Jak już wiemy, energia wewnętrzna ciała może się zmieniać zarówno podczas wykonywania pracy, jak i poprzez wymianę ciepła (bez wykonywania pracy). Zasadnicza różnica między pracą a ilością ciepła polega na tym, że praca określa proces przemiany energii wewnętrznej układu, któremu towarzyszy przemiana energii z jednego rodzaju na drugi.
W przypadku zmiany energii wewnętrznej za pomocą przenikanie ciepła, przeniesienie energii z jednego ciała na drugie odbywa się z powodu przewodność cieplna, promieniowanie lub konwekcja.
Nazywa się energię, którą ciało traci lub zyskuje podczas wymiany ciepła ilość ciepła.
Obliczając ilość ciepła, trzeba wiedzieć, jakie wielkości na nią wpływają.
Będziemy podgrzewać dwa naczynia za pomocą dwóch identycznych palników. Jedno naczynie zawiera 1 kg wody, drugie 2 kg. Temperatura wody w obu naczyniach jest początkowo taka sama. Widzimy, że w tym samym czasie woda w jednym z naczyń nagrzewa się szybciej, chociaż oba naczynia otrzymują równą ilość ciepła.
Zatem wnioskujemy: im większa masa danego ciała, tym więcej ciepła należy wydać, aby obniżyć lub podnieść jego temperaturę o tę samą liczbę stopni.
Kiedy ciało się ochładza, oddaje większą ilość ciepła sąsiadującym obiektom, im większa jest jego masa.
Wszyscy wiemy, że jeśli będziemy musieli podgrzać pełny czajnik z wodą do temperatury 50°C, poświęcimy na tę czynność mniej czasu niż podgrzanie czajnika z taką samą objętością wody, ale tylko do 100°C. W przypadku pierwszym do wody zostanie oddane mniej ciepła niż w przypadku drugim.
Zatem ilość ciepła potrzebna do ogrzewania zależy bezpośrednio od tego, czy ile stopni ciało może się rozgrzać. Możemy stwierdzić: ilość ciepła zależy bezpośrednio od różnicy temperatur ciała.
Ale czy można określić ilość ciepła potrzebną do podgrzania nie wody, ale innej substancji, powiedzmy ropy, ołowiu lub żelaza?
Napełnij jedno naczynie wodą, a drugie olejem roślinnym. Masy wody i oleju są równe. Obydwa naczynia będziemy podgrzewać równomiernie na identycznych palnikach. Rozpocznijmy doświadczenie w równych temperaturach początkowych oleju roślinnego i wody. Pięć minut później, po zmierzeniu temperatur podgrzanego oleju i wody, zauważymy, że temperatura oleju jest znacznie wyższa od temperatury wody, chociaż obie ciecze otrzymały taką samą ilość ciepła.
Oczywisty wniosek jest następujący: Podczas podgrzewania równych mas oleju i wody w tej samej temperaturze potrzebne są różne ilości ciepła.
I od razu wyciągamy kolejny wniosek: ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy bezpośrednio od substancji, z której składa się samo ciało (rodzaj substancji).
Zatem ilość ciepła potrzebnego do ogrzania ciała (lub uwolnionego podczas chłodzenia) zależy bezpośrednio od masy ciała, zmienności jego temperatury i rodzaju substancji.
Ilość ciepła oznaczona jest symbolem Q. Podobnie jak inne rodzaje energii, ilość ciepła mierzona jest w dżulach (J) lub kilodżulach (kJ).
1 kJ = 1000 J
Historia pokazuje jednak, że naukowcy zaczęli mierzyć ilość ciepła na długo przed pojawieniem się pojęcia energii w fizyce. Opracowano wówczas specjalną jednostkę do pomiaru ilości ciepła - kalorie (cal) lub kilokalorie (kcal). Słowo ma korzenie łacińskie, kalor - ciepło.
1 kcal = 1000 kalorii
Kaloria– jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 g wody o 1°C
1 kal = 4,19 J ≈ 4,2 J
1 kcal = 4190 J ≈ 4200 J ≈ 4,2 kJ
Nadal masz pytania? Nie wiesz jak odrobić pracę domową?
