Чем меньше удельная теплоемкость тем быстрее нагревается
Количество теплоты и удельная теплоемкость
Вместо словосочетания «тепловая энергия» физики говорят сокращенно: «теплота».
Удобно сравнивать между собой величины, которые измерены численно. Поэтому, физики говорят о количестве тепловой энергии, или количестве теплоты.
Что такое количество теплоты
Рассмотрим чашку, в которой находится обыкновенная вода комнатной температуры.
Вычислим внутреннюю энергию холодной воды в чашке, получим число, которое можно обозначить так:
\(\large U_<\text<хол>> \left( \text <Дж>\right) \) – внутренняя энергия холодной воды.
Нагреем воду в чашке. Молекулы нагретой воды будут двигаться быстрее. Значит, горячая вода обладает большим количеством внутренней энергии.
Теперь посчитаем внутреннюю энергию горячей воды в чашке. Полученное число обозначим, как
\(\large U_<\text<горяч>> \left( \text <Дж>\right) \) – внутренняя энергия горячей воды.
Найдем разницу внутренней энергии для горячей и холодной воды.
Примечание: Вместо слова «разница» математики скажут «разность».
Мы получим еще одно число. Обозначим его символом Q. Число Q называют количеством теплоты. Именно эту тепловую энергию вода получила во время нагревания.
Примечание: Когда горячая вода остынет, она отдаст ровно столько тепловой энергии, сколько получила во время нагревания. Потому, что выполняется закон сохранения тепловой энергии.
\(\large Q \left( \text <Дж>\right) \) – тепловая энергия, количество теплоты.
Теплота, как и любая энергия, измеряется в системе СИ в Джоулях, в честь английского физика Джеймса Джоуля.
Примечание: Количество теплоты, так же, измеряют в Калориях.
Калория – это тепловая энергия, затраченная на нагревание 1 грамма воды на 1 градус Цельсия.
Джоуль и Калория связаны так:
От чего зависит количество теплоты
Количество теплоты, требуемое для нагревания тела, зависит от нескольких параметров.
От массы вещества
Нальем в одну кастрюльку 1 кг воды, а в другую, точно такую же кастрюльку – 2 килограмма воды.
Пусть, начальная температура воды о обеих кастрюльках равна +20 градусам Цельсия.
Будем нагревать эти кастрюльки по очереди на газовой плите, не меняя интенсивность огня конфорки.
Предположим, нам нужно повысить на 50 градусов Цельсия температуру воды в каждой кастрюльке.
Примечание: После нагревания воды на 50 градусов, конечная температура воды в каждой кастрюльке будет равна 70 градусам.
Чтобы нагреть на 50 градусов 1 килограмм воды, потребуется время. Однако, чтобы нагреть на этой же конфорке 2 килограмма воды на 50 градусов, потребуется больше времени.
Значит, количество теплоты, полученное водой, зависит от массы вещества, которое мы хотим нагреть.
Математики запишут фразу «количество теплоты зависит от массы» так:
Символом f обозначается зависимость.
\(\large m \left( \text <кг>\right) \) – масса нагреваемого вещества.
От разницы температур
Теперь возьмем две кастрюльки, и нальем в них по 1 кг воды. Начальная температура воды в кастрюльках одинаковая и равна +20 градусов Цельсия.
Одну кастрюльку будем нагревать дольше другой. Поэтому, температура воды будет выше в той кастрюльке, которую дольше нагревали.
Так как температура повысилась больше в кастрюльке, которую дольше нагревали, то физики скажут, что воде в этой кастрюльке передали большее количество теплоты.
Значит, количество теплоты зависит от разницы (т. е. разности) между начальной и конечной температурой.
\(\large t_<\text<конеч>> \left( \text <град>\right) \) – температура после нагревания;
\(\large t_<\text<нач>> \left( \text <град>\right) \) – температура до нагревания;
\(\large \Delta t \left( \text <град>\right) \) – разность температуры;
Математики фразу «количество теплоты зависит от разности температур» запишут так:
Символ f обозначает, что Q зависит от разницы температур.
От вида вещества
Теперь будем нагревать 1 килограмм воды и 1 килограмм подсолнечного масла.
Первоначальная температура каждого вещества +20 градусов Цельсия.
