает. При одном и том же числе углеродных атомов в молекуле наибольшая теплоемкость соответствует углеводородам парафинового ряда.

Удельную массовую теплоемкость нефтепродукта в паровой фазе при атмосферном давлении можно рассчитать по уравнению Бальке и Кэй [кДж/(кг·К)]:

Теплоемкость (удельную теплоемкость) нефтепродуктов в паровой фазе можно определить при помощи различных графиков:

По уравнению Бальке и Кэй при К=11,8 составлен график, приведенный на рисунке. Так как график построен для нефтепродуктов, имеющих К=11,8, то для нефтепродуктов с К≠11,8 найденную теплоемкость умножают на поправочный коэффициент, который определяют по графику, помещенному в правом углу рисунка.

Влияние давления на истинную мольную теплоемкость нефтепродуктов в паровой фазе проявляется при давлении выше 0,5 МПа. Характер этого влияния показан на графике, на котором истинная мольная теплоемкость нефтяных паров представлена как функция приведенных давлений и температур.

На оси ординат нанесены значения разности между истинной мольной теплоемкостью прй данном давлении (с_p) и при атмосферном давлении (с_Ро). Из графика следует, что истинная мольная изобарная теплоемкость углеводородов в паровой фазе:

При относительно небольшом давлении (до 1,5 МПа) массовую теплоемкость нефтяных паров можно найти по упрощенному графику.

Изохорная массовая теплоемкость углеводородных газов и паров рассчитывается по формуле [кДж/(кг·К)]:

Поправка к изохорной теплоемкости определяется из уравнения:

Величина ацентрического фактора может быть вычислена по формуле:

Теплоемкость — аддитивная физическая величина. Массовую теплоемкость смеси нефтепродуктов ссм можно определить по правилу смешения по массовым концентрациям компонентов в смеси и их теплоемкостям:

Отношение с_p/с_v = k является показателем адиабаты, который уменьшается с повышением температуры и с увеличением молекулярной массы углеводородов.

Показателем адиабаты пользуются при вычислении истинной мольной теплоемкости при постоянном объеме, а также в расчетах адиабатического сжатия газов по формуле:

Теплоемкость водорода

При глубокой переработке нефти в технологических процессах часто используется водород. Поэтому важно знать его свойства. По тепловым характеристикам он существенно отличается от углеводородов, в частности, его теплоемкость в 5-6 раз выше, чем последних. Значения изобарной теплоемкости водорода с_p в интервале температур 273-773К и при давлениях до 30 МПа.

Во-первых, количество теплоты. Формула будет выглядеть таким образом: Q = с * m * (t₂ – t₁). Только в нее необходимо подставлять величины в единицах, входящих в СИ. То есть масса в килограммах, температура — в градусах Цельсия. Это формула № 2.

Во-вторых, массу вещества, которое остывает или нагревается. Формула для нее будет такой: m = Q / (c * (t₂ – t₁)). Это формула под № 3.

В-третьих, изменение температуры Δt = t₂ – t₁ = (Q / c * m). Знак «Δ» читается как «дельта» и обозначает изменение величины, в данном случае температуры. Формула № 4.

В-четвертых, начальную и конечную температуры вещества. Формулы, справедливые для нагревания вещества, выглядят таким образом: t₁ = t₂ — (Q / c * m), t₂ = t₁ + (Q / c * m). Эти формулы имеют № 5 и 6. Если в задаче идет речь об охлаждении вещества, то формулы такие: t₁ = t₂ + (Q / c * m), t₂ = t₁ — (Q / c * m). Эти формулы имеют № 7 и 8.

Задачи Химическая термодинамика и термохимия

1. Задача Расчёт тепловых эффектов химической реакции.

Рассчитать тепловой эффект реакции (ΔН р-ции) при гашении 100 кг извести (CaO) водой, если теплоты образования оксида кальция, воды и гидроксида кальция соответственно равны -635,1; -285,84 и -986,2 кДж/моль.

Решение задачи. Термохимическое уравнение имеет вид:

CaO(т) + H2O(ж) → Ca(OH)2(т), где т, ж – твёрдое и жидкое агрегатное состояние.

Рассчитываем тепловой эффект реакции в стандартных условиях (ΔH°р-ции), используя следствие из закона Гесса:

ΔH°р-ции = -986,2 – (-635,1 – 285,84) = -65,26 кДж/моль

Рассчитаем тепловой эффект реакции с учётом количества вещества оксида кальция:

ΔHр-ции = nCaO* ΔH°р-ции; nCaO = = 1,79*10 3 моль →

ΔHр-ции = 1,79*10 3 * (-65,26) = -116,5*10 3 кДж.

