Количество теплоты. Удельная теплоёмкость

Вам уже известно, что внутренняя энергия тела может изменяться как путём совершения работы, так и путём теплопередачи (без совершения работы). Если изменение внутренней энергии происходит путём теплопередачи, то переход энергии от одних тел к другим осуществляется теплопроводностью, конвекцией или излучением.







Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называется количеством теплоты.

Для того чтобы вычислить количество теплоты, необходимо узнать, от каких величин оно зависит.

Будем нагревать от двух одинаковых горелок два сосуда (рис. 14). В одном сосуде находится 1 кг воды, а в другом — 2 кг. Начальная температура воды в обоих сосудах одинакова. Мы заметим, что за одно и то же время во втором сосуде вода нагреется на меньшее число градусов, хотя оба сосуда получают одинаковое количество теплоты.

Следовательно, количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела, зависит от его массы.

Итак, чем больше масса тела, тем большее количество теплоты надо затратить, чтобы изменить его температуру одно и то же число градусов.

При остывании тело передаёт окружающим предметам тем большее количество теплоты, чем больше его масса.

Вам хорошо известно, что, если необходимо нагреть полный чайник (с водой) до температуры 50 °С, потребуется меньше времени, чем для нагревания чайника с водой той же массы до 100 °С. В первом случае воде будет передано меньшее количество теплоты, чем во втором.

Следовательно, количество теплоты, которое необходимо для нагревания, зависит от того, на сколько градусов нагревается тело. Это значит, что количество теплоты зависит от разности температур тела.

Но можно ли рассчитать количество теплоты, необходимое для нагревания не воды, а другого вещества, например свинца, железа, масла и т. д.?

Нальём в один сосуд воду, а в другой такой же сосуд — растительное масло (рис. 15). Массы воды и масла возьмём равные. Оба сосуда будем нагревать на одинаковых горелках. Опыт начнём при одинаковой начальной температуре воды и растительного масла. Измерив через некоторое время (например, 5 мин) температуру нагревшихся воды и масла, мы увидим, что масло имеет более высокую температуру, чем вода, хотя обе жидкости получили от горелок равные количества теплоты.

Из опыта нетрудно сделать вывод, что для нагревания равных масс воды и масла на одинаковую температуру требуется различное количество теплоты. Для масла требуется количества теплоты меньше, для воды больше.

Следовательно, количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела, зависит от того, из какого вещества оно состоит, т. е. от рода вещества.

Итак, количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела (или выделяемое при остывании), зависит от массы этого тела, от изменения его температуры и рода вещества.

Количество теплоты обозначают буквой Q. Как и всякий другой вид энергии, количество теплоты измеряют в джоулях (Дж) или в килоджоулях (кДж).

1 кДж = 1000 Дж.

Однако измерять количество теплоты учёные стали задолго до того, как в физике появилось понятие энергии. Тогда была установлена особая единица для измерения количества теплоты — калория (кал) или килокалория (ккал). (Калория — от лат. калор — тепло, жар.)

1 ккал = 1000 кал.

Калория — это количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1°С.

1 кал = 4,19 Дж ≈ 4,2 Дж.

1 ккал = 4190 Дж ≈ 4200 Дж ≈ 4,2 кДж.

Удельная теплоёмкость

Мы узнали, от каких величин зависит количество теплоты и каковы единицы его измерения. Нам известно, что для нагревания тел одинаковой массы, взятых при одинаковой температуре, на одну и ту же величину требуется разное количество теплоты. Так, для нагревания 1 кг воды на 1 °С требуется количество теплоты, равное 4200 Дж. Если нагревать 1 кг серебра на 1 °С, то потребуется 250 Дж.

Физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг для того, чтобы его температура изменилась на 1 °С, называется удельной теплоёмкостью вещества.

Удельная теплоёмкость обозначается буквой с и измеряется в .

Так, например, удельная теплоёмкость цинка равна 400 . Это означает, что для нагревания цинка массой 1 кг на 1 °С необходимо количество теплоты, равное 400 Дж. При охлаждении цинка массой 1 кг на 1 °С выделится количество теплоты, равное 400 Дж. Это означает, что если меняется температура цинка массой 1 кг на 1 °С, то он или поглощает, или выделяет количество теплоты, равное 400 Дж.

Таблица 1. Удельная теплоёмкость некоторых веществ

Вещество   Вещество   Вещество  
Золото 130 Железо 460 Масло подсолнечное 1700
Ртуть 140 Сталь 500
Свинец 140 Чугун 540 Лёд 2100
Олово 230 Графит 750 Керосин 2100
Серебро 250 Стекло лабораторное 840 Эфир 2350
Медь 400 Дерево (дуб) 2400
Цинк 400 Кирпич 880 Спирт 2500
Латунь 400 Алюминий 920 Вода 4200

Следует помнить, что удельная теплоёмкость вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях, различна.

Например, ртуть в жидком состоянии имеет удельную теплоёмкость, равную 138 , а в твёрдом состоянии — 129  (при —120 °С).

Удельная теплоёмкость воды самая большая — 4200 . В связи с этим вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает большое количество теплоты. Поэтому в районах, расположенных вблизи водоёмов, летом не бывает очень жарко, а зимой очень холодно. Это связано с тем, что зимой вода остывает и отдаёт большое количество теплоты. Из-за высокой удельной теплоёмкости воду широко используют в технике и быту. Например, в отопительных системах домов, при охлаждении деталей во время их обработки на станках, в медицине (в грелках) и др.

Домашнее задание:
I. Учить §§ 7 – 8.
II. Ответить на вопросы
1. Что такое количество теплоты?
2. Как зависит количество теплоты от изменения температуры тела?
3. Почему нельзя только по изменению температуры тела судить о полученном им количестве теплоты?
4. Как зависит количество теплоты от массы тела?
5. Опишите опыт, показывающий, что количество теплоты зависит от рода вещества, из которого состоит тело.
6. Какими единицами измеряют внутреннюю энергию и количество теплоты?

7. Что называется удельной теплоёмкостью вещества?
8. Что является единицей удельной теплоёмкости вещества?
9. Почему близость водоёмов влияет на температуру воздуха?
10. Почему чаще всего вода используется в системе отопления, для охлаждения двигателей?
III. Решить упражнение 6, 7
№ 6.
1. Утюг нагрет до 80 °С, а батарея отопления — до 40 °С. Можно ли утверждать, что утюг, остывая до комнатной температуры, передаст окружающей среде большее количество теплоты?
2. Какое тело отдаст большее количество теплоты; ртуть в термометре или ртуть в бутыли объёмом 0,5 л при понижении их температуры на 2 °С?
№ 7
1. Удельная теплоёмкость свинца равна 140 . Что это означает?
2. Для нагревания 1 кг золота на 1 °С требуется 130 Дж. Какова удельная теплоёмкость золота?
IV. Выполнить задание на стр. 26
В таблице 1 найдите жидкости. Какая из жидкостей при одинаковых условиях будет нагреваться быстрее?