Aby uzyskać pomoc korepetytora zarejestruj się.
Pierwsza lekcja jest bezpłatna!
stronie internetowej, przy kopiowaniu materiału w całości lub w części wymagany jest link do źródła.
Kiedy mówimy o sposobach ogrzewania domu, możliwościach ograniczenia wycieków ciepła, musimy zrozumieć, czym jest ciepło, w jakich jednostkach jest mierzone, w jaki sposób jest przekazywane i w jaki sposób tracone. Na tej stronie znajdą się podstawowe informacje z kursu fizyki niezbędne do rozważenia wszystkich powyższych zagadnień.
Ciepło jest jednym ze sposobów przekazywania energii
Energia, którą ciało otrzymuje lub traci w procesie wymiany ciepła z otoczeniem, nazywana jest ilością ciepła lub po prostu ciepłem.
W ścisłym znaczeniu ciepło jest jednym ze sposobów przekazywania energii i tylko ilość energii przekazanej do układu ma znaczenie fizyczne, ale słowo „ciepło” zawarte jest w tak ustalonych koncepcjach naukowych, jak przepływ ciepła, pojemność cieplna, ciepło przemiany fazowej, ciepło reakcji chemicznej, przewodność cieplna itp. Dlatego też tam, gdzie użycie takiego słowa nie wprowadza w błąd, pojęcia „ciepło” i „ilość ciepła” są synonimami. Jednak terminów tych można używać tylko wtedy, gdy podano im dokładną definicję i w żadnym wypadku „ilość ciepła” nie może być uważana za jedno z oryginalnych pojęć, które nie wymagają definicji. Aby uniknąć błędów, pod pojęciem „ciepła” należy rozumieć właśnie sposób przekazywania energii, a ilość energii przekazywanej tą metodą określa się pojęciem „ilości ciepła”. Zaleca się unikanie określenia „energia cieplna”.
Ciepło jest częścią kinetyczną energii wewnętrznej substancji, określoną przez intensywny chaotyczny ruch cząsteczek i atomów, z których składa się ta substancja. Temperatura jest miarą intensywności ruchu molekularnego. Ilość ciepła posiadanego przez ciało w danej temperaturze zależy od jego masy; np. w tej samej temperaturze duży kubek wody zawiera więcej ciepła niż mały, a wiadro zimnej wody może zawierać więcej ciepła niż kubek gorącej wody (chociaż temperatura wody w wiadrze jest niższa) .
Ciepło jest formą energii i dlatego należy je mierzyć w jednostkach energii. Jednostką energii w układzie SI jest dżul (J). Można także zastosować niesystemową jednostkę ilości ciepła – kalorie: międzynarodowa kaloria wynosi 4,1868 J.
Wymiana ciepła i przenoszenie ciepła
Przenikanie ciepła to proces przenoszenia ciepła w obrębie ciała lub z jednego ciała do drugiego w wyniku różnic temperatur. Intensywność wymiany ciepła zależy od właściwości substancji, różnicy temperatur i jest zgodna z ustalonymi eksperymentalnie prawami natury. Aby stworzyć sprawnie działające systemy ogrzewania lub chłodzenia, różne silniki, elektrownie i systemy izolacji termicznej, trzeba znać zasady wymiany ciepła. W niektórych przypadkach wymiana ciepła jest niepożądana (izolacja termiczna pieców do wytapiania, statków kosmicznych itp.), w innych zaś powinna być jak największa (kotły parowe, wymienniki ciepła, przybory kuchenne). Istnieją trzy główne rodzaje wymiany ciepła: przewodzenie, konwekcja i promieniowanie cieplne.
Przewodność cieplna
Jeśli wewnątrz ciała występuje różnica temperatur, energia cieplna przemieszcza się z cieplejszej części ciała do zimniejszej. Ten rodzaj wymiany ciepła, powodowany ruchami termicznymi i zderzeniami cząsteczek, nazywany jest przewodnością cieplną. Przewodność cieplną pręta szacuje się na podstawie wartości Przepływ ciepła, który zależy od współczynnika przewodzenia ciepła, pola przekroju poprzecznego, przez które ciepło jest przekazywane oraz gradientu temperatury (stosunek różnicy temperatur na końcach pręta do odległości między nimi). Jednostką przepływu ciepła jest wat.