2. Задача Расчёт теплот образования веществ.

При растворении 16 г карбида кальция (CaC2) в воде выделяется 31,3 кДж теплоты. Рассчитать теплоту образования гидроксида кальция (ΔH°Ca(OH)2), если теплоты образования (ΔH°) воды, карбида кальция, ацетилена (C2H2) соответственно равны – 285,84; -62,7; 226,75 кДж/моль.

Решение задачи. Термохимическое уравнение имеет вид:

CaC2(т) + 2H2O(ж) → Ca(OH)2(т) + C2H2(г), где т, ж и г – соответственно, твёрдое, жидкое и газообразное агрегатное состояние.

Рассчитаем тепловой эффект реакции в стандартных условиях (ΔH°р-ции):

ΔH°р-ции = →

ΔH°р-ции = = -125,2 кДж/моль.

Выразим и рассчитаем теплоту образования гидроксида кальция, используя следствие из закона Гесса:

ΔH°р-ции = ΔH° Ca(OH)2 + ΔH° C2H2 – (ΔH° CaС2 – 2*ΔH° H2О), при этом учитываем стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

→ ΔH° Ca(OH)2 = – 125,2 – 861,13 = — 986,33 кДж/моль.

3. Задача Расчёт теплоты растворения.

Рассчитать теплоту растворения кристаллогидрата сульфита натрия (Na₂SO₃ * 7H₂O), если теплота растворения безводного сульфита натрия равна 11,34 кДж/моль, а теплота образования кристаллогидрата этой соли (теплота гидратации) равна 58,4 кДж/моль.

Решение задачи. Теплота растворения безводного сульфита натрия складывается из теплоты, пошедшей на разрушение кристаллической решётки безводной соли, и теплоты, выделившейся при гидратации соли:

Na2SO3 + 7H2O → Na2SO3 * 7H2O,

ΔH° растворения = ΔH° разруш. крист. решётки + ΔH° гидратации;

ΔH° кристаллогидрата = ΔH° разруш. крист. решётки = ΔH° растворения — ΔH° гидратации; →

теплота растворения кристаллогидрата равна:

ΔH° кристаллогидрата = — 11,34 – (-58,4) = 47,04 кДж/мол

Задача Расчёт теплоты сгорания.

Рассчитать стандартную теплоту сгорания этилового спирта, исходя из реакции биохимического брожения глюкозы:

Теплоты сгорания (ΔH°сгор.) глюкозы, спирта и углекислого газа равны соответственно -2817,1; -1366,9 и 0 кДж/моль.

Решение задачи. Используем ещё одно следствие из закона Гесса: тепловой эффект реакции равен разности между суммами теплот сгорания исходных веществ и суммами теплот сгорания продуктов реакции: ΔH°р-ции = ΔH°сгор._С6Н12О6 – (2*ΔH°сгор._С2Н5ОН + 2ΔH°_СО2). Поскольку углекислый газ уже не может окисляться, то его теплота сгорания (окисления) равна нулю.

ΔH°сгор.С2Н5ОН = =

Задачи по теме Расчёт изменения внутренней энергии при химических реакциях и фазовых переходах.

Задача 1. Рассчитать изменение внутренней энергии системы в стандартных условиях (ΔU°) при протекании реакции

2Cl2 + 2H₂O(г) → 4HCl(г) + O₂, если станд. теплоты образования воды и хлороводорода (HCl) соответственно равны -241,84 и 92,3 кДж/моль.

Решение. Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле ΔU=ΔH-A, для газов A (работа расширения) = Δn*R*T →

где Δn — изменение числа моль газообразных продуктов реакции и исходных веществ. Для данной реакции Δn = 5-4 = 1 моль.

Рассчитаем ΔH°р-ции, используя следствие из закона Гесса:

ΔH°р-ции = 4*ΔH°HCl — 2ΔH° H2О = 4*(-92,3)-2*(-241,84)=114,48 кДж/моль; R – газовая постоянная, равна 8,3*10 -3 кДж/моль*К; Т = 298 К (25°С).

Рассчитываем изменение внутренней энергии:

ΔU° = 114,48 – 1*8,3*10 -3 *298 = 112,0 кДж/моль.

