Begrebet varmemængde blev dannet i de tidlige stadier af udviklingen af moderne fysik, hvor der ikke var klare ideer om stoffets indre struktur, hvad energi er, hvilke energiformer der findes i naturen og om energi som form af bevægelse og transformation af stof.
Mængden af varme forstås som en fysisk størrelse svarende til den energi, der overføres til et materialelegeme i varmeudvekslingsprocessen.
Den forældede varmeenhed er kalorien, svarende til 4,2 J i dag bruges denne enhed praktisk talt ikke, og joule har taget sin plads.
Til at begynde med antog man, at bæreren af termisk energi var et eller andet fuldstændig vægtløst medium med en væskes egenskaber. Talrige fysiske problemer med varmeoverførsel er blevet og bliver stadig løst baseret på denne forudsætning. Eksistensen af hypotetisk kalorieindhold var grundlaget for mange i det væsentlige korrekte konstruktioner. Det blev antaget, at kalorier frigives og absorberes i fænomenerne opvarmning og afkøling, smeltning og krystallisation. De korrekte ligninger for varmeoverførselsprocesser blev opnået baseret på forkerte fysiske begreber. Der er en kendt lov, ifølge hvilken mængden af varme er direkte proportional med massen af kroppen, der deltager i varmevekslingen og temperaturgradienten:
Hvor Q er mængden af varme, m er kropsmassen og koefficienten Med– en mængde kaldet specifik varmekapacitet. Specifik varmekapacitet er en egenskab ved et stof, der er involveret i en proces.
Arbejde med termodynamik
Som et resultat af termiske processer kan der udføres rent mekanisk arbejde. For eksempel, når en gas opvarmes, øger den dens volumen. Lad os tage en situation som billedet nedenfor:
I dette tilfælde vil det mekaniske arbejde være lig med kraften af gastrykket på stemplet multipliceret med den vej, stemplet tilbagelægger under tryk. Selvfølgelig er dette det enkleste tilfælde. Men selv i den kan man bemærke en vanskelighed: Trykkraften vil afhænge af gassens volumen, hvilket betyder, at vi ikke har at gøre med konstanter, men med variable mængder. Da alle tre variable: tryk, temperatur og volumen er relateret til hinanden, bliver beregningsarbejdet væsentligt mere kompliceret. Der er nogle ideelle, uendeligt langsomme processer: isobariske, isotermiske, adiabatiske og isokoriske - for hvilke sådanne beregninger kan udføres relativt enkelt. En graf over tryk versus volumen plottes, og arbejdet beregnes som et integral af formen.
Den indre energi i en krop kan ændre sig på grund af ydre kræfters arbejde. For at karakterisere ændringen i indre energi under varmeoverførsel indføres en mængde kaldet varmemængden og betegnet Q.
I det internationale system er enheden for varme, såvel som arbejde og energi, joule: = = = 1 J.
I praksis bruges nogle gange en ikke-systemisk enhed af varmemængde - kalorien. 1 cal. = 4,2 J.
Det skal bemærkes, at udtrykket "varmemængde" er uheldigt. Det blev introduceret på et tidspunkt, hvor man troede, at kroppe indeholdt noget vægtløs, undvigende væske - kalorieindhold. Processen med varmeveksling består angiveligt i det faktum, at kalorieindhold, der strømmer fra en krop til en anden, bærer en vis mængde varme med sig. Nu, ved at kende det grundlæggende i den molekylære kinetiske teori om stoffets struktur, forstår vi, at der ikke er nogen kalorie i kroppen, mekanismen til at ændre den indre energi i en krop er anderledes. Traditionens magt er dog stor, og vi fortsætter med at bruge et begreb, der er introduceret på baggrund af forkerte forestillinger om varmens natur. På samme tid, når man forstår karakteren af varmeoverførsel, bør man ikke helt ignorere misforståelser om det. Tværtimod, ved at tegne en analogi mellem strømmen af varme og strømmen af en hypotetisk væske af kalorie, mængden af varme og mængden af kalorie, når man løser visse klasser af problemer, er det muligt at visualisere de igangværende processer og korrekt løse problemerne. I sidste ende blev de korrekte ligninger, der beskriver varmeoverførselsprocesser, engang opnået på grundlag af forkerte ideer om kalorieindhold som varmebærer.