Измерим через 5 минут нагревания температуру воды и температуру масла.
Оказывается, за 5 минут масло нагреется до более высокой температуры. При этом и масло, и вода, получили одинаковое количество теплоты.
Значит, количество теплоты зависит от того, из какого вещества состоит тело.
Какие величины называют удельными
Физики часто применяют удельные величины, так как они достаточно удобны для вычислений.
Удельная величина – величина, приходящаяся на единицу массы, длины, площади, или объема.
В обычной жизни мы, так же, пользуемся удельными величинами. К примеру, цена товара – это удельная величина, так как она приходится на единицу товара. Зная количество товара, легко посчитать общую цену покупки.
Например, булочка стоит 20 рублей. Нужно купить 3 булочки. Общую сумму денег найдем, перемножив цену одной булочки (удельную величину) на количество штук.
Известно, что при горении топлива выделяется энергия. Удельная теплота сгорания и количество сгоревших килограммов топлива помогут посчитать выделившуюся тепловую энергию.
Что такое удельная теплоемкость
Возьмем 1 килограмм вещества и нагреем его на 1 градус Цельсия. Тепловая энергия, которую мы для этого затратили, называется удельной теплоемкостью.
Удельная теплоемкость – это энергия, затраченная для нагревания 1 килограмма на 1 градус.
Эту энергию обозначают латинским символом «c». Измеряют ее в Джоулях, деленных на килограмм и градус.
\(\large c \left( \frac<\text<Дж>> <\text<кг>\cdot \text<град>> \right) \) – удельная теплоемкость;
Примечания:
Удельные теплоемкости воды в различных агрегатных состояниях
В твердом состоянии (лед), вода будет иметь такую теплоемкость:
В жидком состоянии (вода), такую:
В газообразном состоянии (пар) при температуре 100 градусов Цельсия, такую:
Примечание: Удельные теплоемкости различных веществ можно найти в школьном справочнике физики.
Как связаны и чем отличаются количество теплоты и удельная теплоемкость
Будем рассматривать такие процессы, как нагревание и охлаждение.
Благодаря процессам нагревания и охлаждения мы можем обогреваться зимой с помощью русской печи. Сначала печь получит количество теплоты (тепловую энергию) от сгорающего топлива — дров. А затем, будет остывать и отдавать это количество теплоты всем телам, находящимся в помещении.
Отличия удельной теплоемкости от количества теплоты
Запомнить, что такое количество теплоты, и чем оно отличается от удельной теплоемкости, можно так (рис. ):
Связь количества теплоты и удельной теплоемкости — формула
то легко посчитать общую тепловую энергию – т. е. количество теплоты.
Для этого используем формулу:
\(\large Q \left( \text <Дж>\right) \) – количество теплоты, т. е. общая тепловая энергия;
\(\large c \left( \frac<\text<Дж>> <\text<кг>\cdot \text<град>> \right) \) – удельная теплоемкость;
\(\large m \left( \text <кг>\right) \) – масса вещества;
\(\large t_<\text<конеч>> \left( \text <град>\right) \) – температура после нагревания;
\(\large t_<\text<нач>> \left( \text <град>\right) \) – температура до нагревания;
Как по графику нагревания или охлаждения определить удельную теплоемкость
На примере покажем, как находить удельную теплоемкость по графику нагревания или охлаждения тела.
Дано твердое тело массой 2 килограмма. На рисунке 5 указано, как зависит температура этого тела от полученного количества теплоты. По горизонтали отложено количество теплоты, а по вертикали – температура некоторого тела, находящегося в твердом состоянии.
Определить удельную теплоемкость вещества, из которого состоит данное твердое тело.
Решение:
Тело нагрелось от \(\large t_ <1>= 0 \left( С \right) \) до температуры \(\large t_ <2>= 60 \left( С \right) \);
Разность температур равна 60 градусам Цельсия.
Масса тела 2 килограмма.
Полученное количество теплоты \(\large Q = 15000 \left( \text <Дж>\right) \).