Следовательно, в процессе реакции внутренняя энергия увеличилась на 112 кДж/моль.

Задача 2. Рассчитать изменение внутренней энергии при испарении 250 г воды при 20°С (пары подчиняются законам идеальных газов). Объёмом жидкости по сравнению с объёмом пара можно пренебречь. Удельная теплота парообразования воды равна 2451 Дж/г.

Решение. При испарении воды (H2O ж → H2O пар) Δn = 1 моль (изменение количества газообразных веществ). Изменение внутренней энергии системы при испарении воды рассчитываем по формуле: ΔU = ΔH — Δn*R*T. Рассчитаем молярную теплоту парообразования воды по формуле:

ΔH = 2451 Дж/г * 18 г/моль = 44,12 кДж/моль,

n H2О(ж) = = 13,89 моль → ΔU = (ΔH — Δn*R*T)*13,89 = =(44,12-1*8,3*10 -3 *293)*13,89 = 579,0 кДж.

Следовательно, внутренняя энергия системы увеличилась на 579,0 кДж.

Примеры решения типовых задач по второму началу термодинамики.

При решении задач указывать и учитывать агрегатное состояние веществ.

Задачи по Определение изменения энтропии в различных процессах.

Особенностью химических и физико-химических превращений является участие в них большого числа частиц. Для таких систем наиболее вероятно состояние беспорядка (частицы менее связаны, менее упорядочены), которое характеризуется энтропией (S). Количественно изменение энтропии можно рассчитать на основе следствия закона Гесса. Чем большее увеличение энтропии в каком-либо процессе, тем этот процесс более вероятен. Качественно знак изменения энтропии можно оценить (определить), сопоставляя число частиц до и после реакции и агрегатное состояние исходных веществ и продуктов реакции.

Энтропия связана с теплотой и возрастает при увеличении беспорядка:

— переход из твёрдого состояния жидкое, из жидкого – в газообразное;

— увеличение числа частиц.

Энтропия уменьшается при возрастании упорядоченности (взаимодействие частиц увеличивается):

— конденсация паров, сжижение;

— уменьшение числа частиц.

Задача 1. Определить знак изменения энтропии в реакциях:

1. NH₄NO₃ (т) → N₂O + 2H₂O (г)
2. 2H₂ (г) + O₂ (г) = 2 H₂O (ж)
3. N₂ + 3H₂ → 2NH3 или N2 + H2 → NH₃

Решение. Знак изменения энтропии можно установить по количеству частиц исходных и конечных веществ:

Δn = nкон. – nисх., где Δn – изменение количества частиц; если Δn > 0, то энтропия возрастает; при Δn 0, → ΔS > 0, т.е. энтропия возрастает, тем более, что образуются газы.
Δn = 2-3 = -1 → Δn Tравн – обратная.

Наступление равновесия возможно, если знак изменения функций ΔH и Δ S одинаков

Задачи по расчету констант равновесия.

Зависимость константы равновесия от свободной энергии Гиббса выражается уравнением:

ΔG = -2,3 R * TlgK, где К – константа равновесия, R – универсальная газовая постоянная. В стандартных условиях lg_298K = — 0,175 ΔG°298

Задача. Константа равновесия реакции С(Т) + СО₂(г)↔ 2СО (г) при 1700°К равна 2,4. Рассчитать ΔGр-ции при 1700°К и константу равновесия в стандартных условиях (298°К).

ΔG₁₇₀₀ = -2,3 * R * TlgK = -2.3 * 8.3 * 1700 * lg2.4 = — 123370Дж = -123,37 кДж;

ΔG₁₇₀₀ -3 lgK * T = -2.3 * 8.3 *10 -3 * 298 lgK,

lgK = = -21,05 → К = 10 -21,05 → К Назад

Что можно сказать о низких температурах?

Мы уже знаем, что такое теплоемкость, но если говорить о низких температурах, то как значение будет рассчитываться тогда? Если речь идет о низких температурных показателях, то теплоемкость твердого тела тогда оказывается пропорциональной T 3 или же так называемый закон теплоемкости Дебая. Главный критерий, позволяющий отличить высокие показатели температуры от низких, является обычное сравнение их с характерным для определенного вещества параметром – это может быть характеристическая или температура Дебая q_D. Представленная величина устанавливается спектром колебания атомов в продукции и существенно зависит от кристаллической структуры.

