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. Na podstawie powyższego możemy określ ilość ciepła korzystając ze wzoru:
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 spożywanym jedzeniu, mogą dla zabawy obliczyć, ile litrów wody można zagotować, korzystając z energii, którą zużywają w ciągu dnia z jedzeniem.
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. Na podstawie powyższego 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 spożywanym jedzeniu, mogą dla zabawy obliczyć, ile litrów wody można zagotować, korzystając z energii, którą zużywają w ciągu dnia z jedzeniem.
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 jakie wydziela Słońce i spada 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 |
Energię wewnętrzną układu termodynamicznego można zmienić na dwa sposoby:
- wykonywanie prac w systemie,
- za pomocą interakcji termicznej.
Przekazanie ciepła do ciała nie wiąże się z wykonaniem na ciele pracy makroskopowej. W tym przypadku zmiana energii wewnętrznej wynika z tego, że poszczególne cząsteczki ciała o wyższej temperaturze działają na cząsteczki ciała o niższej temperaturze. W tym przypadku interakcja termiczna realizowana jest dzięki przewodności cieplnej. Przenoszenie energii możliwe jest również za pomocą promieniowania. System procesów mikroskopowych (dotyczących nie całego ciała, ale poszczególnych cząsteczek) nazywa się przenoszeniem ciepła. Ilość energii przenoszonej z jednego ciała na drugie w wyniku wymiany ciepła jest określona przez ilość ciepła przenoszonego z jednego ciała na drugie.
Definicja
Ciepło to energia, która jest odbierana (lub oddawana) przez ciało w procesie wymiany ciepła z otaczającymi ciałami (środowiskiem). Symbolem ciepła jest zwykle litera Q.
Jest to jedna z podstawowych wielkości termodynamiki. Ciepło jest uwzględnione w matematycznych wyrażeniach pierwszej i drugiej zasady termodynamiki. Mówi się, że ciepło jest energią w postaci ruchu molekularnego.
Ciepło może zostać przekazane do układu (ciała) lub może zostać z niego pobrane. Uważa się, że jeśli ciepło jest przekazywane do układu, to jest ono dodatnie.
Wzór na obliczanie ciepła przy zmianie temperatury
Oznaczmy elementarną ilość ciepła jako . Zauważmy, że element ciepła, który układ otrzymuje (oddaje) przy niewielkiej zmianie swojego stanu, nie jest różnicą zupełną. Dzieje się tak dlatego, że ciepło jest funkcją procesu zmiany stanu układu.
Elementarna ilość ciepła oddana do układu i zmiany temperatury od T do T+dT są równe:
gdzie C jest pojemnością cieplną ciała. Jeżeli badane ciało jest jednorodne, to wzór (1) na ilość ciepła można przedstawić w postaci:
gdzie jest ciepłem właściwym ciała, m jest masą ciała, jest ciepłem molowym, jest masą molową substancji, jest liczbą moli substancji.
Jeśli ciało jest jednorodne, a pojemność cieplną uważa się za niezależną od temperatury, wówczas ilość ciepła (), którą ciało otrzymuje, gdy jego temperatura wzrośnie o określoną wartość, można obliczyć ze wzoru:
gdzie t 2, t 1 temperatura ciała przed i po ogrzaniu. Należy pamiętać, że szukając różnicy () w obliczeniach, temperatury można podstawiać zarówno w stopniach Celsjusza, jak i w kelwinach.
Wzór na ilość ciepła podczas przejść fazowych
Przejściu substancji z jednej fazy do drugiej towarzyszy absorpcja lub uwolnienie określonej ilości ciepła, które nazywa się ciepłem przejścia fazowego.
Aby więc przenieść element materii ze stanu stałego do cieczy, należy mu podać ilość ciepła () równą:
gdzie jest ciepłem właściwym topnienia, dm jest elementem masy ciała. Należy wziąć pod uwagę, że ciało musi mieć temperaturę równą temperaturze topnienia danej substancji. Podczas krystalizacji wydziela się ciepło równe (4).
Ilość ciepła (ciepła parowania) potrzebnego do przekształcenia cieczy w parę można obliczyć ze wzoru:
gdzie r jest ciepłem właściwym parowania. Kiedy para się skrapla, uwalniane jest ciepło. Ciepło parowania jest równe ciepłu kondensacji równych mas substancji.
Jednostki pomiaru ilości ciepła
Podstawową jednostką miary ilości ciepła w układzie SI jest: [Q]=J
Pozasystemowa jednostka ciepła, często spotykana w obliczeniach technicznych. [Q]=cal (kalorie). 1 kal=4,1868 J.
Przykłady rozwiązywania problemów
Przykład
Ćwiczenia. Jakie objętości wody należy zmieszać, aby otrzymać 200 litrów wody o temperaturze t = 40°C, jeżeli temperatura jednej masy wody wynosi t 1 = 10°C, to temperatura drugiej masy wody wynosi t 2 = 60°C ?
Rozwiązanie. Zapiszmy równanie bilansu cieplnego w postaci:
gdzie Q=cmt to ilość ciepła wytworzona po zmieszaniu wody; Q 1 = cm 1 t 1 - ilość ciepła części wody o temperaturze t 1 i masie m 1; Q 2 = cm 2 t 2 - ilość ciepła części wody o temperaturze t 2 i masie m 2.
Z równania (1.1) wynika:
Łącząc zimną (V 1) i gorącą (V 2) część wody w jedną objętość (V), możemy założyć, że:
Otrzymujemy więc układ równań:
Po rozwiązaniu otrzymujemy:
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 przy 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 skorzystać z pomocy korepetytora zarejestruj się.
Pierwsza lekcja jest bezpłatna!
stronie internetowej, przy kopiowaniu materiału w całości lub w części wymagany jest link do źródła.