Количество теплоты измеряют в: Единица измерения количества теплоты, теория и онлайн калькуляторы

Измерение количества теплоты — урок. Физика, 8 класс.

При расчёте задач в современной физике единицей измерения энергии и теплоты является джоуль. Эта единица измерения введена в \(1889\) году.

Калорию как единицу измерения тепла предложил Йохан Карл Вильке (\(1732\)-\(1796\)) — шведский физик-экспериментатор. Он измерил удельную теплоёмкость твёрдых тел в \(1772\) году. Более века калория являлась единственной признанной наукой единицей измерения количества тепловой энергии.

Калория — это количество теплоты, которое необходимо для нагревания \(1\) г воды на \(1\)°С.

\(1\) кал \(= 4,19\) Дж \(≈ 4,2\) Дж.

Термин «калория» (от латинского «calor» — тепло) ввёл в научный оборот французский химик (рис. 1) Николя Клеман-Дезорм (\(1779—1842\)).

Рис. 1. Николя Клеман-Дезорм

Его определение калории как единицы измерения тепла было впервые опубликовано в \(1824\) году в журнале «Le Producteur», а во французских словарях оно появилось в \(1842\) году.

Однако задолго до появления этого термина были сконструированы первые калориметры — приборы для измерения теплоты.

Первый калориметр изобрёл английский химик (рис. 2) Джозеф Блэк и в \(1759—1763\) годах с его помощью определил теплоёмкости разных веществ, скрытую теплоту плавления льда и испарения воды.

Рис. 2. Джозеф Блэк

Изобретением Д. Блэка воспользовались знаменитые французские учёные (рис. 3, 4) Антуан Лоран Лавуазье (\(1743—1794\)) и Пьер Симон Лаплас (\(1749—1827\)).

Рис. 3. Антуан Лоран Лавуазье

Рис. 4. Пьер Симон Лаплас

В \(1780\) году они начали серию калориметрических экспериментов, которые позволили измерить тепловую энергию.

Это понятие встречается ещё в \(XVIII\) веке в трудах шведского физика (рис. 5) Иоганна Карла Вильке (\(1732—1796\)), который занимался исследованием электрических, магнитных и тепловых явлений и задумывался об эквивалентах, в которых можно измерять тепловую энергию.

Рис. 5. Иоганн Карл Вильке

Устройство, которое впоследствии начали называть калориметром, Лавуазье и Лаплас использовали, чтобы измерять количество теплоты, выделяющееся в различных физических, химических и биологических процессах. Тогда ещё не было точных термометров, поэтому для измерения теплоты приходилось идти на ухищрения.

Рис. 6. Изображение первого калориметра

Первый калориметр был ледяным (рис. 6). Внутренняя полая камера, куда помещали объект, излучающий тепло (например, мышку), была окружена рубашкой, заполненной льдом или снегом. А ледяная рубашка, в свою очередь, была окружена воздушной, чтобы лёд не плавился под действием внешнего нагрева. Тепло от объекта внутри калориметра нагревало и плавило лёд. Взвешивая талую воду, стекавшую из рубашки в специальный сосуд, исследователи определяли теплоту, выделенную объектом.

Этот прибор позволил Лавуазье и Лапласу измерить теплоту многих химических реакций: сгорания угля, водорода, фосфора, чёрного пороха. Своими работами они заложили основы термохимии и сформулировали её основной принцип:

Всякие тепловые изменения, которые испытывает какая-нибудь материальная система, переменяя своё состояние, происходят в обратном порядке, когда система вновь возвращается в своё первоначальное состояние.

Иными словами, чтобы разложить воду на водород и кислород, надо затратить столько же энергии, сколько выделяется при реакции водорода с кислородом с образованием воды.

В том же \(1780\) году Лавуазье поместил в калориметр морскую свинку. Тепло от её дыхания растапливало снег в рубашке. Потом последовали и другие эксперименты, которые имели огромное значение для физиологии.

Тогда-то Лавуазье высказал мысль, что дыхание животного подобно горению свечи, за счёт которого в организме поддерживается необходимый запас тепла. Он также впервые связал три важнейшие функции живого организма: дыхание, питание и транспирацию (испарение воды). Видимо, с тех пор и заговорили о том, что пища сгорает в нашем организме.

В \(XIX\) веке благодаря стараниям знаменитого французского химика (рис. 7) Марселена Бертло (\(1827—1907\)), который опубликовал более 200 работ по термохимии, точность калориметрических методов сильно повысилась и появились более совершенные приборы — водяной калориметр и герметичная калориметрическая бомба (рис. 8).

Рис. 7. Марселен Бертло

Последний прибор нам особенно интересен, потому что в нём можно измерять теплоту, выделяемую при очень быстрых реакциях — горении и взрыве.

Рис. 8. Изображение калориметрической бомбы

Навеску сухого исследуемого вещества насыпают в тигель, помещают внутри бомбы и герметично закрывают этот сосуд. Затем вещество поджигают электрической искрой. Оно сгорает, отдавая тепло воде в окружающей его водяной рубашке. Термометры позволяют точно фиксировать изменение температуры воды.

В похожем калориметре в тридцатых годах \(XIX\) века проводил первые опыты с пищей знаменитый немецкий химик (рис. 9) Юстус фон Либих (\(1803—1873\)), который разделял идеи Лавуазье о том, что пища — это топливо для организма, как дрова для печки.

Рис. 9. Юстус фон Либих

Рис. 10. Юлиус фон Майер

Либих назвал эти дрова: белки, жиры и углеводы. Он сжигал навески пищи в калориметре и измерял выделившееся тепло. На основании результатов этих опытов Либих вместе со своим коллегой Юлиусом фон Майером (рис. 10) составил первые в мире таблицы калорийности продуктов питания и на их основе попытался рассчитать научно обоснованный рацион для прусских солдат.

Знаменитым последователем Юстуса фон Либиха стал американский агрохимик (рис. 11)Уилбур Олин Этуотер (\(1844—1907\)).

Рис. 11. Уилбур Олин Этуотер

Этуотер первым додумался измерять энергоёмкость компонентов пищи и придумал схему подсчёта калорийности любых продуктов питания. Ему не пришлось начинать с нуля. Три года (\(1869—1871\)) Этуотер провёл в Германии, где изучал опыт европейских коллег-агрохимиков. Здесь он не только вдохновился идеями физиологической калориметрии, посеянными Либихом, но и освоил некоторые методики эксперимента.

