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2021年初中物理竞赛及自主招生-第三节 热平衡方程与热平衡问题.pdf 立即下载
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2021年初中物理竞赛及自主招生-第三节 热平衡方程与热平衡问题.pdf

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第三节热平衡方程与热平衡问题两个温度不同的物体靠近时,会发生热传递。高温物体放出热量,温度降低,低温物体吸收热量,温度升高。当两者温度相同时,热传递停止,此时物体即处于热平衡状态。1.热平衡方程设高温物体的比热容为c,质量为m,初始温度为t,低温物体的比热容为c,质量为m,11122初始温度为ttt,当两者达到热平衡时,共同温度为t,则可知ttt。若不计能量损失,2210201则高温物体放出的热量Q等于低温物体吸收的热量Q,即QQ,或放吸放吸cmtcmtcmttcmtt,这即是两个物体热交换时的平衡方程,可解得tt111222,111022020cmcm1122cmtt若已测得t的值,则可求得c1110,因此可以用这种方法测物体的比热容。02mtt202例1(上海第5届初中物理竞赛复赛)温度不同的两个物体相互接触后将会发生热传递现象。若不计热量的损失,则当两物体达到热平衡状态时,它们的温度相同,且高温物体放出的热量等于低温物体所吸收的热量。现有三种不同的液体A,B,C,它们的初温度分别为15℃,25℃,35℃。当A和B液体混合并到达平衡状态时,其平衡温度为21℃;当B和C液体混合并到达平衡状态时,其平衡温度为32℃。求A和C液体混合并到达平衡状态时的平衡温度。分析与解设A,B,C三种液体的比热容分别为c,c,c;质量分别为m,m,m。1231232则A与B混合时,有cm21℃15℃cm25℃21℃,即cmcm;B与C混合时,1122113227有cm32℃25℃cmc35℃32℃,即cmcm;当A与C混合时,设热平衡后的223333322温度为t,则有cmt15℃cm35℃t,将以上各式代入,可解得t30.56℃。1133例2(上海第27届大同杯初赛改编)将一杯热水倒入盛有冷水的容器中,冷水的温度升高了10℃,再向容器内倒入一杯相同质量和温度的热水,容器中的水温又升高了6℃。则:(1)一杯热水与容器中原有的冷水质量之比为________。(2)热水与容器中原有的冷水的温差为________℃。(3)如果继续向容器中倒入一杯同样的热水,则容器中的冷水水温会继续升高________℃。分析与解不妨设容器中原有冷水的质量为M,温度为t,一杯热水质量为m,温度为t,12第一次倒入热水平衡后,水温均变为t10℃,冷水温度升高了10℃,热水温度降低了1tt10℃,由吸热等于放热,有21cM10cmtt16①21第二次倒入热水平衡后,水温均变为t16℃,冷水温度再次升高了6℃,热水温度降低了1tt16℃,有21cMm6cmtt16②21由①式可得M1tt10③m1021由②式可得M11tt16④m621M联立③④式,可解得3,tt40℃。m21第三次倒入热水平衡后,设冷水温度又升高了t,则冷水与热水水温均为t16℃t,热水1温度降低了tt16℃t,则有21cM2mtcmtt16℃t⑤21变形后,得M12tt16t⑥mt21M将3,tt40℃代入⑥式,可解得t4℃。m21上文提供的方法可以解决两种物质彼此进行热交换时的一些问题,如果有三种或者三种以上的物质彼此进行热交换,则情况要复杂些。2.多个物体的热平衡问题例3设有N个物体,它们的比热容、质量、初温分别为c,m,t,c,m,t,c,m,t,…,111222333c,m,t,现将这N个物体置于封闭绝热的容器中充分进行热交换,假设容器不吸热且各物体NNN之间不发生化学反应,也无物态变化,问热平衡后,物体的温度是多少?分析与解本题的困难在于,无法确定热平衡后系统的温度t与各物体初温t,t,t等的大0123小关系,也就无法确定是哪些物体吸热,哪些物体放热。不妨规定如下:令Qcmtt,若tt,00则Q0,Q为物体放出的热量;若tt,则Q0,Q为物体吸收的热量。则根据放出的总热量0与吸收的总热量相等,有QQQQ0123N即cmttcmttcmttcmtt0111022203330NNN0解得cmtcmtcmtcmtt111222333NNN0cmcmcmcm1122
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