Превращение электрической энергии в тепловую в физике

В связи с эпидемией COVID-19 во многих школах сейчас решается вопрос о дистанционном обучении. В Москве школьники уже вышли на дистант, в Санкт-Петербурге пока еще спрашивают желание родителей. Хотите занимайтесь очно, хотите пишите заявление и учитесь дома. Правительство обещает разработать специальные программы и предоставить отдельных учителей для дистанционных занятий. В любом случае самостоятельно изучать такие сложные предметы как физика и химия школьникам будет непросто. Особенно если ты абитуриент и собираешься в этом году сдавать ОГЭ и ЕГЭ. 

Наши репетиторы с радостью помогают ученикам подготовиться к экзаменам и поступить в ведущие вузы страны и зарубежья.

Разберем следующую задачу в которой пересекаются два раздела физики.

Возьмем неидеальный калориметр, с потерями энергии 20%, сделанный из алюминия. Нальем в него воды и будем нагревать при помощи электрической спирали с сопротивлением 2 Ом. На сколько градусов нагреется система за 11 минут, если масса калориметра 50 г, масса воды 120 г, а спираль подключена к источнику напряжения 5 В.

Выделенное количество теплоты прямо пропорционально времени, на протяжении которого пропускается ток через электрическую спираль. Таким образом, чем дольше пропускают ток, тем больше энергии теряется, т.е. электрическая энергия частично превращается в тепловую. Ее-то в данной задаче и следуетрассчитать в качестве первого шага решения.

Нагрев калориметра с водой обусловлен выделившейся энергией.

Количество теплоты, которое выделяется при работе электрической спирали, определяется через закон Джоуля-Ленца. Закон Джоуля-Ленца – это единственный закон, который связывает электрическую и тепловую энергии. Во всех задачах, где электрический ток приводит к нагреванию проводника, нужно использовать закон Джоуля-Ленца:

Q =I²Rτ

Подставив закон Ома в закон Джоуля-Ленца, получаем

Q=(U²/R)τ, где U – напряжение, R – сопротивление спирали,  – τ время работы.

На нагрев воды и калориметра расходуется на 20% меньше полученного тепла. Полезное количество теплоты равно Qп = 0.8 ∙ Q. Данное количество теплоты идет на нагрев калориметра и воды в нем. Изменение температуры воды и температуры калориметра можно определить из соотношения, которое в общем виде выглядит следующим образом: Q=cm∆t. Поскольку в задаче происходит нагрев и воды, и калориметра, то Qп = c_алm_ал∆t + c_вm_в∆t, где c_ал и c_в удельные теплоемкости алюминиевого калориметра и воды соответственно; m_ал и m_в массы алюминиевого калориметра и воды соответственно. Преобразуем полученное выражение:

Qп = (c_алm_ал + c_вm_в)∆t;  ∆t=Qп/(c_алm_ал + c_вm_в).

Подставим в полученные формулы численные значения (время предварительно переведем в секунды, а граммы в килограммы):

Q=(5²/2)660=8250 (Дж), Qп = 0.8 ∙ 8250=6600 (Дж), ∆t=6600/(920 ∙ 0,05 + 4200 ∙ 0,12)=12 (℃)

В ответе получается, что вода и калориметр нагреются на 12 градусов. 

Задачка была не из простых. Если задачи такого типа у вас не получается решить, то обращайтесь к опытным репетиторам.