PRZEWODNICTWO CIEPLNE NIEKTÓRYCH SUBSTANCJI I MATERIAŁÓW
Substancje i materiały Przewodność cieplna, W/(m^2*K)
Metale
Aluminium ______205
Brąz ______________________105
Wolfram ____________________159
Żelazo ________________67
Miedź __________389
Nikiel ______________________________58
Ołów ______________________________35
Cynk ________________________113
Inne materiały
Azbest __________0,08
Beton _________________________________0,59
Powietrze __________0,024
Puch edredona (luźny) ______0,008
Drewno (orzech) ________________0,209
Trociny __________0,059
Guma (gąbka) ____________0,038
Szkło __________0,75
Konwekcja
Konwekcja to wymiana ciepła spowodowana ruchem mas powietrza lub cieczy. Kiedy ciepło jest dostarczane do cieczy lub gazu, intensywność ruchu molekularnego wzrasta, a co za tym idzie, wzrasta ciśnienie. Jeśli objętość cieczy lub gazu nie jest ograniczona, wówczas rozszerza się; lokalna gęstość cieczy (gazu) maleje, a dzięki siłom wyporu (Archimedesa) nagrzana część ośrodka przemieszcza się do góry (dlatego ciepłe powietrze w pomieszczeniu unosi się od grzejników do sufitu). W prostych przypadkach przepływu płynu przez rurę lub przepływu po płaskiej powierzchni, współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła można obliczyć teoretycznie. Jednakże nie udało się dotychczas znaleźć analitycznego rozwiązania problemu konwekcji dla turbulentnego przepływu ośrodka.
Promieniowanie cieplne
Trzeci rodzaj wymiany ciepła - przenoszenie ciepła przez promieniowanie - różni się od przewodnictwa cieplnego i konwekcji tym, że ciepło w tym przypadku może być przenoszone przez próżnię. Jego podobieństwo do innych metod wymiany ciepła polega na tym, że jest ono również spowodowane różnicami temperatur. Promieniowanie cieplne jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego.
Słońce jest potężnym emiterem energii cieplnej; ogrzewa Ziemię nawet na odległość 150 milionów km. Natężenie promieniowania słonecznego wynosi około 1,37 W/m2.
Szybkość wymiany ciepła przez przewodzenie i konwekcję jest proporcjonalna do temperatury, a strumień ciepła promieniowania jest proporcjonalny do czwartej potęgi temperatury.
Pojemność cieplna
Różne substancje mają różną zdolność magazynowania ciepła; zależy to od ich struktury molekularnej i gęstości. Ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury jednostki masy substancji o jeden stopień (1°C lub 1 K) nazywa się jej ciepłem właściwym. Pojemność cieplną mierzy się w J/(kg·K).
Zwykle rozróżnia się pojemność cieplną przy stałej objętości ( C V) i pojemność cieplna przy stałym ciśnieniu ( Z P), jeżeli podczas procesu ogrzewania odpowiednio objętość ciała lub ciśnienie utrzymuje się na stałym poziomie. Na przykład, aby ogrzać jeden gram powietrza w balonie o 1 K, potrzeba więcej ciepła niż do tego samego ogrzewania w szczelnym naczyniu o sztywnych ściankach, ponieważ część energii przekazanej balonowi jest zużywana na rozprężanie powietrza i nie na podgrzewaniu. Podczas ogrzewania pod stałym ciśnieniem część ciepła jest wykorzystywana do wytworzenia pracy rozszerzania ciała, a część do zwiększania jego energii wewnętrznej, natomiast przy ogrzewaniu do stałej objętości całe ciepło jest wydawane na zwiększanie energii wewnętrznej; z tego powodu S. R zawsze więcej niż C V. W cieczach i ciałach stałych różnica między S. R I C V relatywnie mały.
