Что показывает количество теплоты
Глоссарий. Физика
Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин. Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние.
Внутренняя энергия тела может изменяться за счет работы внешних сил. Для характеристики изменения внутренней энергии при теплообмене вводится величина, называемая количеством теплоты и обозначаемая Q. В международной системе единицей количества теплоты, также как работы и энергии, является джоуль: [Q] = [A] = [E] = 1 Дж. На практике еще иногда применяется внесистемная единица количества теплоты – калория. 1 кал. = 4,2 Дж.
Количество теплоты, передаваемое от одного тела к другому, может идти на нагревание тела, плавление, парообразование, либо выделяться при противоположных процессах – остывании тела, кристаллизации, конденсации. Теплота выделяется при сгорании топлива. Между массой вещества и количеством теплоты, необходимым для его нагревания, существует прямая пропорциональная зависимость.
Удельная теплоемкость вещества показывает, чему равно количество теплоты, необходимое для нагревания или выделяющееся при охлаждении 1 кг вещества на 1 К.
Удельные теплоты парообразования, плавления, сгорания показывают, какое количество теплоты требуется для парообразования, плавления или выделяется при конденсации, кристаллизации, сгорании 1 кг вещества.
Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества.
Количеством теплоты называют количественную меру изменения внутренней энергии тела при теплообмене (или теплопередаче).
Количество теплоты — это энергия, которую тело отдает при теплообмене (без совершения работы). Количество теплоты, как и энергия, измеряется в джоулях (Дж).
Удельная теплоемкость вещества.
Теплоемкость — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус.
Теплоемкость тела обозначается заглавной латинской буквой С.
От чего зависит теплоемкость тела? Прежде всего, от его массы. Ясно, что для нагрева, например, 1 килограмма воды потребуется больше тепла, чем для нагрева 200 граммов.
А от рода вещества? Проделаем опыт. Возьмем два одинаковых сосуда и, налив в один из них воду массой 400 г, а в другой — растительное масло массой 400 г, начнем их нагревать с помощью одинаковых горелок. Наблюдая за показаниями термометров, мы увидим, что масло нагревается быстрое. Чтобы нагреть воду и масло до одной и той же температуры, воду следует нагревать дольше. Но чем дольше мы нагреваем воду, тем большее количество теплоты она получает от горелки.
Таким образом, для нагревания одной и той же массы разных веществ до одинаковой температуры требуется разное количество теплоты. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела и, следовательно, его теплоемкость зависят от рода вещества, из которого состоит это тело.
Так, например, чтобы увеличить на 1°С температуру воды массой 1 кг, требуется количество теплоты, равное 4200 Дж, а для нагревания на 1 °С такой же массы подсолнечного масла необходимо количество теплоты, равное 1700 Дж.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания 1 кг вещества на 1 ºС, называется удельной теплоемкостью этого вещества.
У каждого вещества своя удельная теплоемкость, которая обозначается латинской буквой с и измеряется в джоулях на килограмм-градус (Дж/(кг ·°С)).
Заметим, что вода имеет очень большую удельную теплоемкость. Поэтому вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из воздуха большое количество тепла. Благодаря этому в тех местах, которые расположены вблизи больших водоемов, лето не бывает таким жарким, как в местах, удаленных от воды.
Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении.
Из вышеизложенного ясно, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от рода вещества, из которого состоит тело (т. е. его удельной теплоемкости), и от массы тела. Ясно также, что количество теплоты зависит от того, на сколько градусов мы собираемся увеличить температуру тела.
Итак, чтобы определить количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, нужно удельную теплоемкость тела умножить на его массу и на разность между его конечной и начальной температурами:
где Q — количество теплоты, c — удельная теплоемкость, m — масса тела, t1 — начальная температура, t2 — конечная температура.
Количество теплоты
Понятие количества теплоты.
Мы знаем, что внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами. Путем совершения работы и путём теплообмена. При осуществлении 2 способа изменение внутренней энергии равно количеству переданной теплоты. Количество теплоты может быть, как положительным, так и отрицательным.
Если внутренняя энергия тела увеличивается в процессе теплообмена, то количество теплоты больше нуля. Если внутренняя энергия тела уменьшается в процессе теплообмена, то количество теплоты меньше нуля. То есть тело отдает количество теплоты. Отсюда можно сделать вывод:
Количеством теплоты называют ту часть внутренней энергии, которую тело теряет или получает при теплопередаче.
Отчего зависит Q
О пыт № 1: Возьмём два одинаковых сосуда. Нальем в один из них воду массой 400 г, а в другой растительное масло массой 400 г. Начнём их нагревать с помощью одинаковых горелок. Наблюдая за показаниями термометров. Мы видим, что масло нагревается быстрее. Значит количество теплоты зависит от температуры. Опыт 2: Возьмём 1 кг воды и 1 кг подсолнечного масла. Нагреем оба сосуда на 1 градус. На нагревание воды было потрачено 4.200 Дж. А для нагревания масла потрачено 1700 Дж. Отсюда можно сделать вывод: Количество теплоты зависит от рода вещества.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания 1 кг вещества на 1 градус называется удельной теплоемкостью вещества.
Обозначается буквой С. Измеряется в Дж, поделить на кг, умножить на градус по Цельсию.
Опыт 3: Возьмём в одном сосуде 400 г воды, а в другом сосуде 200 г воды. Нагреем оба сосуда на одинаковое количество градусов. Для нагревания 1 сосуда потребовалось потратить большее количество теплоты. Вывод: количество теплоты зависит от массы.
Q требуется
При нагревании
При плавлении вещества
Плавлением называют переход вещества из твердого состояния в жидкое состояние.