Lad os overveje mere detaljeret de processer, der kan opstå som følge af varmeveksling.
Hæld lidt vand i reagensglasset og luk det med en prop. Vi hænger reagensglasset fra en stang fastgjort i et stativ og placerer åben ild under det. Reagensglasset modtager en vis mængde varme fra flammen, og temperaturen på væsken i det stiger. Når temperaturen stiger, stiger væskens indre energi. En intensiv fordampningsproces finder sted. Ekspanderende væskedampe udfører mekanisk arbejde for at skubbe proppen ud af reagensglasset.
Lad os udføre endnu et eksperiment med en model af en kanon lavet af et stykke messingrør, som er monteret på en vogn. På den ene side er røret tæt lukket med en ebonitprop, hvorigennem en stift føres. Ledninger loddes til stiften og røret, der ender i terminaler, hvortil der kan tilføres spænding fra lysnettet. Kanonmodellen er således en type el-kedel.
 |
Hæld lidt vand i kanonløbet og luk røret med en gummiprop. Lad os forbinde pistolen til en strømkilde. Elektrisk strøm, der går gennem vandet, opvarmer det. Vandet koger, hvilket fører til intens dampdannelse. Trykket af vanddamp stiger, og endelig gør de arbejdet med at skubbe proppen ud af pistolløbet.
Pistolen ruller på grund af rekyl væk i den modsatte retning af proppens udkast.
Begge oplevelser er forenet af følgende omstændigheder. I processen med at opvarme væsken på forskellige måder steg væskens temperatur og følgelig dens indre energi. For at væsken kunne koge og fordampe intensivt, var det nødvendigt at fortsætte opvarmningen.
Flydende dampe udførte på grund af deres indre energi mekanisk arbejde.
 |
Vi undersøger afhængigheden af mængden af varme, der kræves for at opvarme et legeme af dets masse, temperaturændringer og typen af stof. For at studere disse afhængigheder vil vi bruge vand og olie. (Til at måle temperaturen i forsøget bruges et elektrisk termometer lavet af et termoelement forbundet med et spejlgalvanometer. Den ene termoelementforbindelse sænkes ned i en beholder med koldt vand for at sikre dens konstante temperatur. Den anden termoelementforbindelse måler væskens temperatur. under undersøgelse).
Oplevelsen består af tre serier. I den første serie, for en konstant masse af en specifik væske (i vores tilfælde vand), studeres afhængigheden af den mængde varme, der kræves for at opvarme den på temperaturændringer. Vi vil bedømme mængden af varme, som væsken modtager fra varmelegemet (elektrisk komfur) ud fra opvarmningstiden, idet vi antager, at der er et direkte proportionalt forhold mellem dem. For at resultatet af forsøget svarer til denne antagelse, er det nødvendigt at sikre en stationær varmestrøm fra den elektriske komfur til den opvarmede krop. For at gøre dette blev den elektriske komfur tændt på forhånd, så ved begyndelsen af eksperimentet ville temperaturen på dens overflade ophøre med at ændre sig. For at opvarme væsken mere jævnt under forsøget, vil vi røre den ved hjælp af selve termoelementet. Vi vil registrere termometeraflæsningerne med jævne mellemrum, indtil lyspletten når kanten af skalaen.
Lad os konkludere: der er et direkte proportionalt forhold mellem mængden af varme, der kræves for at opvarme et legeme og ændringen i dets temperatur.
I den anden række af eksperimenter vil vi sammenligne de mængder varme, der kræves for at opvarme identiske væsker af forskellig masse, når deres temperatur ændres med samme mængde.
For at gøre det nemmere at sammenligne de opnåede værdier, vil vi tage vandmassen til det andet eksperiment til at være halvdelen af det i det første eksperiment.
Vi vil igen registrere termometeraflæsningerne med jævne mellemrum.
Ved at sammenligne resultaterne af det første og andet forsøg kan følgende konklusioner drages.
I den tredje række af eksperimenter vil vi sammenligne de mængder varme, der kræves for at opvarme lige store masser af forskellige væsker, når deres temperatur ændres med samme mængde.
Vi vil opvarme olie på et elektrisk komfur, hvis masse er lig med massen af vand i det første eksperiment. Vi vil registrere termometeraflæsningerne med jævne mellemrum.
