Использование графического приема при решении задач на составление уравнения теплового баланса

«Использование графического приема при решении задач на составление уравнения теплового баланса»

При решении задач на составление уравнения теплового баланса учащиеся нередко испытывают трудности и допускают ошибки. Даже простые задачи оказываются нерешенными.

При поиске решения данных проблем нужно учитывать два важных параметра:

Методы решения должны быть наглядными и универсальными;

Доступными для понимания и применения большинству учащихся непрофильных классов.

Данный прием позволяет научить различать процессы, сопровождающиеся выделением или поглощением теплоты, правильно записывать уравнение теплового баланса.

Как правило, учащиеся забывают учесть процессы, связанные с фазовыми переходами, происходящими при постоянной температуре.

Чтобы избежать подобных ошибок, по мере изучения материала вместе с учениками мы заполняем таблицу (таблица1), решаем пробные задачи и составляем алгоритм решения задач.

Название игры «ЧТО? ГДЕ? КОГДА?» превратилось в алгоритм решения задач:

«ЧТО ОТДАЕТ? ЧЕМУ ОТДАЕТ? СКОЛЬКО ОТДАЕТ?»

Анализируя задачу, учащиеся отвечают на три вопроса:

«Что» отдает тепло?

«Чему» отдается тепло?

Сколько» отдается тепла? (этот вопрос необходим при решении задач с учетом КПД установки)

Примерный алгоритм решения задач на расчет количества теплоты и составление уравнения теплового баланса

Внимательно прочитайте условие задачи. Выясните, какие тела участвуют в теплообмене; какие тела получают или отдают тепло.

Запишите условие задачи; используя справочные материалы найдите удельную теплоемкость, удельную теплоту плавления, удельную теплоту парообразования, температуру плавления, температуру кипения. Перейдите при необходимости в систему СИ.

Выясните, какие фазовые изменения происходят с телами (плавление или кристаллизация; кипение или конденсация) увеличивается температура тел или уменьшается.

На графике зависимости t(τ) на оси температур отметьте начальные и конечные температуры тел, а также температуру плавления(кристаллизации) или кипения (конденсации). В результате теплообмена у тел устанавливается общая температура. Укажите на графике температуру смеси.

Проведите пунктиром линию, соответствующую Θ– температуре смеси.

Постройте графики зависимости t(τ)для тел, помня о том, что температура охлаждающегося тела уменьшается и стремится к Θ, а температура нагревающегося тела увеличивается и тоже стремится кΘ.

Составьте уравнение теплового баланса. В одной части уравнения должна быть сумма количеств теплоты, которые тела отдают. Это процессы, расположенные выше пунктирной

линии, соответствующей температуре смеси. В другой части – сумма

количеств теплоты, которые тела получают в процессе теплообмена; эти процессы, находятся ниже пунктирной линии.

Решите данное уравнение. Запишите полученный ответ.

Таблица 1

Используя таблицу, учащиеся легко ориентируются в тепловых процессах, происходящих с телами. Красным цветом выделяем процессы, связанные с увеличением температуры тела и его внутренней энергии. Синим цветом – уменьшение температуры и внутренней энергии тела.

Решая задачу, учащиеся строят график изменения температуры тела с течением времени, указывая начальные и конечные температуры тел, а также называя процессы, происходящие с телами.

Приведу примеры решения следующих задач.

Задача № 1

Какое количество теплоты потребуется для плавления 1,5 кг цинка, взятого при температуре 20 ^ОС? (рисунок 1)

Задача №2

Какое количество теплоты выделится при охлаждении 200 г водяного пара, взятого при температуре 100^оС до температуры 20^оС? (рисунок 2)

Задача № 3

В сосуд, содержащий 500г воды при 16^оС, впускают 75 г водяного пара при температуре 100^оС, который обращается в воду. Какая температура установится в сосуде? Теплоемкостью сосуда пренебречь. Ответ дать по шкале Цельсия с точностью до десятых. (рисунок 3)

Задача №4

Расплавленный алюминий массой 1,2 кг, взятый при температуре плавления, влили в воду, масса которой 2,1 кг и температура 16^оС. Определите, какое количество воды при этом выкипит. (рисунок 4)

Задача №5.