Выпишем формулу, по которой можно посчитать тепловую энергию Q:
Подставим теперь значения в эту формулу для определения количества теплоты:
\[\large 15000 = c \cdot 2 \cdot 60 \]
Разделим обе части уравнения на число 10:
\[\large 1500 = c \cdot 2 \cdot 6 \]
Теперь разделим обе части уравнения на число 6:
\[\large 250 = c \cdot 2 \]
Разделив обе части на число 2, получим удельную теплоемкость твердого вещества:
Ответ: Удельная теплоемкость твердого вещества \(\large 125 \left( \frac<\text<Дж>> <\text<кг>\cdot \text<град>> \right) \)
Примечание: Тела могут обмениваться тепловой энергией с другими телами. Обмен энергией прекратится при наступлении теплового равновесия. Для решения задач нужно использовать удельные теплоемкости материалов, из которых изготовлены тела. А чтобы рассчитать переданное или полученное телом количество теплоты, нужно уметь применять закон сохранения энергии и составлять уравнение теплового баланса.
Удельная теплоемкость вещества
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).
Нагревание и охлаждение
Эти два процесса знакомы каждому. Вот нам захотелось чайку, и мы ставим чайник, чтобы нагреть воду. Или ставим газировку в холодильник, чтобы охладить.
Логично предположить, что нагревание — это увеличение температуры, а охлаждение — ее уменьшение. Все, процесс понятен, едем дальше.
Но не тут-то было: температура меняется не «с потолка». Все завязано на таком понятии, как количество теплоты. При нагревании тело получает количество теплоты, а при нагревании — отдает.
В процессах нагревания и охлаждения формулы для количества теплоты выглядят так:
Нагревание
Охлаждение
Q — количество теплоты [Дж]
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
tконечная — конечная температура [˚C]
tначальная — начальная температура [˚C]
В этих формулах фигурирует и изменение температуры, о котором мы сказали выше, и удельная теплоемкость, речь о которой пойдет дальше.
А вот теперь поговорим о видах теплопередачи.
Виды теплопередачи
Здесь все совсем несложно, их всего три: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность
Тот вид теплопередачи, который можно охарактеризовать, как способность тел проводить энергию от более нагретого тела к менее нагретому.
Речь о том, чтобы передать тепло с помощью соприкосновения. Признавайтесь, грелись же когда-нибудь возле батареи. Если вы сидели к ней вплотную, то согрелись вы благодаря теплопроводности. Обниматься с котиком, у которого горячее пузо, тоже эффективно.
Порой мы немного перебарщиваем с возможностями этого эффекта, когда на пляже ложимся на горячий песок. Эффект есть, только не очень приятный. Ну а ледяная грелка на лбу дает обратный эффект — ваш лоб отдает тепло грелке.
Конвекция
Когда мы говорили о теплопроводности, мы приводили в пример батарею. Теплопроводность — это когда мы получаем тепло, прикоснувшись к батарее. Но все вещи в комнате к батарее не прикасаются, а комната греется. Здесь вступает конвекция.
Дело в том, что холодный воздух тяжелее горячего (холодный просто плотнее). Когда батарея нагревает некий объем воздуха, он тут же поднимается наверх, проходит вдоль потолка, успевает остыть и спуститься обратно вниз — к батарее, где снова нагревается. Таким образом, вся комната равномерно прогревается, потому что все более горячие потоки сменяют все менее холодные.
Излучение
Пляж мы уже упоминали, но речь шла только о горячем песочке. А вот тепло от солнышка — это излучение. В этом случае тепло передается через волны.
Обоими способами. То тепло, которое мы ощущаем непосредственно от камина (когда лицу горячо, если вы расположились слишком близко к камину) — это излучение. А вот прогревание комнаты в целом — это конвекция.
Удельная теплоемкость: понятие и формула для расчета
Формулы количества теплоты для нагревания и охлаждения мы уже разбирали, но давайте еще раз:
Нагревание
Охлаждение
Q — количество теплоты [Дж]
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
tконечная — конечная температура [˚C]
tначальная — начальная температура [˚C]
В этих формулах фигурирует такая величина, как удельная теплоемкость. По сути своей — это способность материала получать или отдавать тепло.
