Physics I

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Overview

资料来源: Ketron 米切尔韦恩博士,Asantha 库雷博士,物理系 & 天文,物理科学学院,加利福尼亚大学,加利福尼亚州欧文市

一壶水放在滚热的炉子上时, 热据说是"流"从炉子到水。当两个或多个对象被放入彼此的热接触时,热自发地从较热的物体更冷的流入或流方向趋于平衡温度对象之间。例如,当冰块放在一杯常温的水,从水的热流向的冰块和它们开始融化。通常情况下,"热"一词用于不一致,通常只是指一些物体的温度。在热力学中,热,工作,像被定义为能量转移。热是能量从一个物体转移到另一个由于温度的差异。

此外,任何孤立的热力学系统的总能量是恒定的即能源与系统内的不同对象可转移和可转化为不同类型的能量,但能量不能创建或销毁。这是热力学第一定律。它是非常相似的能量守恒法讨论了在另一个视频中,但在热和热力学过程的上下文中。在冰水中的多维数据集,如果热力学第一定律是无效的那么可能会对孤立的室温杯水加冰块会导致水烧开,这意味着创造能源。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 物理学精要 I. 焓. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

那里是明确区分内部能量、 温度和热。内部能量的一种物质是指所有在物质的分子的总能量。它的温度是衡量所有单个分子平均动能。在热平衡彼此相邻,休息一一半大小的其他考虑两种热金属片。他们都有相同的温度,却比另一半的热能源金属小的一块。最后,热,如上所述,是从不同的物体能量的转移

如果热流入一个对象,该对象的温度上升。然而,在温度上升的量取决于这种热流入的材料。需要大量的热, Q,若要更改任何给定材料的温度对质量为m的物质礼物和温度变化 ΔT成正比。这种简单关系表示为:

Q = mc ΔT, (方程 1)

c是材料称为其比热特性质量 (或有时被称为比热容)。重新整理方程 1给出:

c = Q / (m ΔT)。 (公式 2)

因此,比热的单位是焦耳。比热容可以形容的提高的一种物质 1 g 1 ° C.所需的热量在一个标准大气压,水的比热是已知为 4.18 J/(g°C)。换句话说,如果 4.18 J 的能量提供给 1 克的水,它的温度将增加 1 ° c。然而,这假设在能够充分独立的水样本从及其周围地区。如果不是,一些被转移到水的能量可能会丢失周围水周围的空气,例如环境。这种能量的损耗或转让,被指系统"做工作"。热力学第一定律,然后可以写成:

ΔU = Q-W(公式 3)

U是系统的总内部能量, Q是添加到系统,热和W是完成工作系统。

这个实验室将"咖啡杯子量热计,"这是本质上是保丽龙杯。发泡胶充分隔离内部物质从杯子的周围的环境,以便系统什么也不干和W = 0。

Procedure

1.测量比热容的铅和证明热力学第一定律。

  1. 获取规模、 铅样品,两个保丽龙杯,300 毫升 (或更大) 的烧杯、 加热元件、 温度计、 一根绳子,水在室温下,附加到站与杆夹,量筒,和剪刀。
  2. 剪掉之一的保丽龙杯顶端的一小部分,这样它可以作为其他杯盖。在底部,足够大的温度计,适合通过,但不是大于周长的温度计做一个小的洞。
  3. 衡量 220 毫升的水使用量筒,倒入未经修改的保丽龙杯。或者,可以重 220 克的水。
  4. 修改后的保丽龙杯放置在顶部,装水的杯子,以便它可以充当一个盖子;请确保它紧贴。如果不是,进行适当的修改。
  5. 测量水的温度和记录在表 1中。水应在室温下。
  6. 烧杯装满足够的水,这样可以完全淹没铅样品。将样品放入大烧杯的水和验证有足够的水。把水加热到沸腾使用加热元件。
  7. 将字符串附加到铅样品,以便它可以暂停进沸腾的水。将标本放在水里,以供稍后的示例字符串。
  8. 等待至少 5 分钟的样品前来与沸腾的水热平衡。铅样品是从沸腾的水中移除,它将在温度非常可迅速下降。测量的温度在沸腾的水样本。继续采取它的温度后立即将样品放入咖啡杯子热量计。它可能会远远低于 100 ° c。在表 1中记录这一温度。
  9. 旋流咖啡杯子/铅系统围绕确保均匀的混合物。随着它的变化,看看温度计上的温度。一旦它停止改变,表 1中记录的温度。
  10. 水和铅试样,使用温度变化和由于水的比热,计算具体的铅用方程 1头。