Resultatet af eksperimentet bekræfter konklusionen om, at mængden af varme, der kræves for at opvarme et legeme, er direkte proportional med ændringen i dets temperatur og angiver desuden afhængigheden af denne varmemængde af typen af stof.
Da man i forsøget brugte olie, hvis massefylde er mindre end vands massefylde, og opvarmning af olien til en bestemt temperatur krævede mindre varme end opvarmning af vand, kan det antages, at mængden af varme, der kræves for at opvarme et legeme, afhænger af dets massefylde.
For at teste denne antagelse vil vi samtidig opvarme lige store masser af vand, paraffin og kobber på en konstant effektvarmer.
Efter samme tid er temperaturen af kobber cirka 10 gange, og paraffin cirka 2 gange højere end temperaturen af vand.
Men kobber har en højere densitet og paraffin har en lavere densitet end vand.
Erfaringen viser, at den mængde, der kendetegner hastigheden af ændring i temperatur af de stoffer, hvoraf de legemer, der er involveret i varmevekslingen er lavet, ikke er densitet. Denne mængde kaldes et stofs specifikke varmekapacitet og betegnes med bogstavet c.
 |
En speciel enhed bruges til at sammenligne forskellige stoffers specifikke varmekapacitet. Enheden består af stativer, hvori en tynd paraffinplade og en strimmel med stænger ført igennem den er fastgjort. Aluminium-, stål- og messingcylindre af samme masse er fastgjort i enderne af stængerne.
Lad os opvarme cylindrene til samme temperatur ved at nedsænke dem i en beholder med vand stående på et varmt komfur. Vi fastgør de varme cylindre til stativerne og frigør dem fra fastgørelsen. Cylindrene rører samtidig paraffinpladen og begynder at synke ned i den, når paraffinen smeltes. Dybden af nedsænkning af cylindre med samme masse i en paraffinplade, når deres temperatur ændres med samme mængde, viser sig at være anderledes.
Erfaringen viser, at de specifikke varmekapaciteter af aluminium, stål og messing er forskellige.
Efter at have udført passende eksperimenter med smeltning af faste stoffer, fordampning af væsker og forbrænding af brændstof, opnår vi følgende kvantitative afhængigheder.
For at opnå enheder med specifikke mængder skal de udtrykkes fra de tilsvarende formler og i de resulterende udtryk erstatte varmeenheder - 1 J, masse - 1 kg og for specifik varmekapacitet - 1 K.
Vi får følgende enheder: specifik varmekapacitet – 1 J/kg·K, andre specifikke varme: 1 J/kg.
(eller varmeoverførsel).
Et stofs specifikke varmekapacitet.
Varmekapacitet- dette er mængden af varme, der absorberes af en krop, når den opvarmes med 1 grad.
En krops varmekapacitet er angivet med et stort latinsk bogstav MED.
Hvad afhænger en krops varmekapacitet af? Først og fremmest fra dens masse. Det er klart, at opvarmning af for eksempel 1 kilo vand vil kræve mere varme end opvarmning af 200 gram.
Hvad med typen af stof? Lad os lave et eksperiment. Lad os tage to identiske beholdere, og efter at have hældt vand, der vejer 400 g, i den ene af dem, og vegetabilsk olie, der vejer 400 g, i den anden, begynder vi at opvarme dem ved hjælp af identiske brændere. Ved at observere termometeraflæsningerne vil vi se, at olien hurtigt opvarmes. For at opvarme vand og olie til samme temperatur skal vandet opvarmes længere. Men jo længere vi varmer vandet op, jo mere varme får det fra brænderen.
Opvarmning af den samme masse af forskellige stoffer til samme temperatur kræver således forskellige mængder varme. Mængden af varme, der kræves for at opvarme et legeme, og derfor dets varmekapacitet, afhænger af den type stof, som kroppen er sammensat af.
Så for for eksempel at øge temperaturen på vand, der vejer 1 kg med 1°C, kræves der en varmemængde svarende til 4200 J, og for at opvarme den samme masse solsikkeolie med 1°C, en varmemængde svarende til 1700 J er påkrævet.
En fysisk størrelse, der viser, hvor meget varme der kræves for at opvarme 1 kg af et stof med 1 ºС kaldes specifik varmekapacitet af dette stof.