С точки зрения математики удельная теплоемкость вещества — это количество теплоты, которое надо к нему подвести, чтобы изменить температуру 1 кг вещества на 1 градус Цельсия:
Удельная теплоемкость вещества
Q — количество теплоты [Дж]
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
tконечная — конечная температура [˚C]
tначальная — начальная температура [˚C]
Также ее можно рассчитать через теплоемкость вещества:
Удельная теплоемкость вещества
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
C — теплоемкость вещества [Дж/˚C]
Величины теплоемкость и удельная теплоемкость означают практически одно и то же. Отличие в том, что теплоемкость — это способность всего вещества к передаче тепла. То есть формулу количества теплоты для нагревания тела можно записать в таком виде:
Количество теплоты, необходимое для нагревания тела
Q — количество теплоты [Дж]
c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]
tконечная — конечная температура [˚C]
tначальная — начальная температура [˚C]
Онлайн-курсы физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!
Таблица удельных теплоемкостей
Удельная теплоемкость — табличная величина. Часто ее указывают в условии задачи, но при отсутствии в условии — можно и нужно воспользоваться таблицей. Ниже приведена таблица удельных теплоемкостей для некоторых (многих) веществ.
Удельная теплоёмкость
Урок 8. Физика 8 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Удельная теплоёмкость»
На прошлом уроке мы узнали, что количество теплоты зависит от массы нагреваемого тела, от разности начальной и конечной температуры тела и от вещества из которого тело состоит. Из этого следует, что, например, количество теплоты для нагревания 1 кг свинца на 1 о С не равно количеству теплоты для нагревания 1 кг воды на 1 о С, потому что свинец и вода — совсем разные вещества. Это и называется удельной теплоёмкостью: количество теплоты, необходимое для нагрева 1 кг того или иного вещества на 1 о С.
Поскольку количество теплоты измеряется в джоулях, удельная теплоёмкость измеряется в джоулях на килограмм-градус Цельсия:
В таблице даны значения удельной теплоёмкости для некоторых веществ.
Эти величины были установлены экспериментальным путём, чтобы в дальнейшем их использовать для расчёта количества теплоты, требуемого для нагрева любого вещества любой массы на любое количество градусов. Например, известно, что для нагревания 1 кг алюминия на 1 о С требуется 920 Дж. А для нагревания 2 кг — 1840 Дж. Однако, удельная теплоёмкость одного и того же вещества может изменяться в зависимости от агрегатного состояния.
Как видно из таблицы, удельная теплоёмкость воды довольно велика по сравнению с другими веществами. Надо сказать, что вода имеет самую большую удельную теплоёмкость среди жидкостей и твёрдых веществ. Именно поэтому крупные водоёмы оказывают большое влияние на климат в окрестностях. Летом вода остужает воздух, т.к. поглощает большое количество теплоты, а зимой — нагревает, т.к. отдаёт большое количество теплоты.
Это свойство воды широко используется людьми. Например, чтобы остудить только что сваренные яйца, их кладут в холодную воду. Из-за того, что вода обладает большой теплоёмкостью, она забирает много энергии. Также, существуют переносные холодильники. Они сделаны по принципу, похожему на принцип термоса, только внутрь добавляется лед или бутылка с ледяной водой, которая и поддерживает низкую температуру внутри.
Есть много других примеров, которые вы сможете найти без особого труда.
1. Исходя из приведённой таблицы, что быстрее нагреется на 1 о С в одинаковых условиях: подсолнечное масло или керосин?
Быстрее нагреется подсолнечное масло, поскольку его удельная теплоёмкость меньше, а, значит, требуется меньшее количество теплоты для его нагревания.
2. Допустим, вы потратили 460 Дж на нагревание килограмма неизвестного вам металла на 1 о С. Может ли таблица помочь вам узнать, что это за металл?
Конечно. Ведь это означает, что удельная теплоёмкость данного металла равна 460 Дж/кг ∙ о С, а в таблице указано, что это удельная теплоёмкость железа.
3. Можно ли с помощью таблицы определить за какое время килограмм серебра нагреется на 1 о С?
Нет. В таблице указана требуемая для этого энергия. Время же будет зависеть от мощности источника, который мы будем использовать. Очевидно, что зажигалкой этот кусок серебра мы будем нагревать дольше, чем огнемётом.
4. Допустим, вы хотите сделать металлическую пластину, которая быстро нагревается на солнце. Что лучше использовать: золото, ртуть или свинец?
