Pojęcie ilości ciepła powstało we wczesnych stadiach rozwoju współczesnej fizyki, kiedy nie było jasnych wyobrażeń o wewnętrznej strukturze materii, czym jest energia, jakie formy energii istnieją w przyrodzie i o energii jako formie ruchu i transformacji materii.
Przez ilość ciepła rozumie się wielkość fizyczną odpowiadającą energii przekazanej ciału materialnemu w procesie wymiany ciepła.
Przestarzałą jednostką ciepła jest kaloria równa 4,2 J, dziś jednostka ta praktycznie nie jest używana, a jej miejsce zajął dżul.
Początkowo zakładano, że nośnikiem energii cieplnej jest jakieś całkowicie nieważkie medium o właściwościach cieczy. W oparciu o to założenie rozwiązano i nadal rozwiązuje się wiele problemów fizycznych związanych z przenoszeniem ciepła. Istnienie hipotetycznej kaloryczności było podstawą wielu zasadniczo poprawnych konstrukcji. Uważano, że kaloryczność jest uwalniana i absorbowana w procesach ogrzewania i chłodzenia, topnienia i krystalizacji. W oparciu o błędne koncepcje fizyczne otrzymano prawidłowe równania procesów wymiany ciepła. Znane jest prawo, zgodnie z którym ilość ciepła jest wprost proporcjonalna do masy ciała uczestniczącego w wymianie ciepła i gradientu temperatury:
Gdzie Q to ilość ciepła, m to masa ciała, a współczynnik Z– wielkość zwana ciepłem właściwym. Ciepło właściwe jest cechą substancji biorącej udział w procesie.
Praca z termodynamiki
W wyniku procesów termicznych można wykonywać prace czysto mechaniczne. Na przykład, gdy gaz się nagrzewa, zwiększa swoją objętość. Weźmy sytuację taką jak na obrazku poniżej:
W tym przypadku praca mechaniczna będzie równa sile ciśnienia gazu działającego na tłok pomnożonej przez drogę przebytą przez tłok pod ciśnieniem. Oczywiście jest to najprostszy przypadek. Ale i w nim można zauważyć jedną trudność: siła nacisku będzie zależała od objętości gazu, co oznacza, że nie mamy do czynienia ze stałymi, ale z wielkościami zmiennymi. Ponieważ wszystkie trzy zmienne: ciśnienie, temperatura i objętość są ze sobą powiązane, obliczenie pracy staje się znacznie bardziej skomplikowane. Istnieją procesy idealne, nieskończenie powolne: izobaryczny, izotermiczny, adiabatyczny i izochoryczny – dla których takie obliczenia można przeprowadzić stosunkowo prosto. Wykreśla się wykres ciśnienia w funkcji objętości, a pracę oblicza się jako całkę postaci.
Energia wewnętrzna ciała może się zmieniać pod wpływem działania sił zewnętrznych. Aby scharakteryzować zmianę energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła, wprowadza się wielkość zwaną ilością ciepła i oznaczoną Q.
W systemie międzynarodowym jednostką ciepła, a także pracy i energii jest dżul: = = = 1 J.
W praktyce czasami stosuje się niesystemową jednostkę ilości ciepła – kalorię. 1 kal. = 4,2 J.
Należy zauważyć, że określenie „ilość ciepła” jest niefortunne. Wprowadzono go w czasach, gdy wierzono, że w ciele znajduje się jakiś nieważki, nieuchwytny płyn – kaloryczny. Proces wymiany ciepła rzekomo polega na tym, że kaloryfer przepływając z jednego ciała do drugiego niesie ze sobą pewną ilość ciepła. Teraz, znając podstawy molekularno-kinetycznej teorii budowy materii, rozumiemy, że w ciałach nie ma kalorii, mechanizm zmiany energii wewnętrznej ciała jest inny. Siła tradycji jest jednak ogromna i nadal używamy terminu wprowadzonego na podstawie błędnych wyobrażeń o naturze ciepła. Jednocześnie rozumiejąc naturę wymiany ciepła, nie należy całkowicie ignorować błędnych przekonań na ten temat. Wręcz odwrotnie, dokonując analogii pomiędzy przepływem ciepła a przepływem hipotetycznej cieczy kalorycznej, ilością ciepła i ilością kaloryczną, przy rozwiązywaniu pewnych klas problemów można zwizualizować zachodzące procesy i prawidłowo rozwiązać problemy. Ostatecznie kiedyś otrzymano prawidłowe równania opisujące procesy wymiany ciepła na podstawie błędnych wyobrażeń o kalorii jako nośniku ciepła.
Rozważmy bardziej szczegółowo procesy, które mogą wystąpić w wyniku wymiany ciepła.