Maszyny termiczne
Silniki cieplne to urządzenia przekształcające ciepło w użyteczną pracę. Przykładami takich maszyn są sprężarki, turbiny, silniki parowe, benzynowe i odrzutowe. Jednym z najbardziej znanych silników cieplnych jest turbina parowa, stosowana w nowoczesnych elektrowniach cieplnych. Uproszczony schemat takiej elektrowni pokazano na rysunku 1.
Ryż. 1. Uproszczony schemat elektrowni z turbiną parową zasilanej paliwami kopalnymi.
Płyn roboczy, woda, jest przekształcany w parę przegrzaną w kotle parowym, podgrzewaną poprzez spalanie paliw kopalnych (węgiel, ropa naftowa lub gaz ziemny). Para pod wysokim ciśnieniem obraca wał turbiny parowej, która napędza generator wytwarzający energię elektryczną. Para wylotowa skrapla się po schłodzeniu bieżącą wodą, która pochłania część ciepła. Następnie woda doprowadzana jest do wieży chłodniczej, skąd część ciepła oddawana jest do atmosfery. Kondensat zawracany jest do kotła parowego za pomocą pompy i cały cykl się powtarza.
Innym przykładem silnika cieplnego jest lodówka domowa, której schemat pokazano na ryc. 2.
W lodówkach i klimatyzatorach domowych energia do jej zapewnienia dostarczana jest z zewnątrz. Sprężarka podnosi temperaturę i ciśnienie substancji roboczej lodówki - freonu, amoniaku lub dwutlenku węgla. Przegrzany gaz kierowany jest do skraplacza, gdzie schładza się i skrapla, uwalniając ciepło do otoczenia. Ciecz opuszczająca rury skraplacza przechodzi przez zawór dławiący do parownika, gdzie jej część odparowuje, czemu towarzyszy gwałtowny spadek temperatury. Parownik odbiera ciepło z komory lodówki, która podgrzewa płyn roboczy w rurach; ciecz ta jest dostarczana przez sprężarkę do skraplacza i cykl się powtarza.
W naszym artykule skupimy się na ilości ciepła. Rozważymy koncepcję energii wewnętrznej, która ulega przemianie, gdy zmienia się ta ilość. Pokażemy także kilka przykładów zastosowania obliczeń w działalności człowieka.
Ciepło
Każdy człowiek ma swoje skojarzenia z dowolnym słowem w swoim ojczystym języku. Determinują je osobiste doświadczenia i irracjonalne uczucia. O czym zazwyczaj myślisz, gdy słyszysz słowo „ciepło”? Miękki koc, działający grzejnik centralnego ogrzewania zimą, pierwsze promienie słońca na wiosnę, kot. Lub spojrzenie matki, pocieszające słowo przyjaciela, uwaga w odpowiednim czasie.
Fizycy mają na myśli bardzo specyficzny termin. I bardzo ważne, szczególnie w niektórych sekcjach tej złożonej, ale fascynującej nauki.
Termodynamika
Nie warto rozważać ilości ciepła w oderwaniu od najprostszych procesów, na których opiera się prawo zachowania energii – nic nie będzie jasne. Dlatego najpierw przypomnijmy o nich naszym czytelnikom.
Termodynamika uważa każdą rzecz lub obiekt za połączenie bardzo dużej liczby części elementarnych - atomów, jonów, cząsteczek. Jego równania opisują każdą zmianę zbiorczego stanu systemu jako całości i jako części całości, gdy zmieniają się makroparametry. To ostatnie odnosi się do temperatury (oznaczanej jako T), ciśnienia (P), stężenia składników (zwykle C).
Energia wewnętrzna
Energia wewnętrzna jest dość złożonym terminem, którego znaczenie warto zrozumieć, zanim zaczniemy mówić o ilości ciepła. Oznacza energię, która zmienia się wraz ze wzrostem lub spadkiem wartości makroparametrów obiektu i jest niezależna od układu odniesienia. Jest częścią całkowitej energii. Zbiega się z tym w warunkach, gdy środek masy badanego przedmiotu znajduje się w spoczynku (to znaczy nie ma składnika kinetycznego).