Сегодня Этуотера называют отцом диетологии. Значения калорийности углеводов (\(4\) ккал/г), белков (\(4\) ккал/г) и жиров (\(9\) ккал/г) впервые экспериментально получил Этуотер. Но и теперь, спустя сто двадцать лет, диетологи используют эти цифры при подсчёте энергетической ценности продуктов питания. Система Этуотера по сей день лежит в основе маркировки продуктов. И в этом смысле, как верно подметил кто-то из журналистов, Уилбур Этуотер — самый цитируемый учёный в мире.

Источники:

Рис. 6. Автор: A. Arsonval.Original uploader was Cumulus at nl.wikipedia — Lumiere electrique 18 oktover 1884, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8652828.

Рис. 8. By Mmmmm at Czech Wikipedia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63238360.

Теплота — Количество — Единицы измерения

Количество теплоты, передаваемой в единицу времени через произвольную поверхность, оценивается тепловым потоком Q, единицей измерения которого служит ватт вт).  [c.245]

При изучении механических явлений достаточно ввести только три независимые основные единицы измерения—для длины, массы (или сипы) и времени. Этими единицами можно обойтись также и при изучении тепловых и даже электрических явлений. Из физики известно, что размерности тепловых и электрических величин можно выразить через L, М и Т. Например, количество теплоты и температура имеют размерность механической энергии. Однако на практике во многих вопросах термодинамики и газовой динамики принято выбирать единицы измерения для количества теплоты и температуры независимо от единицы измерения механической энергии. Для измерения температуры единицей служит градус Цельсия, для измерения количества теплоты—калория. Эти единицы измерения устанавливаются опытным путём, независимо от единицы измерения для механических величин.  [c.17]

Удельная теплоемкость газа — это количество теплоты, расходуемое при нагревании или охлаждении 1 кг, 1 или 1 кмоль газа на 1°. Теплоемкость, отнесенная к 1 кг газа, называется массовой, обозначается с и имеет единицу измерения кДж/(кг-К).  [c.10]

Рекуррентная формула (3.71) позволяет в принципе указать простую процедуру получения термодинамической шкалы температур для некоторого теплового состояния ( назначается температура Т1 в виде положительного действительного числа, снабженного наименованием единицы измерения к 1 кг рабочего тела обратимого двигателя Карно в изотермическом процессе при температуре 1 подводится некоторое количество теплоты дг, рабочее  [c.84]

Величина к называется коэффициентом теплопередачи, числовое значение к выражает количество теплоты, проходящей через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между горячей и холодной средой 1 К и имеет ту же единицу измерения, что и коэффициент теплоотдачи, Дж/(с-м2К) или Вт/ (м К).  [c.299]

Величина йг называется линейным коэффициентом теплопередачи-, он характеризует интенсивность передачи теплоты от одной жидкости к другой через разделяющую их стенку. Величина численно равна количеству теплоты, которое проходит от одной среды к другой через стенку трубы длиной 1 м в единицу времени при разности температур между ними 1 К единица измерения кь— Вт/(м-К).  [c.302]

Введенные для тепловых измерений основные величины — температура и количество теплоты — потребовали установления соответствующих единиц. Температура, точнее разность температур, определялась жидкостными термометрами, причем в физике была принята шкала Цельсия, в которой интервал между точкой плавления льда и точкой кипения воды при нормальном давлении делился на сто частей. Впоследствии бьша введена абсолютная, а затем практически с ней совпадающая термодинамическая шкала температур. Подробнее об этой шкале сказано в гл. 5.  [c.49]

Перевод количества теплоты и температуры в механические единицы измерения связан со значением постоянных механического  [c.171]

Единицей работы любого вида энергии, а также количества теплоты в Международной системе единиц является универсальная единица измерения джоуль (дж), представляющий собой работу силы в I н на пути ъ м.  [c.9]

Теплота — Количество — Единицы измерения 18, 181 — Количество, необходимое для нагревания тел 192  [c.1001]

Мерой теплопередачи служит количество перенесенной теплоты. За единицу измерения количества теплоты в теплотехнике принималась до самого последнего времени килокалория, теперь же преимущество должно отдаваться килоджоулю в связи с необходимостью переходить постепенно на систему единиц СИ 1 ккал = = 4,19 кдж-, 1 кдж = 0,239 ккал.  [c.5]

Так же как g и т), коэффициент изменения мощности е — безразмерная величина. При этом предполагается, что расходы теплоты в единицу времени Q и Qo и мощность N выражены в одних и тех же единицах измерения мощности. Приведенные соотношения справедливы, когда количество теплоты Q, подводимое извне в расчете на 1 кг воды, нагреваемой в подогревателе j, меньше или в пределе равно Мв,.  [c. 12]

Единицей измерения количества теплоты в СИ также является Дж (джоуль).  [c.91]

В 1957 г. взамен ОСТ ВКС 6259 был утвержден ГОСТ 8550—57 Тепловые единицы , внесенный ВНИИМ. Принципиальные его положения рассмотрены в статье Б. И. Пилип-чука [14]. В качестве основной единицы измерений количества теплоты принят джоуль допускается применение и внесистемной единицы—калории, определением которой является выражение  [c.78]

В сентябре 1938 г. был образован Комитет по делам мер и измерительных приборов при СНК СССР, на который были возложены разработка и утверждение основных метрологических общесоюзных стандартов. Поэтому в 1939 г. была ликвидирована Комиссия по единицам мер АН СССР, а ее работу продолжила образованная при Комитете Научно-техническая комиссия по единицам измерений и мерам. Комиссия работала до начала Отечественной войны и рассмотрела ряд вопросов о Международной температурной шкале, об установлении единиц количества теплоты, о единицах рентгеновского и гамма-излучений и др.  [c.13]

Между значениями калории или килокалории, определенными различными способами (калориметрическим, термохимическим), существует заметное расхождение, что приводит к необходимости введения поправок при точных расчетах. Поэтому решили отказаться от определения единиц количества теплоты теми или иными тепловыми измерениями и установить неизменное соотношение между международной калорией и единицей работы джоулем, которое было принято следующим  [c.159]

В системе СИ за единицу измерения количества теплоты принят Джоуль (Дж) 1 Дж равен 0,24 кал.  [c.6]

