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.
[large U_{text{горяч}} — U_{text{холод}}]
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.
[large boxed{ Q = U_{text{горяч}} — U_{text{холод}} }]
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.
Рис.1. Что такое количество теплоты
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:
[large boxed{ 1 text{ Калория} = 4{,}19 text{ Дж} }]
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:
[large Q = f(m)]
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 Delta t = t_{text{конеч}} — t_{text{нач}}]
(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:
[large Q = f(Delta t)]
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.
Рис. 2. Количество теплоты зависит от массы и вида вещества, а, так же, от разницы температур
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.
Рис. 3. Удельная величина – это величина, приходящаяся на единицу чего-либо (например, массы, длины и т. п.)
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:
- Вместо слов «тепловая энергия» физики скажут «количество теплоты»;
- Различные вещества обладают разными теплоемкостями;
- Одно и то же вещество в различных агрегатных состояниях (ссылка), будет иметь разные теплоемкости.
Удельные теплоемкости воды в различных агрегатных состояниях
В твердом состоянии (лед), вода будет иметь такую теплоемкость:
(large c_{text{лед}} = 2100 left( frac{text{Дж}}{text{кг} cdot text{град}} right) )
В жидком состоянии (вода), такую:
(large c_{text{вода}} = 4200 left( frac{text{Дж}}{text{кг} cdot text{град}} right) )
В газообразном состоянии (пар) при температуре 100 градусов Цельсия, такую:
(large c_{text{пар}} = 2000 left( frac{text{Дж}}{text{кг} cdot text{град}} right) )
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.
- нагревание — тело получает тепловую энергию (количество теплоты).
- охлаждение – тело отдает тепловую энергию в окружающее пространство.
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. ):
Рис. 4. Удельная теплоемкость и количество теплоты – это энергии, они приходятся на различное количество градусов и количество килограммов
- Количество теплоты – это энергия нагревания (охлаждения) нескольких килограммов на несколько градусов.
- Удельная теплоемкость – это энергия нагревания 1-го килограмма на 1 градус.
Связь количества теплоты и удельной теплоемкости — формула
Если известны:
- удельная теплоемкость вещества;
- количество килограммов вещества;
- количество градусов, на которое нужно нагреть вещество,
то легко посчитать общую тепловую энергию – т. е. количество теплоты.
Для этого используем формулу:
[large boxed{ Q = c cdot m cdot (t_{text{конеч}} — t_{text{нач}}) }]
(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.
Рис. 5. На рисунке указано, как температура твердого тела зависит от полученной теплоты
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:
[large Q = c cdot m cdot (t_{text{конеч}} — t_{text{нач}}) ]
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:
[large 125 left( frac{text{Дж}}{text{кг} cdot text{град}} right) = c ]
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.
Выводы
- При нагревании тело получает тепловую энергию (количество теплоты), а при охлаждении – отдает эту энергию в окружающее пространство.
- Количество теплоты – это тепловая энергия, которую тело получило в процессе теплопередачи. То есть, во время нагревания.
- Сколько теплоты тело получило, столько же оно отдаст в окружающую среду во время остывания до начальной температуры. Потому, что выполняется закон сохранения тепловой энергии.
- Количество теплоты зависит от: массы вещества; вида вещества; разности между начальной и конечной температурой (от разницы температур).
- Удельная теплоемкость – это энергия нагревания 1-го килограмма вещества на 1 градус
- Теплоемкости разных веществ различаются.
- Даже одно и то же вещество в разных агрегатных состояниях имеет разные теплоемкости.
- Если масса вещества известна, удельную теплоемкость можно определить из графика Q(t) количества теплоты от температуры.
Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества
Количеством теплоты называют количественную меру изменения внутренней энергии тела при теплообмене.
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 быстрее. 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 $1°$С, 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)).
Удельная теплоемкость одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном) различна. Например, удельная теплоемкость воды равна $4200$ Дж/(кг$·°$С), а удельная теплоемкость льда $2100$ Дж/(кг$·°$С); алюминий в твердом состоянии имеет удельную теплоемкость, равную $920$ Дж/(кг$·°$С), а в жидком — $1080$ 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:
$Q=cm(t_2-t_1)$
где $Q$ — количество теплоты, $c$ — удельная теплоемкость, $m$ — масса тела, $t_1$ — начальная температура, $t_2$ — конечная температура.
При нагревании тела $t_2 > t_1$ и, следовательно, $Q > 0$. При охлаждении тела $t_2 < t_1$ и, следовательно, $Q < 0$.