焓是能量的一种流动的不同温度下的对象之间。

为了理解焓,一个人必须熟悉国家能源不能创建或销毁,它只能改变窗体的热力学第一定律。系统能量的总量不变。

焓的概念显然在一壶水在炉子上。热,由字母 Q,代表自发流向冷的水从热火炉。作为回应,水的温度上升。然而,由于这是一个开放的系统,还有一些热量散失到周围的环境。

另一方面,一个系统可以是热力学上是孤立的像一个保温瓶装满热水,热系统和其周围环境之间的不传输在哪里。如果你丢一块冷金属进入这个体系,热量自发地从流向热水冷却器金属。所以,如果我们对这个孤立的系统应用热力学第一定律,我们可以说的水或 Qout,损失的热量等于由金属或秦中吸收的热量。

在本视频中,我们将演示这简单传热实验测试热力学第一定律。

在深入之前议定书 》,让我们回顾一些本实验相关的重要概念。正如我们所讨论的热或 Q,是一种能量自发转移从热到冷的对象。

热与温度,是所有在物质中的单个分子的平均动能的措施往往被混淆了。例如,请考虑一块大型和小型的热铝处于热平衡状态。他们都有相同的温度,不过张较小的金属热能量低于其他,因为它有着更少的分子和较少的群众。

热与温度之间的关系由这个公式给出: Q = mCΔT。因此,提高温度所需的散热量取决于质量,m,这是有道理,因为更少的热量是需要提高的温度,而不是 1 公斤铝 1 克。

另一个因素是 C 或取决于材料的热容。例如,木有更高的热容量比铝。这意味着需要更少的热量,以增加 1 公斤,1 公斤的木材比铝的温度。

C 是热量的一个常数,指金额需一单位质量的一种物质由 1 度的温度升高。许多常见的材料,像水一样进行了实证计算了这些值。

在下一节中,我们将看到如何为铅用热量计,它提供了热力学孤立的系统实验计算 C。

第一,获得两个发泡塑料杯,将作为本实验绝缘热量计。所以,它可以作为一个盖子其他削减从顶部的一杯,一小部分。在上打孔小盖子,温度计会通过紧密贴合

220 毫升的水倒入未经修改的杯中,然后把盖子放在上面。测量水的温度。

接下来,充满烧杯的足够的水使铅样品可以被完全淹没。将烧杯放在热盘子里,并把水烧开。

称量铅样本,并记录质量。然后在此基础上,附加字符串,暂停使用环站。直到它完全覆盖着水,潜入水中铅样品煮沸的水。

等待五分钟,使样品达到热平衡与沸腾的水。删除示例从沸腾的水,并记录其初始温度。

快速将热的样品放入杯中,并在上面放上盖子。滑回通过壶盖上的气孔温度计。

旋流与铅样品以确保温度均匀的咖啡杯。看温度计上的温度,随着它的变化,并记录最终稳定的温度。

从热力学第一定律,我们知道,在这个实验中,铅的一块热转移热到冷的水。如果我们假设量热计提供热力学上孤立的系统,然后从铅热输出等于水的热输入。使用下面的公式 Q = mCΔT,我们得到以下的方程。

从实验中,我们知道铅和水的质量和铅和水的温度变化。水的热容量也是众所周知的。因此,可以计算热容量的铅。

这是铅的已知的热容量,0.128 优秀同意。这一结果验证了热力学第一定律。

传热和能量守恒原则适用于几个日常事件,但经常被忽视。这里是一些例子。

一个简单的实验,使用水和冰的热传导演示热力学和传热学第一定律。最初,这杯水是在室温,加冰冷却。最终,冰融化的水和融化的冰达到相同温度下,热被调离到冰水。

然而,因为该系统不是孤立的从周围的环境,最终温度的房间将热量传递到提高温度的水。

传热的另一个例子是一个太阳和地球之间。但是,这一点是通过辐射换热,由于太阳处于温度要高于地球,热流动从太阳到地球。然而,并不是所有的热量传送到地球,由于一些丧失到宇宙中的其他物体和对周围的环境。

你刚看了热和热力学第一定律的朱庇特的简介。你现在应该明白热和能量守恒的基本概念。谢谢观赏 !