Международная система единиц (СИ) имеет ряд преимуществ унификация единиц физических величин для различных видов измерения, что позволяет иметь для каждой физической величины, встречающейся в различных областях техники, одну общую для них единицу, например джоуль для всех видов работы и количества теплоты вместо применяемых в настоящее вpe я разных единиц для этой величины (килограмм-сила-метр, эрг, калория, ватт-час и др. ) единицы системы СИ охватывают многие отрасли науки, техники и народного хозяйства, значительно уменьшая необходимость применения каких-либо других единиц, и в целом представляет собой единую систему, общую для большинства областей измерений связность (когерентность) системы во всех физических уравнениях, определяющих производные единицы измерения, коэффициент пропорциональности, — всегда безразмерная величина, равная единице кроме того, связность системы значительно облегчает изучение физических закономерностей.  [c.286]

Калория является внесистемной единицей. Она допускается к использованию лишь в виду большой трудности осуществления перехода к джоулю как единственной единице измерения количества теплоты. Определением калории в настоящее время является только соотношение ее с джоулем. Поэтому при названии и обозначении калории отсутствует указание на температуру.  [c.183]

Технической единицей измерения теплоты служит килограмм-калория (сокращенно ккал). Килограмм-калорией называется количество тепла, необходимого для нагревания 1 кг воды на 1°С. Так как это количество тепла несколько меняется с температурой, то принято определять калорию как количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды от 19,5 до 20,5° С (ОСТ 6259).  [c.67]

Непосредственно из рассмотрения уравнения (X, 18) следует, что коэффициент теплоотдачи численно равен количеству теплоты, переданной в единицу времени единицей поверхности тела при температурном напоре, равном единице. Единица измерения коэффициента теплоотдачи (в принятой нами системе единиц) имеет вид ккал/м чад С.  [c.261]

Количество теплоты, которое нужно передать 1 г воды, чтобы ее при неизменной температуре превратить в пар, или количество теплоты, которое выделяется при конденсации пара, дающей 1 г воды, называется удельной теплотой парообразования и измеряется в калориях. По отношению к 1 кг воды единица измерения — килокалория.  [c. 241]

В основе закона сохранения и превращения энергии лежит принцип эквивалентности различных видов энергии. В процессе развития науки были вначале найдены количественные меры для каждого вида энергии. Раньше всего была установлена количественная мера для механической энергии. Она получила название механической работы. Впоследствии были найдены меры и для других видов энергии (химической, электрической, тепловой и т. д.). Они получили названия соответственно химической работы, электрической работы, а для тепловой энергии— теплоты. Для каждой из этих мер первоначально принималась своя единица измерения. Так, количество теплоты измерялось в килокалориях ккал), количество механической работы — в килограмм-метрах (кГ-м).  [c.12]

Теплоемкость 176 Теплопроводность 176 Теплота — Количество — Единицы измерения 14  [c.1137]

Мерой теплопередачи служит количество перенесенной теплоты. За единицу измерения количества теплоты в теплотехнике принимается килокалория.  [c.7]

В книге Л. Камке, К, Кремер Физические основы единиц измерения (М., 1980, 9.5) доказывается, что процесс Карно не единственный круговой процесс с к. п. д. ri = (7 — Т з)/ ,. Таким же к. п. д. обладает процесс Стирлинга, лежащий в основе воздушного двигателя и газовой холодильной машины Onjwn a. В это.м круговом процессе между изотермическим расширением при Ti и изотермическим сжатием при Tj происходит два изохорных изменения состояния. В ходе первого изохорного этапа рабочее вещество (рассматривается идеальный газ), имеющее объем Vj, охлаждается от Т , до Tj, при этом оно огдает определенное количество теплоты. При  [c.176]

В уравнении (4.33) Ах/Х представляет собой термическое сопротивление теплопроводности элементарного слоя стенки, а Ат/(рсДл ) характеризует количество теплоты, аккумулированной элементарным слоем за промежуток времени Ат в процессе прогрева стенки поскольку единица измерения этого комплекса совпадает с единицей измерения термического сопротивления [К/(Вт/м2)], назовем его термическим сопротивлением теплоемкости элементарного слоя. Обозначив АхД= я,т и Ат/(рсАл ) = xт перепишем уравнение (4.33) в виде  [c.83]

Уже в 1841 — 1843 гг., проводя опыты по определению теплового действия электрического тока, Джоуль установил параллельно и величину механического эквивалента теплоты , причем точнее Майера — 460кГм/ккал. Сделал он это на установке, ставшей классической вода в бочке нагревалась вращением лопастей, и затем определялось соотношение между затраченной работой и полученным теплом. Заметим, что это соотношение выражает лишь связь между различными единицами измерения энергии, а отнюдь не величину некоего эквивалента , ибо по закону сохранени5 количества взаимопревра-щающихся видов энергии должны быть равны. Тем не менее и в большинстве современных вузовских учебни-  [c.120]

Коэффициент пропорциональности а в уравнении (12), связывающий температурный напор с удельным потоком тепла, известен под названием коэффициента теплообмена (теплоотдачи). Коэффициент теплообмена численно равен количеству теплоты, переданной в единицу времени единицей поверхности тела при температурном напоре, равном единице. Единица измерения коэффициента теплообмена имеет вид ккал1м ч °С.  [c.20]

За единицу теплоты принимается количество тепла, необходимое для нагревания 1 грамма чистой воды на ГС (с 19,5 до 20,5°С). Она называется калорией (сокращенно кал). В технике за единицу теплоты принимается килокалория (1 к/сал=1000 кал). Более крупными единицами измерения теплоты являются мегакалория (Мкал), которая равна 1 ООО /с/сал, и гигакалория (Гкал), равная 1 000000 ккал.  [c.15]

Как уже отмечалось, достаточно точные методы измерения тепла (калориметрия) были разработаны еще в XVIII в., т. е. задолго до окончательного выяснения природы теплоты, на основе использования представлений о температуре и теплоемкости тела. В свое время наиболее употребительной единицей измерения тепла была калория, которую определяли как количество тепла, необходимое для нагрева 1 г воды на 1° С. Однако впоследствии было обнаружено, что теплоемкость воды несколько меняется с температурой и поэтому при разных температурах для нагрева 1 г воды на 1 С требуются различные количества тепла в этой связи потребовалось уточнить понятие калории, и была введена так называемая 15-градусная калория — количество тепла, расходуемое на нагревание воды от 14,5 до 15,5° С. В настоящее время для измерения количества тепла и работы применяются различные единицы, соотношение между которыми приведено в табл. 2-1. Наиболее употребительными единицами являются джоуль, а также международная калория [c.27]