Для охлаждения лимонада массой 200г в него бросают кубики льда при температуре 0оС. Масса каждого кубика 8 г. Чему равна первоначальная температура лимонада, если установилась температура 15^оС после того, как в него бросили 4 кубика? Удельная теплоемкость лимонада равна удельной теплоемкости воды. Тепловыми потерями пренебречь.

(рисунок 5)

Задачи для самостоятельного решения

Какое количество теплоты потребуется для того, чтобы вскипятить в алюминиевом чайнике массой 700 г 2 л воды? Начальная температура воды 20^оС. (723,5 кДж)

В кокиль залили 50 кг расплавленного железа при температуре плавления. Какое количество теплоты выделится при его охлаждении до 39^оС. (48 МДж)

В холодильнике изготовили 750 см³ льда при температуре (– 5^оС). Сколько энергии было отведено от воды и льда при этом, если начальная температура воды 15^оС? (≈ 279 кДж)

Кусок свинца, имеющий начальную температуру 27^оС, нагревают до температуры плавления за 10 мин. Через какое время он весь расплавится? (6 мин)

Смешали 39 л воды при 20^оС и 21 л при 60^оС. Определите температуру смеси. (34^оС)

Чтобы охладить выточенную из меди деталь, имеющую температуру 100^оС, ее погрузили в воду массой 420 г с температурой 15^оС. Определите массу детали, если известно, что в процессе теплообмена вода нагрелась до 18^оС. (160 г)

Для приготовления ванны вместимостью 200 л смешали холодную воду при температуре 10^оС с горячей водой при температуре 60^оС. Какие объемы той и другой воды надо взять, чтобы температура воды установилась 40^оС? (80 л, 120 л)

После опускания в воду, имеющую температуру 10^оС, тела, нагретого до 100^оС, через некоторое время установилась общая температура 40^оС. Какой станет температура воды, если, не вынимая первого тела, в нее опустить еще одно такое же тело, нагретое до 100^оС. (55^оС)

В углубление, сделанное во льду, взятом при температуре 0^оС, положили кусок олова массой 66 г при температуре 110^оС. Какая масса льда растает? (5 г)

Требуется пропусканием пара нагреть 80 л воды, взятой при температуре 6^оС, до 35^оС. Какое количество 100-градусного пара потребуется для этого? (3,8 кг)

Девочка налила в чайник 3 л воды, начальная температура которой 20^оС, и поставила его на газовую горелку. Через некоторое время она обнаружила, что вода в чайнике уже кипит, причем треть воды выкипела. Во сколько раз израсходованное количество теплоты больше того, что необходимо было для доведения воды до кипения? (≈3,3 раза)

В сосуде, из которого быстро откачивают воздух, находится небольшое количество воды при температуре 0^оС. В результате интенсивного испарения происходит замораживание воды. Какая часть первоначального количества воды обратилось в лед? Удельная теплота парообразования воды при 0^оС равна 2,5 МДж/кг. (0,88)

Литература

Л.А. Кирик. Физика 8, самостоятельные и контрольные работы. М: «Илекса», 2010.

Ю.С. Куперштейн, Е.А. Марон. Контрольные работы по физике, 7-9 класс. С-П: «Специальная литература»,1998.

В.И. Лукашик, Е.В. Иванова. Сборник задач по физике, 7-9 класс. М: «Просвещение»,2017

А.П. Рымкевич. Сборник задач по физике, 10-11 класс. М: «Дрофа», 2019.

Г.Н. Степанова. Сборник вопросов и задач по физике, 7-8 класс. С-П: «Специальная литература»,2003.

Материалы ЕГЭ, ФИПИ

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/383308-ispolzovanie-graficheskogo-priema-pri-resheni