В случае, если известна теплоемкость всего тела $С, Q$ определяется по формуле
$Q=C(t_2-t_1)$
Удельная теплота парообразования, плавления, сгорания
Теплота парообразования (теплота испарения) — количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу (при постоянном давлении и постоянной температуре) для полного превращения жидкого вещества в пар.
Теплота парообразования равна количеству теплоты, выделяющемуся при конденсации пара в жидкость.
Превращение жидкости в пар при постоянной температуре не ведет к увеличению кинетической энергии молекул, но сопровождается увеличением их потенциальной энергии, т. к. расстояние между молекулами существенно увеличивается.
Удельная теплота парообразования и конденсации. Опытами установлено, что для полного обращения в пар $1$ кг воды (при температуре кипения) необходимо затратить $2.3$ МДж энергии. Для обращения в пар других жидкостей требуется иное количество теплоты. Например, для спирта оно составляет $0.9$ МДж.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой $1$ кг в пар без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.
Удельную теплоту парообразования обозначают буквой $r$ и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Количество теплоты, необходимое для парообразования (или выделяющееся при конденсации). Чтобы вычислить количество теплоты $Q$, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, взятой при температуре кипения, нужно удельную теплоту парообразования $r$ умножить на массу $m$:
$Q=rm$
При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:
$Q=-rm$
Удельная теплота плавления
Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое.
Теплота плавления равна тому количеству теплоты, которое выделяется при кристаллизации вещества из жидкого состояния.
При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энергии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.
Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить $332$ Дж энергии, а для того чтобы расплавить $1$ кг свинца — $25$ кДж.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой $1$ кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.
Удельную теплоту плавления измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг) и обозначают греческой буквой $λ$ (лямбда).
Удельная теплота кристаллизации равна удельной теплоте плавления, поскольку при кристаллизации выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении. Так, например, при замерзании воды массой $1$ кг выделяются те же $332$ Дж энергии, которые нужны для превращения такой же массы льда в воду.
Чтобы найти количество теплоты, необходимое для плавления кристаллического тела произвольной массы, или теплоту плавления, надо удельную теплоту плавления этого тела умножить на его массу:
$Q=λm$
Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой $m$, следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:
$-Q=λm$
Удельная теплота сгорания
Теплота сгорания (или теплотворная способность, калорийность) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.
Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обычное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод. При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.
Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.
Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой $1$ кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.
Удельную теплоту сгорания обозначают буквой $q$ и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Количество теплоты $Q$, выделяющееся при сгорании $m$ кг топлива, определяют по формуле:
$Q=qm$
Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.
Уравнение теплового баланса
В замкнутой (изолированной от внешних тел) термодинамической системе изменение внутренней энергии какого-либо тела системы $∆U_i$ не может приводить к изменению внутренней энергии всей системы. Следовательно,
$∆U_1+∆U_2+∆U_3+…+∆U_n=∑↙{i}↖{n}∆U_i=0$
Если внутри системы не совершается работа никакими телами, то, согласно первому закону термодинамики, изменение внутренней энергии любого тела происходит только за счет обмена теплом с другими телами этой системы: $∆U_i=Q_i$. Учитывая ($∆U_1+∆U_2+∆U_3+…+∆U_n=∑↙{i}↖{n}∆U_i=0$), получим:
$Q_1+Q_2+Q_3+…+Q_n=∑↙{i}↖{n}Q_i=0$
Это уравнение называется уравнением теплового баланса. Здесь $Q_i$ — количество теплоты, полученное или отданное $i$-м телом. Любое из количеств теплоты $Q_i$ может означать теплоту, выделяемую или поглощаемую при плавлении какого-либо тела, сгорании топлива, испарении или конденсации пара, если такие процессы происходят с различными телами системы, и будут определятся соответствующими соотношениями.
Уравнение теплового баланса является математическим выражением закона сохранения энергии при теплообмене.
Для того чтобы нагреть на определённую величину тела, взятые при одинаковой температуре, изготовленные из различных веществ, но имеющие одинаковую массу, требуется разное количество теплоты.
Пример:
для нагревания (1) кг воды на (1°C) требуется количество теплоты, равное (4200) Дж. А если нагревать (1) кг цинка на (1°C), то потребуется всего (400) Дж.
Удельная теплоёмкость вещества — физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать веществу массой (1) кг для того, чтобы его температура изменилась на (1~°C).
([c]=1frac{Дж}{кг cdot °C}).