Для подсчета количества тепла, сообщаемого телу или отнимаемого от него, в качестве основной единицы измерения в Международной системе единиц принимают джоуль (дж), являющийся универсальной единицей измерения работы, энергии и количества теплоты кратные и дольные единицы джоуля — килоджоуль, мегаджоуль, гигаджоуль и др.  [c.27]

Единицей измерения работы, энергии и количества теплоты в Международной системе единиц является джоуль (табл. 29). Джоуль — это работа, совершаемая силой в 1 н при перемещении точки ее приложения по направлению действия силы на расстбя-ние 1 м.  [c.47]

Некоторые из этих единиц были узаконены в различных странах (так, например, в СССР с 1934 по 1957 г. как обязательная единица для измерения теплоты была принята двадцатиградусная калория). В некоторых странах (особенно широко в работах технического профиля в Англии и США) до настоящего времени широко применяется для тепловых измерений так называемая единица BTU (British thermal unit). Эта единица определяется как количество теплоты, необходимое для нагревания 1 фунта воды на 1° по шкале Фаренгейта . Такая многочисленность единиц измерения теплоты создает значительные неудобства и затрудняет сопоставление величин, выраженных в различных единицах. Однако главный недостаток калории как единицы измерения (это относится и к BTU) связан с двумя другими обстоятельствами.  [c.178]

Многие единицы измерения СИ давно известны, имеют удобные размеры и широко применяются на практике. Относительно новыми, ранее мало применявшимися единицами являются ньютон (универсальная единица силы) и джоуль (з ниверсальная единща работы, всех видов энергии и количества теплоты) и производные этих единиц.  [c.4]

Единица измерения количества теплоты в системах СИ и Л1КСГ — универсальная единица измерения работы, любого вида энергии и количества теплоты — джоуль дж) кратные единицы килоджоуль кдж), мегаджоуль Мдж). гигаджоуль Гдж) и др.  [c.99]

TEPMHil — единица измерения количества теплоты в МТС системе единиц. Г5а I Т. принято количество теплоты, необходимое для нагревания I т воды на Р С. 1 Т. = iOOO ккал = ii8b,S дж.  [c.158]

Б табл. 2. 7 лриведены важнейшие производные тепловые единицы системы метр-килограмм -секунда-градус. Кроме этой системы единиц, ГОСТ 8550-61 допускает также временное применение внесистемных тепловых единиц, основанных на калории (табл. 2. 8). При этом под калорией понимается количество теплоты, равное 4,1868 джоуля. По ГОСТ 8550-61 единицы мольных величии должны образовываться из величин, указанных в табл. 2. 7 и 2. 8, заменой в них грамма на моль и килограмма на киломоль. Единица измерения в один моль — количество вещества, масса которого в граммах численно равна молекулярному весу.  [c.27]

Количество теплоты. Единицы количества теплоты

Вернемся теперь к вопросу об использовании внутренней энергии. Выясним, как подсчитать, насколько изменилась в том, или другом случае внутренняя энергия тела. Начнем со случая теплопередачи. При теплопередаче происходит переход внутренней энергии от одних тел к другим путем теплопроводности, излучения и конвекции.

Ту часть внутренней энергии, которую тело получает или теряет при теплопередаче, называют количеством теплоты.

Название «количество теплоты» принято относить к изменению внутренней энергии только путем теплопередачи. Это название не применяют к изменению внутренней энергии, полученному при совершении над телом работы.

Чтобы научиться вычислять количество теплоты, выясним, от каких величин оно зависит.

Если мы хотим подогреть воду в чайнике так, чтобы она стала лишь теплой, то мы недолго нагреваем ее, сообщая ей небольшое количество теплоты. А для того чтобы вода стала горячей, передаем ей большее количество теплоты. Следовательно, чем на большее число градусов мы нагреваем воду, тем большее количество теплоты надо передать ей. Конечно, и при остывании вода отдаст окружающим ее телам тем большее количество теплоты, чем на большее число градусов она охладится.

Но знать, на сколько градусов повысилась или понизилась температура, недостаточно, чтобы судить о количестве теплоты, полученном телом при нагревании или отданном при охлаждении. В самом деде, раскаленный утюг, до которого нельзя дотронуться, холодную комнату не согреет, тогда как теплая печь или батареи водяного отопления, температура которых около 60° С, могут очень хорошо нагреть комнату.

Всем нам приходилось нагревать воду, и мы хорошо знаем, что полный чайник воды требует для своего нагревания большее количество теплоты, чем тот же чайник, налитый наполовину. Убедимся в этом на опыте.

Поставим на одну плиту две кружки. В одной кружке 200 г, а в другой 400 г воды. В первой кружке, где находится 200 г воды, вода нагреется до кипения раньше, чем во второй. Снимем ее с плиты и будем наблюдать за второй кружкой. Понадобится передать ей еще некоторое количество теплоты, прежде чем в ней вода нагреется до кипения. Следовательно, количество теплоты, переданное при нагревании телу, зависит от массы этого тела: чем больше масса воды, тем большее количество теплоты нужно затратить на ее нагревание.

При остывании тела окружающим предметам передается также тем большее количество теплоты, чем больше масса остывающего тела. Так, чем больше секций содержит батарея отопления, тем лучше она обогревает комнату.

Будем нагревать на двух одинаковых горелках два сосуда, содержащие: первый — 400 г воды, второй—400 г растительного масла. Таким образом, и в том и в другом сосуде находится по 400 г вещества, т. е. массы нагреваемых тел одинаковы (рис. 196). Одинаковы и условия их нагревания, так как сосуды получают энергию от одинаковых горелок. Разница состоит лишь в том, что во втором сосуде вместо 400 г воды находится 400 г масла.

Термометры покажут, что во втором сосуде, где находится масло, нагревание происходит быстрее. Чтобы температура воды сравнялась с температурой масла, ей нужно передать добавочное количество теплоты. Очевидно, для нагревания одинаковых масс воды и масла на одно и то же число градусов требуется различное количество теплоты: для воды оно больше, Для масла меньше. Следовательно, количество теплоты, переданное телу при нагревании, зависит и от того, из какого вещества состоит тело.