С точки зрения теоретической физики — лучше из золота, ведь у него самая маленькая удельная теплоёмкость, следовательно, оно нагреется быстрее. Однако, золото — очень дорогой металл по сравнению со свинцом или ртутью, а удельная теплоёмкость этих металлов незначительно больше. Но ртуть использовать не стоит, поскольку это опасный для здоровья металл, а самое главное, что ртуть переходит в твёрдое состояние только при температуре –120 градусов Цельсия. Поэтому, лучше использовать свинец.
Чем меньше удельная теплоемкость тем быстрее нагревается
Изменение внутренней энергии путём совершения работы характеризуется величиной работы, т.е. работа является мерой изменения внутренней энергии в данном процессе. Изменение внутренней энергии тела при теплопередаче характеризуется величиной, называемой количествоv теплоты.
Количество теплоты – это изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы. Количество теплоты обозначают буквой Q.
Работа, внутренняя энергия и количество теплоты измеряются в одних и тех же единицах — джоулях (Дж), как и всякий вид энергии.
В тепловых измерениях в качестве единицы количества теплоты раньше использовалась особая единица энергии — калория (кал), равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия (точнее, от 19,5 до 20,5 °С). Данную единицу, в частности, используют в настоящее время при расчетах потребления тепла (тепловой энергии) в многоквартирных домах. Опытным путем установлен механический эквивалент теплоты — соотношение между калорией и джоулем: 1 кал = 4,2 Дж.
При передаче телу некоторого количества теплоты без совершения работы его внутренняя энергия увеличивается, если тело отдаёт какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия уменьшается.
Если в два одинаковых сосуда налить в один 100 г воды, а в другой 400 г при одной и той же температуре и поставить их на одинаковые горелки, то раньше закипит вода в первом сосуде. Таким образом, чем больше масса тела, тем большее количество тепла требуется ему для нагревания. То же самое и с охлаждением.
Количество теплоты, необходимое для нагревания тела зависит еще и от рода вещества, из которого это тело сделано. Эта зависимость количества теплоты, необходимого для нагревания тела, от рода вещества характеризуется физической величиной, называемой удельной теплоёмкостью вещества.
Удельная теплоёмкость
Удельная теплоёмкость – это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества для нагревания его на 1 °С (или на 1 К). Такое же количество теплоты 1 кг вещества отдаёт при охлаждении на 1 °С.
Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, очень маленькую удельную теплоёмкость имеет золото.
Поскольку кол-во теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 °С. В частности, внутренняя энергия 1 кг свинца при его нагревании на 1 °С увеличивается на 140 Дж, а при охлаждении уменьшается на 140 Дж.
Количество теплоты Q, необходимое для нагревания тела массой m от температуры t1°С до температуры t2°С, равно произведению удельной теплоёмкости вещества, массы тела и разности конечной и начальной температур, т.е.
Q = c ∙ m (t2 — t1)
По этой же формуле вычисляется и количество теплоты, которое тело отдаёт при охлаждении. Только в этом случае от начальной температуры следует отнять конечную, т.е. от большего значения температуры отнять меньшее.
Это конспект по теме «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость». Выберите дальнейшие действия:
Физика
Именная карта банка для детей
с крутым дизайном, +200 бонусов
Закажи свою собственную карту банка и получи бонусы
План урока:
Изменение внутренней энергии в расчетах
Работа и теплообмен (теплопередача) – два пути, изменяющих внутреннюю энергию. В преодолении этих путей внутренняя энергия изменяется или на величину совершенной работы А или на величину Q – количество переданной (может быть и отданной) теплоты.
(В седьмом классе было введена буква Δ для обозначения изменения какой-нибудь физической величины. Это использование прописной греческой буквы общепринято).
Пусть через ΔU обозначается изменение внутренней энергии. Тогда ΔU = U2 – U1. Здесь U2 – конечная, а U1 – начальная внутренняя энергия.
В зависимости от пути изменения ΔU можно определить следующими способами:
ΔU = А (если совершается работа) или ΔU = Q (если произошел теплообмен). Изменение ΔU может одновременно пройти двумя способами. И тогда для общего случая:
Согласно уравнению ΔU = Q + A,
Величина ΔU находится математическими расчетами. Результат вычислений бывает как отрицательной, так и положительной:
Слагаемые работа и количество теплоты в равенстве ΔU = Q + A так же могут обладать разными знаками:
На примере это выглядит так.