Hvert stof har sin egen specifikke varmekapacitet, som er angivet med det latinske bogstav c og målt i joule pr. kilogram grad (J/(kg °C)).
Den specifikke varmekapacitet af det samme stof i forskellige aggregeringstilstande (fast, flydende og gasformig) er forskellig. For eksempel er vands specifikke varmekapacitet 4200 J/(kg °C), og isens specifikke varmekapacitet er 2100 J/(kg °C); aluminium i fast tilstand har en specifik varmekapacitet på 920 J/(kg - °C), og i flydende tilstand - 1080 J/(kg - °C).
Bemærk, at vand har en meget høj specifik varmekapacitet. Derfor absorberer vand i havene og oceanerne, der opvarmes om sommeren, en stor mængde varme fra luften. Takket være dette, på de steder, der er placeret i nærheden af store vandmasser, er sommeren ikke så varm som på steder langt fra vandet.
Beregning af mængden af varme, der kræves for at opvarme en krop eller frigives af den under afkøling.
Ud fra ovenstående er det klart, at mængden af varme, der kræves for at opvarme et legeme, afhænger af den type stof, som kroppen består af (dvs. dens specifikke varmekapacitet) og af kroppens masse. Det er også tydeligt, at mængden af varme afhænger af, hvor mange grader vi skal øge kropstemperaturen.
Så for at bestemme mængden af varme, der kræves for at opvarme en krop eller frigives af den under afkøling, skal du gange kroppens specifikke varmekapacitet med dens masse og med forskellen mellem dens endelige og indledende temperaturer:
Q = cm (t 2 - t 1 ) ,
Hvor Q- mængde varme, c— specifik varmekapacitet m- kropsmasse , t 1 — begyndelsestemperatur, t 2 — sluttemperatur.
Når kroppen varmer op t 2 > t 1 og derfor Q > 0 . Når kroppen køler ned t 2i< t 1 og derfor Q< 0 .
Hvis hele kroppens varmekapacitet er kendt MED, Q bestemt af formlen:
Q = C (t 2 - t 1 ) .
Ændringen i indre energi ved at udføre arbejde er karakteriseret ved mængden af arbejde, dvs. arbejde er et mål for ændringen i indre energi i en given proces. Ændringen i den indre energi i et legeme under varmeoverførsel er karakteriseret ved en mængde kaldet mængden af varme.
er en ændring i den indre energi i en krop under processen med varmeoverførsel uden at udføre arbejde. Mængden af varme er angivet med bogstavet Q .
Arbejde, intern energi og varme måles i de samme enheder - joule ( J), ligesom enhver form for energi.
I termiske målinger blev en speciel energienhed tidligere brugt som en enhed for varmemængde - kalorien ( afføring), svarende til mængden af varme, der kræves for at opvarme 1 gram vand med 1 grad celsius (mere præcist, fra 19,5 til 20,5 ° C). Især denne enhed bruges i øjeblikket ved beregning af varmeforbrug (termisk energi) i etageejendomme. Den mekaniske ækvivalent af varme er eksperimentelt blevet etableret - forholdet mellem kalorie og joule: 1 cal = 4,2 J.
Når en krop overfører en vis mængde varme uden at udføre arbejde, øges dens indre energi, hvis kroppen afgiver en vis mængde varme, så falder dens indre energi.
Hvis du hælder 100 g vand i to ens beholdere, den ene og 400 g i den anden ved samme temperatur og placerer dem på identiske brændere, så vil vandet i den første beholder koge tidligere. Jo større kropsmassen er, jo større mængde varme kræver det altså for at varme op. Det er det samme med køling.
Mængden af varme, der kræves for at opvarme en krop, afhænger også af den type stof, som kroppen er lavet af. Denne afhængighed af den mængde varme, der kræves for at opvarme et legeme af typen af stof, er karakteriseret ved en fysisk størrelse kaldet specifik varmekapacitet stoffer.
er en fysisk mængde svarende til den mængde varme, der skal tilføres 1 kg af et stof for at opvarme det med 1 °C (eller 1 K). 1 kg stof frigiver den samme mængde varme, når den afkøles med 1 °C.
Specifik varmekapacitet er angivet med bogstavet Med. Enheden for specifik varmekapacitet er 1 J/kg °C eller 1 J/kg °K.