Итак, количество теплоты, переданное телу при нагревании, зависит от рода вещества, из которого оно состоит, от массы этого тела и от изменения его температуры.

Как и всякий другой вид энергии, внутреннюю энергию измеряют джоулями.

Количеством теплоты, как было установлено, называют ту часть внутренней энергии, которую получает, или теряет тело при теплопередаче. Значит, количество теплоты также измеряют джоулями (Дж), применяется и единица килоджоуль (кДж).

1 кДж = 1000 Дж.

Вопросы. 1. Что такое количество теплоты? К какому способу изменения внутрённей энергии относят это название? 2. Как зависит количество теплоты от изменения температуры тела? 3. Почему нельзя только по изменению температуры тела судить о полученном им количестве теплоты? 4. Как зависит количество теплоты от массы тела? 5. Опишите опыт, показывающий, что количество теплоты зависит от рода вещества, из которого состоит тело. 6. От чего зависит количество теплоты, переданное телу при нагревании? 7. Какими единицами измеряют внутреннюю энергию и количество теплоты?

Историческая справка

Для измерения количества теплоты с давних времен применяли особую единицу — калорию (от латинского слова калор — тепло, жар).

Калория — это количество теплоты, которое необходимо передать 1 г воды для нагревания ее на 1°С. Ее краткое обозначение: кал.

Можно сказать также, что калория — это количество теплоты, которое теряет 1 г воды при остывании на 1°С.

Пользовались также более крупной единицей количества теплоты — килокалорией: 1 ккал = 1000 кал.

Между этими единицами и единицей 1 Дж и 1 кДж существуют соотношения:

1 кал = 4,19 Дж ≈ 4,2 Дж,        1 ккал = 4190 Дж ≈ 4200 Дж.

Количество теплоты: нагревание, охлаждение, плавление, кристаллизация, парообразование, конденсация, горение. Термодинамическая система

Тестирование онлайн

• Количество теплоты. Основные понятия

• Количество теплоты

Термодинамика

Раздел молекулярной физики, который изучает передачу энергии, закономерности превращения одних видов энергии в другие. В отличие от молекулярно-кинетической теории, в термодинамике не учитывается внутреннее строение веществ и микропараметры.

Термодинамическая система

Это совокупность тел, которые обмениваются энергией (в форме работы или теплоты) друг с другом или с окружающей средой. Например, вода в чайнике остывает, происходит обмен теплотой воды с чайником и чайника с окружающей средой. Цилиндр с газом под поршнем: поршень выполняет работу, в результате чего, газ получает энергию, и изменяются его макропараметры.

Количество теплоты

Это энергия, которую получает или отдает система в процессе теплообмена. Обозначается символом Q, измеряется, как любая энергия, в Джоулях.

В результате различных процессов теплообмена энергия, которая передается, определяется по-своему.

Нагревание и охлаждение

Этот процесс характеризуется изменением температуры системы. Количество теплоты определяется по формуле

Удельная теплоемкость вещества с измеряется количеством теплоты, которое необходимо для нагревания единицы массы данного вещества на 1К. Для нагревания 1кг стекла или 1кг воды требуется различное количество энергии. Удельная теплоемкость — известная, уже вычисленная для всех веществ величина, значение смотреть в физических таблицах.

Теплоемкость вещества С — это количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела без учета его массы на 1К.

Плавление и кристаллизация

Плавление — переход вещества из твердого состояния в жидкое. Обратный переход называется кристаллизацией.

Энергия, которая тратится на разрушение кристаллической решетки вещества, определяется по формуле

Удельная теплота плавления известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Парообразование (испарение или кипение) и конденсация

Парообразование — это переход вещества из жидкого (твердого) состояния в газообразное. Обратный процесс называется конденсацией.

Удельная теплота парообразования известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Горение

Количество теплоты, которое выделяется при сгорании вещества

Удельная теплота сгорания известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Для замкнутой и адиабатически изолированной системы тел выполняется уравнение теплового баланса. Алгебраическая сумма количеств теплоты, отданных и полученных всеми телами, участвующим в теплообмене, равна нулю:

Q₁+Q₂+…+Q_n=0

Количество теплоты в физике — формулы и определение с примерами

Содержание:

Количество теплоты:

В чём причина изменения внутренней энергии макроскопического тела при теплообмене?

Теплообмен

Другим способом изменения внутренней энергии термодинамической системы является теплообмен.

Теплообмен — самопроизвольный процесс передачи внутренней энергии от тела с большей температурой телу с меньшей температурой без совершения работы.

Теплообмен между контактирующими телами называют теплопередачей. За счёт переданной при этом энергии увеличивается внутренняя энергия одного тела и уменьшается внутренняя энергия другого. Если, например, привести в соприкосновение два тела с разными температурами, то частицы более нагретого тела будут передавать часть своей кинетической энергии частицам менее нагретого тела. В результате внутренняя энергия одного тела уменьшается, а другого увеличивается.

Таким образом, при теплопередаче не происходит превращения энергии из одной формы в другую: часть внутренней энергии более нагретого тела передаётся менее нагретому.

Количество теплоты и удельная теплоёмкость

Количественной мерой энергии, сообщённой телу (или отданной им) в процессе теплообмена, является количество теплоты.

В СИ единицей количества теплоты Q является джоуль (Дж). Иногда для измерения количества теплоты используют внесистемную единицу — калорию

Если процесс теплообмена не сопровождается изменением агрегатного состояния вещества, то

где — масса тела; — разность температур в конце и в начале процесса теплообмена; с — удельная теплоёмкость вещества — физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое получает вещество массой 1 кг при увеличении его температуры на 1 К. Удельную теплоёмкость измеряют в джоулях, деленных на килограмм, кельвин 

Удельная теплоёмкость зависит от свойств данного вещества и, как показывает опыт, в достаточно большом интервале температур практически не изменяется. Однако удельная теплоёмкость газа зависит от того, при каком процессе (изобарном или изохорном) осуществляется теплообмен.

Интересно знать:

Физическая величина, равная произведению массы тела на удельную теплоёмкость вещества, носит название теплоёмкость тела. Обозначают теплоёмкость С и измеряют в джоулях, деленных на кельвин Теплоёмкость в отличии от удельной теплоёмкости, является тепловой характеристикой тела, а не вещества.