Results

使用表 1中记录的值,可以计算比热的铅。从热力学第一定律,众所周知,能源是既不创造也不能毁在一个孤立的系统,但系统内的不同对象之间的能量可以传递。铅的一块热时放入咖啡杯子热量计,热将提供从铅到水中,和传热是守恒的;热输出的铅, Q那就是,等于Q的水热输入

Q= Q(方程 4)

方程 3,总能量U是恒定的。使用方程 1方程 4可以等效地写成:

mc导致δ T= m(c)δ T(方程 5)

与比热的水已知为 4.18 J/(g°C) 和表 1中的信息, c领导可以解决的:

c= m(c)δ T / (mδ t) (方程 6)

= (220 g · 4.18 J / (g Co) · 1.2 ° C) / (43.4 Co · 201 g)

= 0.127 J/(g°C)。

接受的值的比热是铅的 0.128,所以这里的结果是铅的在良好的协议,仅有 1.5%的差异。

表 1。实验的结果。

T(° C) Tf (° C) m(g)
18.5 19.7 220
63.1 19.7 201

Applications and Summary

热力学第一定律适用于整个宇宙没有能量可以创建或销毁整个宇宙,但各种能量的传输和转换做的地方。植物从阳光转换能源储存在有机分子,其中许多我们后来吃的化学能量。核能电厂产生多大的我们的电力使用热量从热放射性燃料棒传递产生蒸汽,它的权力的涡轮机发电。冰箱的工作用电拉热系统。充满冷却液的蒸发器和冷凝器对冰箱影响负面传热执行工作。

传热有人在一个封闭的系统之间一块铅和房间温度的热水。比热容测定测量已知数量的水和铅的温度变化。如果保丽龙杯系统不充分绝缘从周围的环境上,从系统的热会有已失去-换句话说,热水/铅会做对我们的环境,如方程 3工作。如果这的情况,在本实验中执行的计算本来更难做,因为周围的空气容易消散热及其周围地区。因为保丽龙杯可以充当一种很好的绝缘体,该系统被认为是独立于周围的空气。热力学第一定律有人注意到,如没有能量是内创建或破坏实验;封闭系统的能量被守恒。

1.测量比热容的铅和证明热力学第一定律。

  1. 获取规模、 铅样品,两个保丽龙杯,300 毫升 (或更大) 的烧杯、 加热元件、 温度计、 一根绳子,水在室温下,附加到站与杆夹,量筒,和剪刀。
  2. 剪掉之一的保丽龙杯顶端的一小部分,这样它可以作为其他杯盖。在底部,足够大的温度计,适合通过,但不是大于周长的温度计做一个小的洞。
  3. 衡量 220 毫升的水使用量筒,倒入未经修改的保丽龙杯。或者,可以重 220 克的水。
  4. 修改后的保丽龙杯放置在顶部,装水的杯子,以便它可以充当一个盖子;请确保它紧贴。如果不是,进行适当的修改。
  5. 测量水的温度和记录在表 1中。水应在室温下。
  6. 烧杯装满足够的水,这样可以完全淹没铅样品。将样品放入大烧杯的水和验证有足够的水。把水加热到沸腾使用加热元件。
  7. 将字符串附加到铅样品,以便它可以暂停进沸腾的水。将标本放在水里,以供稍后的示例字符串。
  8. 等待至少 5 分钟的样品前来与沸腾的水热平衡。铅样品是从沸腾的水中移除,它将在温度非常可迅速下降。测量的温度在沸腾的水样本。继续采取它的温度后立即将样品放入咖啡杯子热量计。它可能会远远低于 100 ° c。在表 1中记录这一温度。
  9. 旋流咖啡杯子/铅系统围绕确保均匀的混合物。随着它的变化,看看温度计上的温度。一旦它停止改变,表 1中记录的温度。
  10. 水和铅试样,使用温度变化和由于水的比热,计算具体的铅用方程 1头。