Kiedy dana osoba czuje, że obiekt (powiedzmy rower) nagrzał się lub ostygł, oznacza to, że wszystkie cząsteczki i atomy tworzące ten układ doświadczyły zmiany energii wewnętrznej. Stała temperatura nie oznacza jednak zachowania tego wskaźnika.
Praca i ciepło
Energię wewnętrzną dowolnego układu termodynamicznego można przekształcić na dwa sposoby:
- wykonując nad tym pracę;
- podczas wymiany ciepła z otoczeniem.
Formuła tego procesu wygląda następująco:
dU=Q-A, gdzie U to energia wewnętrzna, Q to ciepło, A to praca.
Niech czytelnik nie da się zwieść prostocie wyrażenia. Przegrupowanie pokazuje, że Q=dU+A, jednak wprowadzenie entropii (S) sprowadza wzór do postaci dQ=dSxT.
Ponieważ w tym przypadku równanie ma postać różniczkową, pierwsze wyrażenie wymaga tego samego. Następnie w zależności od sił działających w badanym obiekcie i obliczanego parametru wyprowadza się wymagany współczynnik.
Weźmy metalową kulkę jako przykład układu termodynamicznego. Jeśli go naciśniesz, wyrzucisz, wrzucisz do głębokiej studni, oznacza to pracę nad nim. Na zewnątrz wszystkie te nieszkodliwe działania nie spowodują żadnej szkody dla piłki, ale jej energia wewnętrzna zmieni się, choć bardzo nieznacznie.
Drugą metodą jest wymiana ciepła. Teraz dochodzimy do głównego celu tego artykułu: opisu ilości ciepła. Jest to zmiana energii wewnętrznej układu termodynamicznego, która zachodzi podczas wymiany ciepła (patrz wzór powyżej). Mierzy się ją w dżulach lub kaloriach. Oczywiście, jeśli trzymasz piłkę nad zapalniczką, na słońcu lub po prostu w ciepłej dłoni, nagrzeje się. Następnie możesz wykorzystać zmianę temperatury, aby znaleźć ilość ciepła, która została mu przekazana.
Dlaczego gaz jest najlepszym przykładem zmiany energii wewnętrznej i dlaczego uczniowie nie lubią fizyki z tego powodu
Powyżej opisaliśmy zmiany parametrów termodynamicznych metalowej kulki. Bez specjalnych urządzeń nie są one zbyt zauważalne, a czytelnik może jedynie wierzyć na słowo o procesach zachodzących z obiektem. Inną sprawą jest to, czy instalacja jest zasilana gazem. Naciśnij na to - będzie widoczne, podgrzej - ciśnienie wzrośnie, spuść je pod ziemię - i będzie można to łatwo zarejestrować. Dlatego w podręcznikach gaz jest najczęściej używany jako wizualny układ termodynamiczny.
Ale, niestety, we współczesnej edukacji niewiele uwagi poświęca się prawdziwym doświadczeniom. Naukowiec piszący podręcznik metodologiczny doskonale rozumie, o co toczy się gra. Wydaje mu się, że na przykładzie cząsteczek gazu uda się właściwie wykazać wszystkie parametry termodynamiczne. Ale studenta, który dopiero odkrywa ten świat, nudzi słuchanie o kolbie idealnej z teoretycznym tłokiem. Gdyby szkoła miała prawdziwe laboratoria badawcze i przydzielała w nich godziny pracy, sytuacja wyglądałaby inaczej. Niestety, na razie eksperymenty są tylko na papierze. I najprawdopodobniej właśnie z tego powodu ludzie uważają tę gałąź fizyki za coś czysto teoretycznego, dalekiego od życia i niepotrzebnego.