Удельная теплота плавления

Физическую величину, численно равную количеству теплоты, необходимому для превращения кристаллического вещества массой 1 кг, взятого при температуре плавления, в жидкость той же температуры, называют удельной теплотой плавления Эту величину измеряют в джоулях, делённых на килограмм  Для плавления тела массой предварительно нагретого до температуры плавления, ему необходимо сообщить количество теплоты При кристаллизации тела такое же количество теплоты выделяется:

Удельная теплота парообразования

Физическую величину, численно равную количеству теплоты, которое необходимо передать жидкости массой 1 кг, находящейся при температуре кипения, для превращения её при постоянной температуре в пар, называют удельной теплотой парообразования L. Единицей измерения этой величины является джоуль, делённый на килограмм Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости массой предварительно нагретой до температуры кипения, в пар, определяют по формуле Конденсация пара сопровождается выделением количества теплоты

Удельная теплота сгорания топлива

Физическую величину, численно равную количеству теплоты, выделяющемуся при полном сгорании топлива массой 1 кг, называют удельной теплотой сгорания топлива и измеряют в джоулях, делённых на килограмм Количество теплоты, выделившееся при полном сгорании некоторой массы топлива, определяют по формуле

Это количество теплоты передаётся телам, образующим термодинамическую систему, и по отношению к ним является положительной величиной.

Примеры решения задач

Пример №1

На рисунке 77 представлен график зависимости абсолютной температуры нагреваемого тела от переданного ему количества теплоты. Воспользовавшись таблицей на с. 84, определите вещество, из которого изготовлено тело, если его масса

Решение:

Для того чтобы определить вещество, из которого изготовлено тело, найдём его удельную теплоёмкость с. Анализируя график, делаем вывод, что при нагревании тела от температуры до температуры ему было передано количество теплоты которое можно рассчитать по формуле 

Следовательно, удельная теплоёмкость вещества

Полученное значение удельной теплоёмкости соответствует олову.

Ответ: — олово.

Пример №2

В налитую в сосуд воду, масса которой  и температура добавили некоторое количество льда при температуре Определите массу льда, если после достижения теплового равновесия температура содержимого сосуда Теплоёмкостью сосуда и потерями тепла пренебречь. Удельная теплоёмкость воды льда удельная теплота плавления льда

Решение:

Пренебрегая потерями энергии в окружающую среду, учитываем только обмен энергией между входящими в систему телами. Рассмотрим тепловые процессы, происходившие в системе:

1) нагревание льда от температуры до температуры плавления

2) таяние льда:

3) нагревание воды, появившейся при таянии льда, от температуры до температуры

4) остывание тёплой воды массой от температуры до температуры Составим уравнение теплового баланса: или 

Откуда масса льда:

Ответ:

Тест № 3 по физике 8 класс на тему «Количество теплоты»

Ф.И.______________________________________ 8 «___» кл

Количество теплоты. Удельная теплоемкость

Вариант 1

1. Что такое количество теплоты?

А. Количество внутренней энергии, которое необходимо для нагревания вещества на 1 °С.

Б. Часть внутренней энергии, которую тело получает или теряет при теплопередаче.

В. Количество внутренней энергии, необходимое для нагревания вещества массой 1 кг на 1 °С.

Г. Часть внутренней энергии, которую получает тело при совершении над ним работы.

2. В каких единицах измеряют удельную теплоемкость?

А. Дж. Б. Вт. В. . Г. Д.

3. Четыре жидкости одинаковой массы получили одинаковое количество теплоты. Какая из них нагреется на меньшее число градусов?

А. Вода. Б. Керосин. В. Спирт. Г. Растительное масло.

4. Какое количество теплоты потребуется для нагревания 10 г меди на 15 °С?

А. 600 Дж. Б. 3,75 Дж. В. 60 Дж. Г. 266,7 Дж. Д. 60 000 Дж.

5. При охлаждении медного прута на 25 °С выделилось 200 Дж энергии. Какова масса медного прута?

А. 50 кг. Б. 0,02 кг. В. 2 кг. Г. 0,5 кг. Д. 2 000 000 кг.

Ф.И.______________________________________ 8 «___» кл

Количество теплоты. Удельная теплоемкость

Вариант 2

1. Количество теплоты, затраченное на нагревание тела, зависит от. ..

А. Массы, объема и рода вещества.

Б. Изменения его температуры, плотности и рода вещества.

В. Массы тела, его плотности и изменения температуры.

Г. Рода вещества, его массы и изменения температуры.

2. В каких единицах измеряют внутреннюю энергию?

А. . Б. Дж. В.. Г. Вт. Д.

3. Удельная теплоемкость свинца 140 . Это значит, что для нагревания…

А. Свинца массой 140 кг на 1 °С требуется 1 Дж энергии.

Б. Свинца массой 1 кг на 140 °С требуется 1 Дж энергии.

B. Свинца массой 1 кг на 1 °С требуется 140 Дж энергии.

Г. Свинца массой 1 кг на 140 °С требуется 140 Дж энергии.

4. Какое количество теплоты выделите и при охлаждении 20 г спирта на 6 °С?

А. 300 Дж.

Б. 8 333,3 Дж.

В. 0,048 Дж.

Г. 400 000 Дж.

Д. 750 Дж.

5. При нагревании 4 г спирта передано 200 Дж количества теплоты. На сколько градусов изменилась температура спир-та?

А. 2 000 000 °С. Б. 50 °С. В. 2000 °С. Г. 0,05 °С. Д. 20 °С.

Ф.И.______________________________________ 8 «___» кл

Количество теплоты. Удельная теплоемкость

Вариант 3

1. Что называют удельной теплоемкостью?

A. Количество теплоты, необходимое для нагревания вещества массой 1 кг на 1 °С.

Б. Количество внутренней энергии, которую получает тело при совершении работы.

B. Количество теплоты, которое необходимо для нагревания вещества на 1 °С.

Г. Количество внутренней энергии, которое отдает или получает тело при теплопередаче.

2. В каких единицах измеряют количество теплоты?

А. . Б. . В.. Г. Дж. Д. Вт.

3. Четыре шарика одинаковой массы нагрели до одинаковой температуры. Какому шарику для этого потребовалось больше энергии?

А. Медному. В. Алюминиевому.

Б. Оловянному. Г. Стальному.

4. Какое количество теплоты потребуется для нагревания цинка массой 50 г на 25 °С?

А. 200 Дж. Г. 3,125 Дж.

Б. 500 Дж. Д. 500 000 Дж.