Do probówki wlej trochę wody i zamknij ją korkiem. Zawieszamy probówkę na pręcie umocowanym w stojaku i kładziemy pod nią otwarty ogień. Probówka otrzymuje pewną ilość ciepła od płomienia, a temperatura znajdującej się w niej cieczy wzrasta. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia wewnętrzna cieczy. Następuje intensywny proces parowania. Rozprężające się pary cieczy wykonują pracę mechaniczną polegającą na wypchnięciu korka z probówki.
Przeprowadźmy kolejny eksperyment z modelem armaty wykonanej z kawałka mosiężnej rurki, która jest zamontowana na wózku. Tubus z jednej strony jest szczelnie zamknięty ebonitowym korkiem, przez który przechodzi kołek. Do pinu i rurki przylutowane są przewody zakończone zaciskami, do których można doprowadzić napięcie z sieci oświetleniowej. Model armatni jest zatem rodzajem kotła elektrycznego.
 |
Do lufy armaty wlej trochę wody i zamknij rurkę gumowym korkiem. Podłączmy pistolet do źródła zasilania. Prąd elektryczny przepływający przez wodę podgrzewa ją. Woda wrze, co prowadzi do intensywnego tworzenia się pary. Zwiększa się ciśnienie pary wodnej i w końcu wykonują one pracę polegającą na wypchnięciu wtyczki z lufy pistoletu.
Pistolet na skutek odrzutu toczy się w kierunku przeciwnym do wyrzucenia grzybka.
Obydwa doświadczenia łączą następujące okoliczności. W procesie podgrzewania cieczy na różne sposoby wzrosła temperatura cieczy i odpowiednio jej energia wewnętrzna. Aby ciecz zagotowała się i intensywnie odparowała, konieczne było jej dalsze podgrzewanie.
Pary cieczy, dzięki swojej energii wewnętrznej, wykonują pracę mechaniczną.
 |
Badamy zależność ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała od jego masy, zmian temperatury i rodzaju substancji. Do badania tych zależności użyjemy wody i oleju. (W doświadczeniu do pomiaru temperatury używa się termometru elektrycznego składającego się z termopary połączonej z galwanometrem lustrzanym. Jedno złącze termopary zanurza się w naczyniu z zimną wodą, aby zapewnić jej stałą temperaturę. Drugie złącze termopary mierzy temperaturę cieczy w trakcie studiów).
Doświadczenie składa się z trzech serii. W pierwszej serii dla stałej masy określonej cieczy (w naszym przypadku wody) badana jest zależność ilości ciepła potrzebnego do jej ogrzania od zmian temperatury. Ilość ciepła odebranego przez ciecz z grzejnika (kuchenki elektrycznej) będziemy oceniać po czasie nagrzewania, zakładając, że istnieje między nimi wprost proporcjonalna zależność. Aby wynik doświadczenia odpowiadał temu założeniu, należy zapewnić stacjonarny przepływ ciepła z kuchenki elektrycznej do nagrzanego ciała. W tym celu wcześniej włączono kuchenkę elektryczną, aby na początku eksperymentu temperatura jej powierzchni przestała się zmieniać. Aby ciecz w trakcie eksperymentu była bardziej równomiernie podgrzana, będziemy ją mieszać za pomocą samej termopary. Odczyty termometru będziemy rejestrować w regularnych odstępach czasu, aż plamka świetlna dotrze do krawędzi skali.
Załóżmy, że istnieje wprost proporcjonalna zależność pomiędzy ilością ciepła potrzebną do ogrzania ciała a zmianą jego temperatury.
W drugiej serii doświadczeń porównamy ilości ciepła potrzebne do ogrzania identycznych cieczy o różnych masach, gdy ich temperatura zmieni się o tę samą wartość.
Dla wygody porównania uzyskanych wartości przyjmuje się, że masa wody w drugim doświadczeniu będzie dwukrotnie mniejsza niż w pierwszym doświadczeniu.
Będziemy ponownie rejestrować odczyty termometru w regularnych odstępach czasu.
Porównując wyniki pierwszego i drugiego doświadczenia, można wyciągnąć następujące wnioski.
W trzeciej serii doświadczeń porównamy ilości ciepła potrzebne do ogrzania jednakowych mas różnych cieczy, gdy ich temperatura zmieni się o tę samą wartość.
Olej będziemy podgrzewać na kuchence elektrycznej, której masa jest równa masie wody w pierwszym eksperymencie. Odczyty termometru będziemy rejestrować w regularnych odstępach czasu.
Wynik doświadczenia potwierdza wniosek, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała jest wprost proporcjonalna do zmiany jego temperatury, a ponadto wskazuje na zależność tej ilości ciepła od rodzaju substancji.