Внимательно изучив уравнение ΔU = Q + A, можно заметить следующее: если систему рассматриваемых тел изолировать, то есть не выполнять работу, и не дать возможности обмена теплом с внешней средой, то внутренняя энергия тела не сможет изменяться. Это утверждение определяет закон сохранения внутренней энергии и означает, что тепловое движение постоянно.
Еще один важный вывод следует для двух тел, находящихся в изолированном состоянии. При плотном контакте этих тел, начинается процесс теплообмена, что будет продолжаться до той поры, пока температура не выровняется у обоих тел.
Почему в нем присутствует знак модуля? Дело в том, что получение тепла имеет положительное значение, а отдача тепла – отрицательное. Но модули этих чисел равны (модуль – это абсолютное числовое значение величины).
Что означает удельная теплоемкость?
Удельное княжество, удельные земли, удел, как судьба или участь, конечно же, не имеют никакого отношения к физике. Но все же они обозначают что-то отдельное, часть, долю. Вот и в случае с теплотой используется понятие удельной теплоемкости вещества, как величины, связанной с частью, а вернее, с единицей объема этого вещества.
Такой простой опыт можно провести в домашних условиях. В равные емкости налить молока и воды одной массы. Нагревать на одинаковых горелках. Термометром для жидкостей следить за температурой обоих веществ. Не пройдет и минуты, станет заметно, что молоко нагревается быстрее.
Это значит, что для нагрева воды до той же температуры, что и молоко, нужно тепла больше.
Теперь объяснима разница в нагревании молока и воды. Удельные теплоемкости этих веществ различны: вода – 4200 Дж/кг∙ о С, молоко – 4020 (нежирное) и 3875 Дж/кг∙ о С (жирное). Это значит, что нагреть молоко легче, чем воду. Из веществ, приведенных в таблице, вода – самое теплоемкое вещество.
Стоит обратить внимание, что в разных агрегатных состояниях, удельная теплоемкость одного и того же вещества различна. Это зависит от того, что структура вещества в разных состояниях различна.
Какое количество тепла выделяется или поглощается?
Чтобы ответить на этот вопрос, надо выяснить от чего зависит количество теплоты. Зависимость от рода вещества показана на примере нагревания молока и воды. Но этого недостаточно.
Нетрудно догадаться, что тепла понадобится больше, если нужно нагреть воду до горячего состояния, а не сделать ее только теплой. В процессе охлаждения тепла выделится больше от горячей воды, чем от теплой. А характеризует степень нагретости тела температура. Значит, чем больше разница в начальной и конечной температуре, тем большее количество тепла выделяется или поглощается телом.
Теперь еще одна зависимость. Даже младший школьник мог наблюдать у себя на кухне, что целая кастрюля воды нагреваться будет намного дольше, чем половина кастрюли, если ее греть.
Это значит, количество тепла, потребляемого телом или выделяемого им, зависит от массы тела.
Получается прямая зависимость тепла от трех величин:
Следует обратить внимание на Δt. Если tкон ˃ tнач, разность температур положительна, значит тело нагревается, идет процесс потребления тепла. Если tкон ˂ tнач, разность температур отрицательна, тело охлаждается, происходит выделение тепла.
Термос. Сосуд Дьюара. Калориметр
Достаточно часто требуется остановить или задержать процесс остывания. В бытовых целях для этого используются термосы. Устройство их несложно. Главную роль здесь играет прослойка с низкой теплопроводностью между стенками двойного стеклянного (бывает и из другого вещества) сосуда.
Для сохранения повышенных или пониженных температур веществ в промышленности, медицине, ветеринарии, косметологии, лабораториях используют теплонепроницаемый сосуд, который носит название своего изобретателя – сосуд Дьюара.
Состоит сосуд из двух основных резервуаров, изготовленных из термостойкого алюминия. Меньший резервуар находится внутри большего и скреплен с ним небольшими прочными перемычками. Внешний резервуар покрыт защитным веществом, а внутренний очень хорошо отполирован. Сосуд закрыт непроводящей тепло пенопластиковой крышкой. Устройство сосуда Дьюара аналогично строению обычного бытового термоса, но термос – это упрощенный вариант дьюаровского изобретения.