В. 800 Дж.

5. На сколько градусов изменилась температура цинка массой 20 г, если при его охлаждении выделилось 200 Дж энергии?

А. 16 000 °С. Б. 0,04 °С. В. 25 °С. Г. 1 600 000 °С. Д. 40 °С.

Ф.И.______________________________________ 8 «___» кл

Количество теплоты. Удельная теплоемкость

Вариант 4

1. Количеством теплоты называют ту часть внутренней энергии, которую…

А. Имеет тело.

Б. Получает тело при совершении над ним работы.

В. Тело получает от другого тела при теплопередаче.

Г. Тело отдает другому телу при теплопередаче.

Д. Тело получает или теряет при теплопередаче.

2. В каких единицах измеряют удельную теплоемкость?

А. . Б. В.. Г. Вт. Д. .

3. Четыре жидкости одинаковой массы получили одинаковое количество теплоты. Какая из них на греется на большее число градусов?

А. Керосин. Б. Растительное масло. В. Спирт. Г. Вода.

4. Какое количество теплоты выделится при охлаждении 10 г стали на 8 °С?

А. 40 000 Дж.

Б. 0,16 Дж.

В. 625 Дж.

Г. 40 Дж.

Д. 400 Дж.

5. Какую массу стали нагрели до температуры 20 °С, если ей сообщили 200 Дж количества теплоты?

А. 0,02 кг. Г. 0,5 кг

Б. 50 кг. Д. 2 000 000 кг.

В. 2 кг.

Ф.И.______________________________________ 8 «___» кл

Количество теплоты. Удельная теплоемкость

Вариант 5

1. Количество теплоты, выделенное при охлаждении
тела, зависит от…

А. Массы тела, его плотности и изменения температуры.

Б. Массы, объема и рода вещества.

В. Рода вещества, его массы и изменения температуры.

Г. Изменения его температуры, плотности и рода вещества.

2. В каких единицах измеряют внутреннюю энергию?

А. Б. В… Г.. Д. Вт.

3. Удельная теплоемкость графита — 750. Это значит, что для нагревания…

A. Графита массой 750 кг на 1 °С требуется 1 Дж энергии.

Б. Графита массой 1 кг на 750 °С требуется 750 Дж энергии.

B. Графита массой 1 кг на 750 °С требуется 1 Дж энергии.

Г. Графита массой 1 кг на 1 °С требуется 750 Дж энергии.

4. Какое количество теплоты потребуется для нагревания 20 г латуни на 5 °С?

А. 100 Дж.

Б. 40 Дж.

В. 40 000 Дж.

Г. 1600 Дж.

Д. 0,25 Дж.

5. При охлаждении латуни на 50 °С выделилось 200 Дж энергии. Какова масса латуни?

А. 4000 кг. Б. 1 кг. В. 4 000 000 кг. Г. 0,01 кг. Д. 100 кг.

Ф.И.______________________________________ 8 «___» кл

Количество теплоты. Удельная теплоемкость

Вариант 6

1. Удельной теплоемкостью называют…

А. Количество теплоты, которое необходимо для нагревания вещества на 1 °С.

Б. Количество внутренней энергии, которую получает тело при совершении работы.

В. Количество внутренней энергии, которую тело получает или отдаёт при теплопередаче.

Г. Количество теплоты, необходимое для нагревания вещества массой 1 кг на 1 °С.

2. В каких единицах измеряют количество теплоты?

А. Вт. Б. В.. Г.. Д. .

3. Четыре шарика одинаковой массы нагрели до одной и той же температуры. Какому шарику потребовалось для этого меньше энергии?

А. Оловянному. Б. Стальному. В. Медному. Г. Алюминиевому.

4. Какое количество теплоты выделится при охлаждении 50 г серебра на 4 °С?

А. 3 125 Дж. Г. 0,8 Дж.

Б. 20 Дж. Д. 50 Дж.

В. 50 000 Дж.

5. На сколько градусов нагрелось серебро массой 20 г, если ему сообщили 200 Дж количества теплоты?

А. 1 000 000 °С. Г. 1000 °С.

Б. 0,025 °С. Д. 25 °С.

В. 40 °С.

единицы измерения и их правильное использование. Теплота — один из способов передачи энергии

В данном уроке рассматривается понятие количества теплоты.

Если до этого момента мы рассматривали общие свойства и явления, связанные с теплом, энергией или их передачей, то теперь пришло время познакомиться с количественными характеристиками этих понятий. А точнее, ввести понятие количества теплоты. На этом понятии будут основаны все дальнейшие расчеты, связанные с преобразованиями энергии и теплотой.

Определение

Количество теплоты
— это энергия, которая передается с помощью теплопередачи.

Рассмотрим вопрос: какой величиной мы будем выражать это количество теплоты?

Количество теплоты связано с внутренней энергией
тела, поэтому, когда тело получает энергию, его внутренняя энергия увеличивается, а когда отдает — уменьшается (рис. 1).

Рис. 1. Взаимосвязь количества теплоты и внутренней энергии

Аналогичные выводы можно сделать и о температуре тела (рис. 2).

Рис. 2. Взаимосвязь количества теплоты и температуры

Внутренняя энергия выражается в джоулях (Дж). Значит, количество теплоты также измеряется в джоулях (в СИ):

Стандартное обозначение количества теплоты.

Чтобы выяснить: от чего зависит , проведем 3 эксперимента.

Эксперимент № 1

Возьмем два одинаковых тела, но разной массы. Например, возьмем две одинаковые кастрюли и нальем в них разное количество воды (одинаковой температуры).

Очевидно, что для того, чтобы вскипятить ту кастрюлю, в которой воды больше, потребуется больше времени. То есть ей необходимо будет сообщить большее количество теплоты.

Из этого можно сделать вывод, что количество теплоты зависит от массы (прямо пропорционально — чем больше масса, тем больше количество теплоты).

Рис. 3. Эксперимент № 1

Эксперимент № 2

Во втором эксперименте мы будем нагревать тела одинаковой массы до разной температуры. То есть возьмем две кастрюли с водой одинаковой массы и нагреем одну из них на , а вторую, к примеру, на .

Очевидно, что, для того чтобы нагреть кастрюлю до большей температуры, понадобится больше времени, то есть ей необходимо будет сообщить большее количество теплоты.

Из этого можно сделать вывод, что количество теплоты зависит от разности температур (прямо пропорционально — чем больше разность температур, тем больше количество теплоты).