Пример:
по таблице удельной теплоёмкости твёрдых веществ находим, что удельная теплоёмкость алюминия составляет (c(Al)=920 frac{Дж}{кг cdot °C}). Поэтому при охлаждении (1) килограмма алюминия на (1) градус Цельсия ((°C)) выделяется (920) джоулей энергии. Столько же необходимо для нагревания (1) килограмма на алюминия на (1) градус Цельсия ((°C)).
Ниже представлены значения удельной теплоёмкости для некоторых веществ.
Твёрдые вещества
|
Вещество |
(c), Дж/(кг·°C) |
| Алюминий |
(920) |
| Бетон |
(880) |
| Дерево |
(2700) |
|
Железо, сталь |
(460) |
| Золото |
(130) |
| Кирпич |
(750) |
| Латунь |
(380) |
| Лёд |
(2100) |
| Медь |
(380) |
| Нафталин |
(1300) |
| Олово |
(230) |
| Парафин |
(3200) |
| Песок |
(970) |
| Платина |
(130) |
| Свинец |
(120) |
| Серебро |
(240) |
| Стекло |
(840) |
| Цемент |
(800) |
| Цинк |
(400) |
| Чугун |
(550) |
| Сера |
(710) |
Жидкости
|
Вещество |
(c), Дж/(кг·°C) |
| Вода |
(4200) |
| Глицерин |
(2400) |
| Керосин |
(2140) |
|
Масло подсолнечное |
(1700) |
|
Масло трансформаторное |
(2000) |
| Ртуть |
(120) |
|
Спирт этиловый |
(2400) |
|
Эфир серный |
(2300) |
Газы (при постоянном давлении и температуре (20°C))
|
Вещество |
(c), Дж/(кг·°C) |
| Азот |
(1000) |
| Аммиак |
(2100) |
| Водород |
(14300) |
|
Водяной пар |
(2200) |
| Воздух |
(1000) |
| Гелий |
(5200) |
| Кислород |
(920) |
|
Углекислый газ |
(830) |
Удельная теплоёмкость реальных газов, в отличие от идеальных газов, зависит от давления и температуры. И если зависимостью удельной теплоёмкости реальных газов от давления в практических задачах можно пренебречь, то зависимость удельной теплоёмкости газов от температуры необходимо учитывать, поскольку она очень существенна.
Обрати внимание!
Удельная теплоёмкость вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях, различна.
Пример:
вода в жидком состоянии имеет удельную теплоёмкость, равную (4200) Дж/(кг·°C), в твёрдом состоянии (лёд) — (2100) Дж/(кг·°C), в газообразном состоянии (водяной пар) — (2200) Дж/(кг·°C).
Вода — вещество особенное, обладающее самой высокой среди жидкостей удельной теплоёмкостью. Но самое интересное, что теплоёмкость воды снижается при температуре от (0°C) до (37°C) и снова растёт при дальнейшем нагревании (рис. (1)).
Рис. (1). График удельной теплоёмкости воды
В связи с этим вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из окружающей среды огромное количество теплоты. А зимой вода остывает и отдаёт в окружающую среду большое количество теплоты. Это явление оказывает влияние на климат данного региона. Летом здесь нет изнуряющей жары, а зимой — лютых морозов.
Высокая удельная теплоёмкость воды нашла широкое применение в различных областях: от медицинских грелок до систем отопления и охлаждения.
Задумывались ли вы, почему воду используют при тушении пожаров? Из-за большой теплоёмкости. При соприкосновении с горящим предметом вода забирает у него большое количество теплоты. Оно значительно больше, чем при использовании такого же количества любой другой жидкости.
Помимо непосредственного отвода тепла, вода гасит пламя ещё и косвенным образом. Водяной пар, образующийся при контакте с огнём, окутывает горящее тело, предотвращая поступление кислорода, без которого горение невозможно.
Какой водой эффективнее тушить огонь: горячей или холодной? Горячая вода тушит огонь быстрее, чем холодная. Дело в том, что нагретая вода скорее превратится в пар, а значит, и отсечёт поступление воздуха к горящему объекту.
Источники:
Рис. 1. Автор: Epop — собственная работа. Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10750129.
Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении:
Вы уже знаете, что изменить внутреннюю энергию тела можно передачей ему количества теплоты. Как связано изменение внутренней энергии тела, т. е. количество теплоты, с характеристиками самого тела?
Внутренняя энергия тела есть суммарная энергия всех его частиц. Значит, если массу данного тела увеличить в два или три раза, то и количество теплоты, необходимое для его нагревания на одно и то же число градусов, увеличится в два или три раза. Например, на нагревание двух килограммов воды от 20 °C до 80 °C потребуется в два раза больше теплоты, чем на нагревание одного килограмма воды (рис. 40, а).