Stoffers specifikke varmekapacitet bestemmes eksperimentelt. Væsker har en højere specifik varmekapacitet end metaller; Vand har den højeste specifikke varme, guld har en meget lille specifikke varme.
Da mængden af varme er lig med ændringen i kroppens indre energi, kan vi sige, at den specifikke varmekapacitet viser, hvor meget den indre energi ændrer sig 1 kg stof, når dets temperatur ændres med 1 °C. Især den indre energi i 1 kg bly stiger med 140 J, når den opvarmes med 1 °C, og falder med 140 J, når den afkøles.
Q kræves for at opvarme en masse m på temperatur t 1 °C op til temperatur t 2 °С, er lig med produktet af stoffets specifikke varmekapacitet, kropsmasse og forskellen mellem slut- og starttemperaturen, dvs.Q = c ∙ m (t 2 - t 1)
Den samme formel bruges til at beregne mængden af varme, som et legeme afgiver ved afkøling. Kun i dette tilfælde skal sluttemperaturen trækkes fra starttemperaturen, dvs. Træk den mindre temperatur fra den større temperatur.
Dette er et resumé af emnet "Mængde varme. Specifik varme". Vælg næste trin:
- Gå til næste oversigt:
Hvad vil opvarme hurtigere på komfuret - en kedel eller en spand vand? Svaret er indlysende - en tekande. Så er det andet spørgsmål hvorfor?
Svaret er ikke mindre indlysende - fordi massen af vand i elkedlen er mindre. Store. Og nu kan du selv lave en rigtig fysisk oplevelse derhjemme. For at gøre dette skal du bruge to identiske små gryder, en lige stor mængde vand og vegetabilsk olie, for eksempel en halv liter hver og et komfur. Sæt gryder med olie og vand på samme varme. Se nu bare, hvad der vil varmes op hurtigere. Hvis du har et termometer til væsker, kan du bruge det, hvis ikke, kan du blot teste temperaturen med fingeren fra tid til anden, bare pas på ikke at blive brændt. Under alle omstændigheder vil du hurtigt se, at olien opvarmes meget hurtigere end vand. Og et spørgsmål mere, som også kan implementeres i form af erfaring. Hvad vil koge hurtigere - varmt vand eller koldt? Alt er tydeligt igen - den varme bliver først ved målstregen. Hvorfor alle disse mærkelige spørgsmål og eksperimenter? At bestemme den fysiske mængde kaldet "varmemængde".
Mængde varme
Mængden af varme er den energi, som en krop taber eller vinder under varmeoverførsel. Dette fremgår tydeligt af navnet. Ved afkøling vil kroppen miste en vis mængde varme, og ved opvarmning vil den absorbere. Og svarene på vores spørgsmål viste os Hvad afhænger mængden af varme af? For det første, jo større massen af et legeme er, jo større mængde varme skal der bruges for at ændre dets temperatur med en grad. For det andet afhænger mængden af varme, der kræves for at opvarme et legeme, af det stof, det består af, det vil sige af typen af stof. Og for det tredje er forskellen i kropstemperatur før og efter varmeoverførsel også vigtig for vores beregninger. Ud fra ovenstående kan vi Bestem mængden af varme ved hjælp af formlen:
Q=cm(t_2-t_1) ,
hvor Q er mængden af varme,
m - kropsvægt,
(t_2-t_1) - forskellen mellem den indledende og endelige kropstemperatur,
c er stoffets specifikke varmekapacitet, fundet fra de tilsvarende tabeller.
Ved hjælp af denne formel kan du beregne mængden af varme, der er nødvendig for at opvarme ethvert legeme, eller som dette legeme vil frigive ved afkøling.
Mængden af varme måles i joule (1 J), ligesom enhver form for energi. Denne værdi blev dog introduceret for ikke så længe siden, og folk begyndte at måle mængden af varme meget tidligere. Og de brugte en enhed, der er meget brugt i vores tid - kalorie (1 cal). 1 kalorie er den mængde varme, der kræves for at opvarme 1 gram vand med 1 grad celsius. Vejledt af disse data kan de, der godt kan lide at tælle kalorier i den mad, de spiser, for sjov udregne, hvor mange liter vand, der kan koges med den energi, de indtager sammen med maden i løbet af dagen.