У металлов определенный вклад в теплоемкость дают электроны проводимости. Данная часть теплоемкости высчитывается с помощью статистики Ферми-Дирака, в которой учитываются электроны. Электронная теплоемкость металла пропорциональная обычной теплоемкости, представляет собой сравнительно небольшую величину, а вклад в теплоемкость металла она вносит только при температурных показателях, близких к абсолютному нулю. Тогда решеточная теплоемкость становится очень маленькой, и ею можно пренебречь.

Другие условия

Согласно 2 задаче, даётся энергия внесистемной единицы. Следует выявить температуру, при которой вода в количестве 5 л остынет, если её первоначально возьмут при температуре кипения. При этом она выделяет 1684 кДж тепла. Это количество переводится в джоули = 1680000 Дж.

Чтобы найти ответ, надо воспользоваться формулой, в которой используется масса. С другой стороны, в задаче она не приводится. Но несмотря на это, указан объем жидкости, соответственно, для нахождения критерия допустимо подставить уравнение с коэффициентами:

Плотность ее составляет 1000 кг на м3. Но надо подставлять объём в кубических метрах. Для перевода исходного значения надо поделить его на 1000. Получается число, равное 0,005 м3.

Производятся дальнейшие расчеты, и на выходе получается выражение:

В дальнейшем применяется формула:

Получается отметка, равная 20 ºС.

Другая задача: имеется стакан, в который налито 50 г воды. Сам он имеет массу 100 г. Температура жидкости первоначально имеет показатели 0°. Необходимо найти объем тепла, необходимого для доведения воды до кипения.

Для решения этой задачи надо ввести подходящие параметры. Можно дать условное обозначение характеристикам, которые касаются стакана, в виде единицы. Всё, что касается воды, обозначается индексом 2. Далее следует найти цифры, соответствующие теплоемкости, через таблицу. Если это тара, выполненная из лабораторного стекла, то у нее будут показатели с1 = 840 Дж/ (кг * ºС). Точный показатель для воды будет иметь вид:

Масса в этой задаче приводится в граммах. После перевода получаются показатели:

Начальная температура равна 0°. Необходимо найти параметры, соответствующие температуре кипения — 100°. Стакан нагревается одновременно с жидкостью, которая наполнена им. Поэтому начальное количество теплоты необходимо получить при складывании несколько показателей. Это параметр, получаемый при нагревании стекла, а второй показатель обнаруживается после нагрева воды. Составляется формула такого вида:

Сюда подставляются имеющееся значения, после чего она принимает следующий облик:

Те или иные материалы с одинаковой массой предполагают разные объемы тепла, необходимые для нагрева. Этот показатель обычно больше у металлов, нежели у древесины, например, алюминия или поверхности из штукатурки. То есть вид материала влияет на этот показатель в той же степени, что и масса. Чтобы нагреть бетон в объеме 1 кг требуется примерно 1000 Дж.

Выпускается больше 10 разновидностей, различающихся технологией изготовления. Но чаще используются силикатный, керамический, облицовочный, огнеупорный и теплый. Стандартный керамический кирпич изготавливается из красной глины с примесями и обжигается. Его показатель тепла равен 700—900 Дж/ (кг град). Он считается довольно стойким к высоким и низким температурам. Иногда используется для выкладки печного отопления. Пористость и плотность его варьируется и влияет на коэффициент теплоемкости. Силикатный кирпич состоит из смеси песка, глины и добавок. Он бывает полно- и пустотелым, разных размеров и, следовательно, удельная теплоемкость его равна значениям от 754 до 837 Дж/ (кг град). Преимущество силикатной кирпичной кладки — хорошая звукоизоляция даже при выкладывании стены в один слой.

Облицовочный кирпич, используемый для фасадов зданий обладает довольно высокой плотностью и теплоемкостью в пределах 880 Дж/ (кг град). Огнеупорный кирпич, идеально подходит для кладки печи, потому что способен выдерживать температуру до 1500 градусов Цельсия. К этому подвиду принадлежат шамотный, карборундовый, магнезитовый и другие. И коэффициент теплоемкости (Дж/кг) отличается:

• карборундовый — 700—850;
• шамотный — 1000—1300.

Теплый кирпич — новинка на строительном рынке, который является модернизированным керамическим блоком, размеры и теплоизоляционные характеристики его намного превышают стандартный. Структура с большим количеством пустот помогает аккумулировать тепло и нагревать помещение. Потери тепла возможны только в швах кладки или перегородках.