Dlatego też jako przykład postanowiliśmy posłużyć się wspomnianym już wcześniej rowerem. Osoba naciska na pedały i wykonuje na nich pracę. Oprócz przekazania momentu obrotowego całemu mechanizmowi (dzięki któremu rower porusza się w przestrzeni), zmienia się energia wewnętrzna materiałów, z których wykonane są dźwignie. Rowerzysta naciska uchwyty, aby skręcić, i ponownie wykonuje swoją pracę.
Energia wewnętrzna powłoki zewnętrznej (tworzywa sztucznego lub metalu) wzrasta. Osoba wyjeżdża na polanę w pełnym słońcu - rower się nagrzewa, zmienia się ilość ciepła. Zatrzymuje się, aby odpocząć w cieniu starego dębu, a system schładza się, tracąc kalorie lub dżule. Zwiększa prędkość - zwiększa wymianę energii. Jednak obliczenie ilości ciepła we wszystkich tych przypadkach pokaże bardzo małą, niezauważalną wartość. Dlatego wydaje się, że w prawdziwym życiu nie ma przejawów fizyki termodynamicznej.
Zastosowanie obliczeń zmian ilości ciepła
Czytelnik zapewne powie, że to wszystko jest bardzo pouczające, ale dlaczego tak męczymy się w szkole tymi formułami? A teraz podamy przykłady, w jakich obszarach ludzkiej działalności są one bezpośrednio potrzebne i jak dotyczy to każdego w jego codziennym życiu.
Najpierw rozejrzyj się wokół siebie i policz: ile metalowych przedmiotów Cię otacza? Pewnie więcej niż dziesięć. Ale zanim stanie się spinaczem do papieru, karetką, pierścionkiem lub dyskiem flash, każdy metal ulega wytopowi. Każdy zakład przetwarzający np. rudę żelaza musi wiedzieć, ile paliwa potrzebuje, aby zoptymalizować koszty. A przy obliczaniu tego należy znać pojemność cieplną surowca zawierającego metal i ilość ciepła, jaką należy mu przekazać, aby zaszły wszystkie procesy technologiczne. Ponieważ energię uwolnioną przez jednostkę paliwa oblicza się w dżulach lub kaloriach, wzory są potrzebne bezpośrednio.
Albo inny przykład: większość supermarketów ma dział z mrożonkami - rybami, mięsem, owocami. Tam, gdzie surowce pochodzące z mięsa zwierzęcego lub owoców morza przekształcane są w półprodukty, należy wiedzieć, ile energii elektrycznej zużyją urządzenia chłodnicze i zamrażające na tonę lub jednostkę gotowego produktu. Aby to zrobić, musisz obliczyć, ile ciepła traci kilogram truskawek lub kalmarów po schłodzeniu o jeden stopień Celsjusza. Ostatecznie pokaże to, ile prądu zużyje zamrażarka o określonej mocy.
Samoloty, statki, pociągi
Powyżej pokazaliśmy przykłady stosunkowo nieruchomych, statycznych obiektów, którym przekazywana jest pewna ilość ciepła lub odwrotnie, pewna ilość ciepła jest odbierana. W przypadku obiektów poruszających się w warunkach stale zmieniającej się temperatury podczas pracy obliczenia ilości wydzielanego ciepła są ważne z jeszcze jednego powodu.
Istnieje coś takiego jak „zmęczenie metalu”. Obejmuje również maksymalne dopuszczalne obciążenia przy określonej szybkości zmian temperatury. Wyobraź sobie samolot startujący z wilgotnych tropików do zamarzniętych górnych warstw atmosfery. Inżynierowie muszą ciężko pracować, aby nie rozpadł się z powodu pęknięć w metalu, które pojawiają się pod wpływem zmiany temperatury. Poszukują składu stopu, który wytrzymuje rzeczywiste obciążenia i ma duży margines bezpieczeństwa. Aby nie szukać na ślepo, mając nadzieję przypadkowo natknąć się na pożądaną kompozycję, trzeba wykonać wiele obliczeń, w tym uwzględniających zmiany ilości ciepła.
Na tej lekcji nauczymy się obliczać ilość ciepła potrzebnego do ogrzania ciała lub oddanego przez nie podczas chłodzenia. W tym celu podsumujemy wiedzę zdobytą na poprzednich lekcjach.