Формула: Q = m * λ.
Физический смысл удельной теплоты плавления: лямбда показывает, какое количество теплоты необходимо для того, чтобы расплавить 1 кг вещества при температуре плавления.
Единица измерения: Дж/кг.
При парообразовании
Парообразованием называют переход молекул из жидкости в пар.
Формула: Q = m * L
где L — удельная теплота парообразования. Физический смысл удельной теплоты парообразования: L показывает какое количество теплоты необходимо для превращения в пар 1 кг жидкости при температуре кипения.
Единицы: Дж/кг.
Количество теплоты выделяется
1. Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива.
Различают виды топлива: уголь, нефть, бензин, керосин, торф, спирт, природный газ и так далее.
Энергия, выделяющееся при полном сгорании топлива, называют теплотой сгорания топлива.
Формула: Q = m * q
где q называется удельной теплотой сгорания топлива.
Физический смысл: q показывает какое количество теплоты выделится при горении 1 кг топлива.
Единицы: Дж / кг.
2. При охлаждении веществ: (Так же как и при нагревании вещества).
Формула Q = cm (t2 — t1)
3. При кристаллизации веществ: (Так же как и при плавлении вещества).
Формула Q = m * λ
4. При парообразовании веществ: (Так же как и при парообразовании жидкости).
Формула Q = — m * λ
Количество теплоты. Отличие количества теплоты и работы.
Количество теплоты — это мера изменения внутренней энергии, которую тело получает (либо отдает) в ходе теплообмена.
В международной системе единицей количества теплоты, также как работы и энергии, принят джоуль: [Q] = [A] = [E] = 1 Дж. На практике так же употребляют внесистемную единица количества теплоты – калория. 1 кал. = 4,2 Дж.
Отличие количества теплоты и работы.
И работа, и количество теплоты представляют видоизменение энергии, но не являются идентичными энергиями. Они не обрисовывают само состояние системы, а устанавливают процедуру перехода энергии от одного типа в другой (от одного тела к другому) при смене состояния и значительно обусловлены типом процедуры.
Сущность отличия работы и количества теплоты в том, что работа фиксирует процедуру трансформации внутренней энергии системы, сопровождающийся перевоплощением энергии из одного вида в другой (к примеру, из механической во внутреннюю). Количество теплоты фиксирует процедуру переноса внутренней энергии от одних тел к другим (о более горячих к менее горячим), не сопровождающуюся преобразованием энергии.
Количество теплоты и калориметр
В этом параграфе мы изучим несколько новых терминов. Определим их. Теплообмен – это явление перехода внутренней энергии одного тела во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы. Количество теплоты – это энергия, перешедшая от одного тела к другому при теплообмене.
 |
На рисунке показан калориметр – прибор для измерения количества теплоты. Простейший калориметр состоит из двух стаканов: внутреннего алюминиевого и внешнего пластмассового, которые разделены воздушным промежутком.
Рассмотрим пример. Во внутренний стакан нальём 100 г воды. Измерим её температуру: 20 °С. Погрузим в воду горячее тело – металлический цилиндрик. Внутри калориметра начнётся теплообмен, и некоторое количество теплоты перейдёт от цилиндрика к воде, в результате чего её температура повысится (см. рисунок). Вычислим изменение температуры воды:
Зная, что масса воды 100 г, инженер-теплотехник скажет: вода получила 100 г · 40 °С = 4000 калорий теплоты. В отличие от теплотехники, в физике количество теплоты выражают в джоулях (как и любую другую энергию). Для этого применяют специальную формулу:
| Q = c·m·Δt° | Q – количество теплоты, Дж с – удельная теплоёмкость, Дж/(кг°С) m – масса тела или вещества, кг Δt° – изменение температуры тела, °С |
Удельная теплоёмкость вещества – физическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1 кг этого вещества на 1 °С.
Используя таблицу (см. далее), легко подсчитать, что вода внутри калориметра получила от цилиндрика 16,8 кДж теплоты:
Формулу Q = cmΔt° применяют не только в том случае, когда вещество нагревается. Её также используют для подсчёта количества теплоты, которое отдают охлаждающиеся тела. Например, вода внутри отопительных батарей в квартире или классе.
Удельные теплоёмкости всех веществ измерены и занесены в специальные таблицы. Например, для воды в жидком состоянии с = 4200 Дж/(кг°С). Это значение показывает, что для нагревания 1 кг воды на 1 °С потребуется 4200 Дж теплоты. Можно сказать и иначе: каждый килограмм воды, остывая на 1 °С, отдаёт окружающим телам 4200 Дж тепловой энергии.
| Удельные теплоёмкости некоторых веществ, Дж/(кг°С) | ||||
| Алюминий | 920 | Вода | 4200 | |
| Железо | 460 | Лёд | 2100 | |
| Латунь | 400 | Масло подсолн. | 1700 | |
 |
Поясним, почему в определении теплообмена присутствуют слова «без совершения механической работы». Вспомним, что в § 5-е мы рассмотрели опыт с манометром и горячей гирей. Тогда внутренняя энергия гири уменьшалась. Часть этой энергии превращалась в механическую работу – удлинялся «столбик» жидкости в манометре. В опыте с калориметром внутренняя энергия цилиндрика также уменьшалась. Однако теперь она превращалась во внутреннюю энергию воды без совершения работы (см. рисунок; для наглядности цилиндрик изображён вне калориметра).
Калориметрические измерения показывают, что теплообмен всегда протекает так, что убыль внутренней энергии одних тел сопровождается таким же приращением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене. Это – одно из проявлений закона сохранения и превращения энергии.