Ponieważ w doświadczeniu wykorzystano olej, którego gęstość jest mniejsza od gęstości wody, a ogrzanie oleju do określonej temperatury wymagało mniej ciepła niż podgrzanie wody, można założyć, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy od jego gęstość.
Aby przetestować to założenie, będziemy jednocześnie podgrzewać równe masy wody, parafiny i miedzi na grzejniku o stałej mocy.
Po tym czasie temperatura miedzi jest około 10-krotna, a parafiny około 2-krotnie wyższa od temperatury wody.
Ale miedź ma większą gęstość, a parafina ma mniejszą gęstość niż woda.
Doświadczenie pokazuje, że wielkością charakteryzującą szybkość zmian temperatury substancji, z których zbudowane są ciała biorące udział w wymianie ciepła, nie jest gęstość. Wielkość ta nazywana jest ciepłem właściwym substancji i jest oznaczona literą c.
 |
Do porównania ciepła właściwego różnych substancji używa się specjalnego urządzenia. Urządzenie składa się ze stojaków, w których zamocowana jest cienka płyta parafinowa oraz pasek z przechodzącymi przez nią prętami. Na końcach prętów zamocowane są cylindry aluminiowe, stalowe i mosiężne o jednakowej masie.
Podgrzejmy cylindry do tej samej temperatury, zanurzając je w naczyniu z wodą stojącym na rozgrzanym piecu. Mocujemy gorące cylindry do stojaków i zwalniamy je z mocowania. Cylindry jednocześnie dotykają płyty parafinowej i topiąc parafinę, zaczynają w niej opadać. Głębokość zanurzenia cylindrów o tej samej masie w płycie parafinowej, gdy ich temperatura zmienia się o tę samą wartość, okazuje się różna.
Doświadczenie pokazuje, że ciepło właściwe aluminium, stali i mosiądzu jest różne.
Po przeprowadzeniu odpowiednich eksperymentów z topieniem ciał stałych, odparowaniem cieczy i spalaniem paliwa otrzymujemy następujące zależności ilościowe.
Aby otrzymać jednostki określonych wielkości, należy je wyrazić z odpowiednich wzorów i w otrzymanych wyrażeniach zastąpić jednostki ciepła - 1 J, masę - 1 kg, a dla ciepła właściwego - 1 K.
Otrzymujemy następujące jednostki: ciepło właściwe – 1 J/kg·K, inne ciepło właściwe: 1 J/kg.
(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 pojemność cieplna właściwa 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— pojemność cieplna właściwa, 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 ) .
Zmiana energii wewnętrznej w wyniku wykonania pracy charakteryzuje się ilością pracy, tj. praca jest miarą zmiany energii wewnętrznej w danym procesie. Zmiana energii wewnętrznej ciała podczas wymiany ciepła charakteryzuje się wielkością zwaną ilością ciepła.
to zmiana energii wewnętrznej ciała podczas wymiany ciepła bez wykonania pracy. Ilość ciepła jest oznaczona literą Q .
Praca, energia wewnętrzna i ciepło mierzone są w tych samych jednostkach – dżulach ( J), jak każdy rodzaj energii.
W pomiarach termicznych jako jednostkę ilości ciepła stosowano wcześniej specjalną jednostkę energii – kalorię ( kał), równe ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 grama wody o 1 stopień Celsjusza (dokładniej od 19,5 do 20,5 ° C). W szczególności jednostka ta jest obecnie stosowana przy obliczaniu zużycia ciepła (energii cieplnej) w budynkach mieszkalnych. Mechaniczny równoważnik ciepła został ustalony eksperymentalnie - związek między kalorią a dżulem: 1 kal = 4,2 J.
Kiedy ciało przekazuje pewną ilość ciepła, nie wykonując pracy, jego energia wewnętrzna wzrasta; jeśli ciało oddaje pewną ilość ciepła, wówczas jego energia wewnętrzna maleje.
Jeżeli do dwóch identycznych naczyń wlejemy po 100 g wody, do jednego i po 400 g do drugiego o tej samej temperaturze i postawimy je na identycznych palnikach, to w pierwszym naczyniu woda zagotuje się wcześniej. Zatem im większa masa ciała, tym większa ilość ciepła potrzebna do ogrzania. Podobnie jest z chłodzeniem.
Ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy również od rodzaju substancji, z której zbudowane jest ciało. Zależność ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała od rodzaju substancji charakteryzuje się wielkością fizyczną tzw pojemność cieplna właściwa substancje.
jest wielkością fizyczną równą ilości ciepła, jaką należy dostarczyć 1 kg substancji, aby ogrzać ją o 1 °C (lub 1 K). 1 kg substancji wydziela taką samą ilość ciepła po ochłodzeniu o 1°C.