Очевидно также, что для нагревания воды на 
Из этих рассуждений следует подтвержденный опытами вывод. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, прямо пропорционально его массе и изменению температуры.
А зависит ли количество теплоты, идущее на нагревание, от рода вещества, которое нагревается?
Для ответа на этот вопрос проведем опыт. В два одинаковых стакана нальем по 150 г подсолнечного масла и воды. Поместим в них термометры и поставим на нагреватель (рис. 41).
Получив за одинаковое время от нагревателя равное с водой количество теплоты, масло нагрелось больше, чем вода. Значит, для изменения температуры масла на одну и ту же величину требуется меньше теплоты, чем для изменения температуры такой же массы воды.
Поэтому для всех веществ вводят специальную величину — удельную теплоемкость вещества. Эту величину обозначают буквой с (от лат. capacite — емкость, вместимость). Теперь мы можем записать строгую формулу для количества теплоты, необходимого для нагревания:
Выразим из этой формулы с:
Удельная теплоемкость есть физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °C. Удельная теплоемкость измеряется в джоулях на килограмм-градус Цельсия 
Для любознательных:
Часто формулу 
записывают в виде 
Здесь величина 
называется теплоемкостью тела (обратите внимание — не вещества). Она численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания всей массы тела на 1 °C. Измеряется теплоемкость тела в джоулях на градус Цельсия 
В таблице 1 представлены значения удельной теплоемкости различных веществ (в различных состояниях). Как следует из этой таблицы, среди жидкостей максимальное значение удельной теплоемкости имеет вода: для нагревания 1 кг воды на 1 °C требуется 4200 Дж теплоты — это почти в 2,5 раза больше, чем для нагревания 1 кг подсолнечного масла, и в 35 раз больше, чем для нагревания 1 кг ртути.
Формула 
дает возможность найти и выделяемую при охлаждении тела теплоту. Так как конечная температура 
остывшего тела меньше начальной 
то изменение температуры оказывается отрицательным числом. Значит, и выделяемое телом количество теплоты выражается отрицательным числом, что обозначает не рост, а убыль внутренней энергии тела.
В заключение заметим, что при теплообмене двух или нескольких тел абсолютное значение количества теплоты, которое отдано более нагретым телом (телами), равно количеству теплоты, которое получено более холодным телом (телами):
Это равенство называется уравнением теплового баланса и выражает, по сути, закон сохранения энергии. Оно справедливо при отсутствии потерь теплоты.
Таблица 1. Удельная теплоемкость некоторых веществ
Главные выводы:
- Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (выделившееся при охлаждении), прямо пропорционально его массе, изменению температуры тела и зависит от вещества тела.
- Удельная теплоемкость вещества численно равна количеству теплоты, которое надо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °C.
- При теплообмене количество теплоты, отданное более горячим телом, равно по модулю количеству теплоты, полученному более холодным телом, если нет потерь теплоты.
- Заказать решение задач по физике
Пример решения задачи:
Для купания ребенка в ванночку влили холодную воду массой 
= 20 кг при температуре 
= 12 °C. Какую массу горячей воды при температуре 
= 80 °C нужно добавить в ванночку, чтобы окончательная температура воды стала 
= 37 °C? Удельная теплоемкость воды с = 4200 
Дано:
Решение
По закону сохранения энергии 
Отдавала теплоту горячая вода, изменяя свою температуру от 
Холодная вода получила эту теплоту и нагрелась от 
Так как нас интересует только модуль 
то можно записать:
Тогда 
При решении мы пренебрегали потерями теплоты на нагревание ванночки, окружающего воздуха и т. д.
Возможен и другой вариант решения.
Рассчитаем сначала количество теплоты, которое было получено холодной водой:
Полагая, что эта теплота отдана горячей водой, запишем: 
Выразим искомую массу:
Ответ: 
- Удельная теплота сгорания топлива
- Плавление и кристаллизация в физике
- Испарение жидкостей в физике
- Поверхностное натяжение жидкости
- Излучение тепла в физике
- Виды излучений в физике
- Инфракрасные излучения
- Количество теплоты в физике
«Количество теплоты. Удельная теплоёмкость»
Количество теплоты
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.
Удельная теплоёмкость обозначается буквой с. Единицей удельной теплоёмкости является 1 Дж/кг °С или 1 Дж/кг °К.
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:
- Перейти к следующему конспекту: «Уравнение теплового баланса»
- Вернуться к списку конспектов по Физике
- Посмотреть решение типовых задач на количество теплоты