焓是能量的一种流动的不同温度下的对象之间。

为了理解焓,一个人必须熟悉国家能源不能创建或销毁,它只能改变窗体的热力学第一定律。系统能量的总量不变。

焓的概念显然在一壶水在炉子上。热,由字母 Q,代表自发流向冷的水从热火炉。作为回应,水的温度上升。然而,由于这是一个开放的系统,还有一些热量散失到周围的环境。

另一方面,一个系统可以是热力学上是孤立的像一个保温瓶装满热水,热系统和其周围环境之间的不传输在哪里。如果你丢一块冷金属进入这个体系,热量自发地从流向热水冷却器金属。所以,如果我们对这个孤立的系统应用热力学第一定律,我们可以说的水或 Qout,损失的热量等于由金属或秦中吸收的热量。

在本视频中,我们将演示这简单传热实验测试热力学第一定律。

在深入之前议定书 》,让我们回顾一些本实验相关的重要概念。正如我们所讨论的热或 Q,是一种能量自发转移从热到冷的对象。

热与温度,是所有在物质中的单个分子的平均动能的措施往往被混淆了。例如,请考虑一块大型和小型的热铝处于热平衡状态。他们都有相同的温度,不过张较小的金属热能量低于其他,因为它有着更少的分子和较少的群众。

热与温度之间的关系由这个公式给出: Q = mCΔT。因此,提高温度所需的散热量取决于质量,m,这是有道理,因为更少的热量是需要提高的温度,而不是 1 公斤铝 1 克。

另一个因素是 C 或取决于材料的热容。例如,木有更高的热容量比铝。这意味着需要更少的热量,以增加 1 公斤,1 公斤的木材比铝的温度。

C 是热量的一个常数,指金额需一单位质量的一种物质由 1 度的温度升高。许多常见的材料,像水一样进行了实证计算了这些值。

在下一节中,我们将看到如何为铅用热量计,它提供了热力学孤立的系统实验计算 C。

第一,获得两个发泡塑料杯,将作为本实验绝缘热量计。所以,它可以作为一个盖子其他削减从顶部的一杯,一小部分。在上打孔小盖子,温度计会通过紧密贴合

220 毫升的水倒入未经修改的杯中,然后把盖子放在上面。测量水的温度。

接下来,充满烧杯的足够的水使铅样品可以被完全淹没。将烧杯放在热盘子里,并把水烧开。

称量铅样本,并记录质量。然后在此基础上,附加字符串,暂停使用环站。直到它完全覆盖着水,潜入水中铅样品煮沸的水。

等待五分钟,使样品达到热平衡与沸腾的水。删除示例从沸腾的水,并记录其初始温度。

快速将热的样品放入杯中,并在上面放上盖子。滑回通过壶盖上的气孔温度计。

旋流与铅样品以确保温度均匀的咖啡杯。看温度计上的温度,随着它的变化,并记录最终稳定的温度。

从热力学第一定律,我们知道,在这个实验中,铅的一块热转移热到冷的水。如果我们假设量热计提供热力学上孤立的系统,然后从铅热输出等于水的热输入。使用下面的公式 Q = mCΔT,我们得到以下的方程。

从实验中,我们知道铅和水的质量和铅和水的温度变化。水的热容量也是众所周知的。因此,可以计算热容量的铅。

这是铅的已知的热容量,0.128 优秀同意。这一结果验证了热力学第一定律。

传热和能量守恒原则适用于几个日常事件,但经常被忽视。这里是一些例子。

一个简单的实验,使用水和冰的热传导演示热力学和传热学第一定律。最初,这杯水是在室温,加冰冷却。最终,冰融化的水和融化的冰达到相同温度下,热被调离到冰水。

然而,因为该系统不是孤立的从周围的环境,最终温度的房间将热量传递到提高温度的水。

传热的另一个例子是一个太阳和地球之间。但是,这一点是通过辐射换热,由于太阳处于温度要高于地球,热流动从太阳到地球。然而,并不是所有的热量传送到地球,由于一些丧失到宇宙中的其他物体和对周围的环境。

你刚看了热和热力学第一定律的朱庇特的简介。你现在应该明白热和能量守恒的基本概念。谢谢观赏 !

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