Ciepło właściwe jest oznaczone literą Z. Jednostką ciepła właściwego jest 1 J/kg°C lub 1 J/kg°K.
Ciepło właściwe substancji określa się eksperymentalnie. Ciecze mają wyższą pojemność cieplną właściwą niż metale; Woda ma najwyższe ciepło właściwe, złoto ma bardzo małe ciepło właściwe.
Ponieważ ilość ciepła jest równa zmianie energii wewnętrznej ciała, możemy powiedzieć, że pojemność cieplna właściwa pokazuje, jak bardzo zmienia się energia wewnętrzna 1 kg substancji, gdy zmienia się jej temperatura 1°C. W szczególności energia wewnętrzna 1 kg ołowiu wzrasta o 140 J po podgrzaniu o 1 °C i maleje o 140 J po ochłodzeniu.
Q potrzebne do ogrzania ciała o masie M na temperaturę t 1 °С do temperatury t2°С, jest równy iloczynowi ciepła właściwego substancji, masy ciała i różnicy między temperaturą końcową i początkową, tj.Q = do ∙ m (t 2 - t 1)
Ten sam wzór służy do obliczenia ilości ciepła wydzielanego przez ciało podczas chłodzenia. Tylko w tym przypadku należy od temperatury początkowej odjąć temperaturę końcową, tj. Odejmij niższą temperaturę od wyższej temperatury.
To jest podsumowanie tematu „Ilość ciepła. Ciepło właściwe”. Wybierz, co chcesz dalej zrobić:
- Przejdź do następnego podsumowania:
Co nagrzeje się szybciej na kuchence – czajnik czy wiadro wody? Odpowiedź jest oczywista – czajniczek. Zatem drugie pytanie brzmi: dlaczego?
Odpowiedź jest nie mniej oczywista – bo masa wody w czajniku jest mniejsza. Świetnie. A teraz możesz sam przeprowadzić prawdziwe fizyczne doświadczenie w domu. Aby to zrobić, będziesz potrzebować dwóch identycznych małych rondli, takiej samej ilości wody i oleju roślinnego, na przykład po pół litra każdy i kuchenki. Na tym samym ogniu postaw garnki z olejem i wodą. Teraz tylko obserwuj, co nagrzeje się szybciej. Jeśli masz termometr do cieczy, możesz go użyć; jeśli nie, możesz po prostu od czasu do czasu sprawdzić temperaturę palcem, uważając tylko, aby się nie poparzyć. W każdym razie wkrótce przekonasz się, że olej nagrzewa się znacznie szybciej niż woda. I jeszcze jedno pytanie, które można zrealizować również w formie doświadczenia. Co zagotuje się szybciej - ciepła woda czy zimna? Wszystko znów jest jasne – ciepły będzie pierwszy na mecie. Po co te wszystkie dziwne pytania i eksperymenty? Aby wyznaczyć wielkość fizyczną zwaną „ilością ciepła”.
Ilość ciepła
Ilość ciepła to energia, którą ciało traci lub zyskuje podczas wymiany ciepła. To wynika jasno z nazwy. Podczas chłodzenia ciało straci pewną ilość ciepła, a podczas ogrzewania pochłonie. I pokazały nam odpowiedzi na nasze pytania Od czego zależy ilość ciepła? Po pierwsze, im większa masa ciała, tym większa ilość ciepła, jaką należy wydać, aby zmienić jego temperaturę o jeden stopień. Po drugie, ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy od substancji, z której się ono składa, czyli od rodzaju substancji. I po trzecie, dla naszych obliczeń ważna jest również różnica temperatury ciała przed i po przeniesieniu ciepła. Bazując na powyższym, możemy określ ilość ciepła korzystając ze wzoru:
Q=cm(t_2-t_1) ,
gdzie Q jest ilością ciepła,
m - masa ciała,
(t_2-t_1) – różnica pomiędzy początkową i końcową temperaturą ciała,
c jest ciepłem właściwym substancji, podanym w odpowiednich tabelach.
Korzystając z tego wzoru, możesz obliczyć ilość ciepła potrzebną do ogrzania dowolnego ciała lub jaką to ciało wydzieli podczas ochładzania.
Ilość ciepła mierzy się w dżulach (1 J), jak każdy rodzaj energii. Wartość tę wprowadzono jednak nie tak dawno temu, a ilość ciepła zaczęto mierzyć znacznie wcześniej. I użyli jednostki, która jest powszechnie stosowana w naszych czasach - kalorii (1 cal). 1 kaloria to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 grama wody o 1 stopień Celsjusza. Kierując się tymi danymi, ci, którzy lubią liczyć kalorie w jedzeniu, mogą dla zabawy obliczyć, ile litrów wody można zagotować, korzystając z energii, którą zużywają w ciągu dnia z jedzeniem.