Dodatkowo nauczymy się, korzystając ze wzoru na ilość ciepła, wyrazić pozostałe wielkości z tego wzoru i obliczyć je, znając inne wielkości. Rozważony zostanie także przykład problemu z rozwiązaniem obliczenia ilości ciepła.
Lekcja ta poświęcona jest obliczeniu ilości ciepła wydzielanego podczas ogrzewania ciała lub wydzielania go po ochłodzeniu.
Bardzo ważna jest umiejętność obliczenia wymaganej ilości ciepła. Może to być potrzebne na przykład przy obliczaniu ilości ciepła, jaką należy przekazać wodzie, aby ogrzać pomieszczenie.
Ryż. 1. Ilość ciepła, jaką należy przekazać wodzie, aby ogrzać pomieszczenie
Lub obliczyć ilość ciepła uwalnianego podczas spalania paliwa w różnych silnikach:
Ryż. 2. Ilość ciepła wydzielanego podczas spalania paliwa w silniku
Wiedza ta jest także potrzebna np. do określenia ilości ciepła wydzielanego przez Słońce i padającego na Ziemię:
Ryż. 3. Ilość ciepła wydzielanego przez Słońce i padającego na Ziemię
Aby obliczyć ilość ciepła, musisz wiedzieć trzy rzeczy (ryc. 4):
- masa ciała (którą zwykle można zmierzyć za pomocą wagi);
- różnica temperatur, o jaką ciało musi zostać ogrzane lub schłodzone (zwykle mierzona za pomocą termometru);
- pojemność cieplna właściwa ciała (którą można wyznaczyć z tabeli).
Ryż. 4. Co musisz wiedzieć, aby to ustalić
Wzór na obliczenie ilości ciepła wygląda następująco:
We wzorze tym pojawiają się następujące ilości:
Ilość ciepła mierzona w dżulach (J);
Ciepło właściwe substancji mierzy się w;
- różnica temperatur mierzona w stopniach Celsjusza ().
Rozważmy problem obliczenia ilości ciepła.
Zadanie
Szkło miedziane o masie gramów zawiera wodę o objętości litra i temperaturze. Ile ciepła należy przekazać szklance wody, aby jej temperatura była równa?
Ryż. 5. Ilustracja warunków problemowych
Najpierw zapisujemy krótki warunek ( Dany) i przeliczyć wszystkie wielkości na system międzynarodowy (SI).
|
Dany: |
SI |
|
|
Znajdować: |
Rozwiązanie:
Najpierw określ, jakie inne wielkości potrzebujemy, aby rozwiązać ten problem. Korzystając z tabeli pojemności cieplnej właściwej (Tabela 1) znajdujemy (ciepło właściwe miedzi, ponieważ w danym stanie szkło jest miedziane), (ciepło właściwe wody, ponieważ w zależności od stanu w szkle znajduje się woda). Ponadto wiemy, że do obliczenia ilości ciepła potrzebna jest masa wody. Zgodnie z warunkiem otrzymujemy tylko objętość. Dlatego z tabeli pobieramy gęstość wody: (Tabela 2).
Tabela 1. Ciepło właściwe niektórych substancji,
Tabela 2. Gęstości niektórych cieczy
Teraz mamy wszystko, czego potrzebujemy, aby rozwiązać ten problem.
Należy pamiętać, że ostateczna ilość ciepła będzie składać się z sumy ilości ciepła potrzebnego do ogrzania miedzianego szkła i ilości ciepła potrzebnego do podgrzania znajdującej się w nim wody:
Najpierw obliczmy ilość ciepła potrzebną do ogrzania szkła miedzianego:
Przed obliczeniem ilości ciepła potrzebnego do ogrzania wody obliczmy masę wody korzystając ze wzoru znanego nam z klasy 7:
Teraz możemy obliczyć:
Następnie możemy obliczyć:
Pamiętajmy, co oznaczają kilodżule. Przedrostek „kilo” oznacza 
.
Odpowiedź:.