Изначально сосуды Дьюара применялись для легко испаряющихся жидкостей. Теперь же эти сосуды используют для поддержания и сохранения свойств веществ при необходимых температурах. Чаще других в таких сосудах хранят жидкий азот, применение которого очень разнообразно:
приготовление мороженого, заморозка сметаны или фруктов в кулинарии
Шоу Источник Заморозка фруктов Источник
При исследованиях в школе и проведении опытов вместо сосудов Дьюара и термосов используют более простой прибор, который называют калориметром
Такое приспособление не может исключить полную связь содержимого внутреннего сосуда с внешней средой. Чтобы потеря тепла во внешнюю среду была минимальной, нужно опыты проводить достаточно быстро.
Используя калориметр, в условиях учебного класса можно проверить справедливость уравнения теплового баланса. Для этого понадобится одинаковое количество (например, 50 г) холодной и горячей воды, калориметр и термометр.
Нужно аккуратно холодную воду перелить в калориметр с горячей водой. Полученную смесь осторожно перемешать термометром (трубочку или ложку для смешивания брать не стоит, чтобы лишний раз не нарушать выбранную изолированную систему тел).
Начальные температуры воды и температуру смеси записать и использовать в дальнейших расчетах. Учитывая табличное значение удельной теплоемкости воды (4200 Дэ/кг о С), взятую массу (50 г = 0, 05 кг), вычисления будут следующими:
Конечно, такой результат может получиться лишь теоретически. В опыте с калориметром есть недостаток в том, что существует недостаточная изоляция системы рассматриваемых тел. Тепло горячей воды попадает во внешнюю среду, так как калориметр с горячей водой не закрыт. Нельзя забывать, что измерения проводятся с определенной долей погрешности.
Но суть проделанных набольших исследований понятна и подтверждает уравнение теплового баланса.
Где взять тепло?
Ответ прост. При сгорании топлива, виды которого разнообразны.
Отопительная ценность, например, каменного угля определяется количеством тепла, выделяющегося в процессе сгорания одного его килограмма.
Откуда в угле берется тепло? По одной из теорий топливные материалы, такие как уголь и торф, образовались из растений.
Некогда почти вся земля была покрыта растительностью, главным образом гигантскими лесными чащами. На месте сваленных бурей деревьев вырастали новые. С течением времени образовался толстый слой гниющего дерева. Некоторые пространства земного шара были опустошены буйными ураганами или сползающими ледниками. Пространства эти со временем покрыл ил, нанесенный волнами рек и морей. Или же землю засыпал песок пустынь. В таких условиях бревна, находящиеся под большим давлением и без доступа воздуха, образовали слой вещества, которое теперь называют каменным углем.
Долгое время тепло от сгорания топлива измерялось в калориях (1 кал) – это количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1 о С. Большая калория – килокалория (1 ккал) – количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 килограмма воды на 1 о С.
Сейчас вместо калорий и килокалорий используются Джоули и единицы, производные от 1 Джоуля.
Эта величина тепла называется удельной теплотой сгорания топлива и обозначается буквой q.
Например, табличное значение для природного газа, который сейчас очень широко применяется, q = 4,4 ∙ 10 7 Дж/кг означает: при сгорании 1 кг природного газа выделяется 4,4 ∙ 10 7 Джоулей тепла.
Если сгорает не один килограмм топлива, то полученное количество выделившегося тепла определяется формулой Q = qm.
Само тепло получается, как результат изменения опять же внутренней энергии сгорающего топлива. Горение происходит всегда с участием кислорода. При этом атомы кислорода, соединившись с атомами углерода (содержится и в древесном угле, и в каменном, и в нефти, и бензине), образуют продукт горения – это углекислый газ. Его молекулы обладают кинетической энергией большей, чем молекулы кислорода и углерода, отдельно взятые. Следовательно, внутренняя энергия становится больше и проявляется в виде выделения тепла.
Процесс увеличения энергии во время горения называют выделением энергии, то есть выделением тепла.
Чтобы можно было использовать тепло от сгоревшего топлива, человеком с давних пор применяются и простые, и сложные приспособления. Это костер, свеча, печь, газовая горелка, спиртовка, тепловые машины, двигатели.
На службе человека находятся и такие мощные преобразователи тепла, как тепловые электростанции.