Dla wygody rozwiązywania problemów ze znalezieniem ilości ciepła (tzw. problemów bezpośrednich) i wielkości związanych z tym pojęciem można skorzystać z poniższej tabeli.
|
Wymagana ilość |
Przeznaczenie |
Jednostki |
Podstawowa formuła |
Wzór na ilość |
|
Ilość ciepła |
(lub transfer ciepła).
Ciepło właściwe substancji.
Pojemność cieplna- jest to ilość ciepła pochłonięta przez ciało podgrzane o 1 stopień.
Pojemność cieplna ciała jest oznaczona wielką literą łacińską Z.
Od czego zależy pojemność cieplna ciała? Przede wszystkim z jego masy. Oczywiste jest, że podgrzanie na przykład 1 kilograma wody będzie wymagało więcej ciepła niż podgrzanie 200 gramów.
A co z rodzajem substancji? Zróbmy eksperyment. Weźmy dwa identyczne naczynia i wlewając do jednego z nich wodę o masie 400 g, a do drugiego olej roślinny o masie 400 g, zaczniemy je podgrzewać za pomocą identycznych palników. Obserwując wskazania termometru zobaczymy, że olej szybko się nagrzewa. Aby ogrzać wodę i olej do tej samej temperatury, wodę należy podgrzewać dłużej. Ale im dłużej podgrzewamy wodę, tym więcej ciepła otrzymuje ona z palnika.
Zatem ogrzanie tej samej masy różnych substancji do tej samej temperatury wymaga różnej ilości ciepła. Ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała, a co za tym idzie, jego pojemność cieplna, zależą od rodzaju substancji, z której zbudowane jest ciało.
I tak np. do ogrzania wody o masie 1 kg o 1°C potrzeba ciepła 4200 J, a do ogrzania tej samej masy oleju słonecznikowego o 1°C ilość ciepła równa Wymagane jest 1700 J.
Nazywa się wielkość fizyczną pokazującą, ile ciepła potrzeba do ogrzania 1 kg substancji o 1 ° C specyficzna pojemność cieplna tej substancji.
Każda substancja ma swoją pojemność cieplną właściwą, oznaczoną łacińską literą c i mierzoną w dżulach na kilogram stopnia (J/(kg °C)).
Ciepło właściwe tej samej substancji w różnych stanach skupienia (stałym, ciekłym i gazowym) jest różne. Na przykład ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/(kg °C), a ciepło właściwe lodu wynosi 2100 J/(kg °C); aluminium w stanie stałym ma ciepło właściwe 920 J/(kg - °C), a w stanie ciekłym - 1080 J/(kg - °C).
Należy pamiętać, że woda ma bardzo duże ciepło właściwe. Dlatego też woda w morzach i oceanach nagrzewając się latem, pochłania dużą ilość ciepła z powietrza. Dzięki temu w miejscach położonych w pobliżu dużych zbiorników wodnych lato nie jest tak gorące, jak w miejscach oddalonych od wody.
Obliczanie ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała lub wydzielanego przez nie podczas chłodzenia.
Z powyższego jasno wynika, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy od rodzaju substancji, z której ciało się składa (tj. jego ciepła właściwego) oraz od masy ciała. Wiadomo też, że ilość ciepła zależy od tego, o ile stopni będziemy podnosić temperaturę ciała.
Aby więc określić ilość ciepła potrzebną do ogrzania ciała lub uwolnioną przez nie podczas chłodzenia, należy pomnożyć pojemność cieplną właściwą ciała przez jego masę i różnicę między jego temperaturą końcową i początkową:
Q = cm (T 2 - T 1 ) ,
Gdzie Q- ilość ciepła, C- specyficzna pojemność cieplna, M- masa ciała, T 1 — temperatura początkowa, T 2 — temperatura końcowa.
Kiedy ciało się nagrzewa t2 > T 1 i dlatego Q > 0 . Kiedy ciało się ochłodzi t 2i< T 1 i dlatego Q< 0 .
Jeśli znana jest pojemność cieplna całego ciała Z, Q określone wzorem:
Q = C (t 2 - T 1 ) .