Рис. 4. Эксперимент № 2

Эксперимент № 3

В третьем эксперименте рассмотрим зависимость количества теплоты от характеристик вещества. Для этого возьмем две кастрюли и нальем в одну из них воду, а в другую — подсолнечное масло. При этом температуры и массы воды и масла должны быть одинаковы. Будем нагревать обе кастрюли до одинаковой температуры.

Для того чтобы нагреть кастрюлю с водой, потребуется больше времени, то есть ей необходимо будет сообщить большее количество теплоты.

Из этого можно сделать вывод, что количество теплоты зависит от рода вещества (подробнее о том, как именно, мы поговорим на следующем уроке).

Рис. 5. Эксперимент № 3

После проведенных экспериментов можно сделать вывод, что зависит:

• от массы тела;
• изменения его температуры;
• рода вещества.

Отметим, что во всех рассмотренных нами случаях речь не идет о фазовых переходах (то есть изменениях агрегатного состояния вещества).

Вместе с тем численное значение количества теплоты может зависеть и от его единиц измерения. Кроме джоуля, который является единицей СИ, используется еще одна единица измерения количества теплоты — калория
(переводится как «жар», «тепло»).

Это достаточно маленькое значение, поэтому чаще используется понятие килокалории: . Эта величина соответствует количеству теплоты, которое необходимо передать воды, чтобы нагреть его на .

На следующем уроке мы рассмотрим понятие удельной теплоемкости, которая связывает вещество и количество теплоты.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. — М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. — М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. — М.: Просвещение.

1. Интернет-портал «festival.1september.ru» ()
2. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()
3. Интернет-портал «school.xvatit.com» ()

Домашнее задание

1. Стр. 20, параграф 7, вопросы № 1-6. Перышкин А.В. Физика 8. — М.: Дрофа, 2010.
2. Почему вода в озере остывает за ночь гораздо меньше, чем песок на пляже?
3. Почему климат, для которого характерны резкие перепады температуры между днем и ночью, называют резко континентальным?

§ 1 Количество теплоты

Включим в холодном помещении электрообогреватель, и температура воздуха начинает повышаться. Или после зимней прогулки возвращаемся в теплый дом и ощущаем тепло. Названные примеры относят к теплообмену.

Теплообмен — это явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому телу без совершения механической работы. В процессе теплообмена энергия или, как говорят, теплота поступает (нагревание комнаты электрообогревателем) или выделяется в окружающую среду (остывание горячей воды в чаше).

К примеру, чтобы согреть помещение или охладить устройство, защитить механизм от перегрева, необходимо выполнить расчеты, а значит, ввести параметр, с помощью которого удастся быстро и эффективно сосчитать количество поступающей или выделяющейся теплоты.

Количество теплоты- это энергия, передающаяся от одного тела к другому при теплообмене.

Вы видите калориметр — прибор для измерения количества теплоты. Простейший калориметр состоит из двух стаканов: внутреннего алюминиевого и внешнего пластмассового, которые разделены воздушным промежутком.

Как его применяют на практике? Во внутренний стакан нальём 200 г воды. Измерим её температуру: 20 °С. Погрузим в воду горячее тело — металлический цилиндрик.

Внутри калориметра начнётся теплообмен, и некоторое количество теплоты перейдёт от цилиндрика к воде, в результате чего её температура повысится и станет равной 60 °С. Можно вычислить изменение температуры, тем самым узнаем, на сколько градусов повысилась температура воды в калориметре:

Известно, что масса воды 200 г, инженер-теплотехник объяснит, что вода получила 200 г · 40 °С = 4000 калорий теплоты, но в физике количество теплоты измеряют джоулями. Формула выглядит следующим образом:

количество теплоты равно произведению удельной теплоемкости вещества на массу взятого вещества и на его изменение температуры, где

В этой формуле появилась физическая величина — удельная теплоемкость.

Удельная теплоёмкость вещества — физическая скалярная величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо для изменения температуры 1(одного) кг этого вещества на 1 °С.

Эта величина является табличной.

Удельные теплоёмкости всех веществ измерены и занесены в специальные таблицы. Например, для воды в жидком состоянии с = 4200 Дж/(кг°С). Физический смысл показывает, что для нагревания 1 кг воды на 1 °С потребуется 4200 Дж теплоты. Иначе: каждый килограмм воды остывает на 1 °С, отдавая окружающим телам 4200 Дж тепловой энергии. Возвращаясь к нашему примеру, так как внутри калориметра находится вода, то воспользуемся данными таблицы и запишем ее значение: с = 4200 Дж/(кг°С)

Воспользуемся выше указанной формулой и сосчитаем количество теплоты, которое получила вода в джоулях:

§ 2 Единицы измерения количества теплоты

Для удобства и специфики работы используют внесистемные единицы количества теплоты — калории.

Калория — это количество тепла, необходимое для нагрева 1 г воды на 1 °С (от 19,5 до 20,5 °С).

Или используют:

1кДж = 1000Дж

1МДж = 1000000Дж

Данную формулу применяют не только в том случае, когда вещество нагревается, но и когда отдает тепло при охлаждении.

Калориметрические измерения показывают, что теплообмен всегда протекает так, что убывание внутренней энергии одних тел всегда сопровождается таким же поступлением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене. Это одно из проявлений закона сохранения и превращения энергии.

Для расчета количества теплоты применяют формулу, связывающую удельную теплоемкость вещества, массу тела и изменение температуры, которую используют для расчета при нагревании и при охлаждении вещества. Единица измерения количества теплоты в системе СИ — джоуль. Также выяснили табличную величину для разных веществ — удельная теплоемкость

Список использованной литературы:

1. Физика. 8 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений/А.В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2010.
2. Физика 7-9 Учебник И.В. Кривченко.
3. Физика Справочник. О.Ф. Кабардин. – М.: АСТ-ПРЕСС, 2010.

Использованные изображения:

Как мы уже знаем, внутренняя энергия тела может изменяться как при совершении работы, так и при помощи теплопередачи (не совершая работу).
Главное различие между работой и количеством теплоты заключается в том, что работа определяет процесс преобразования внутренней энергии системы, который сопровождается трансформацией энергии из одного вида в другой.

В том случае, если изменение внутренней энергии протекает с помощью теплопередачи
, переход энергии из одного тела в другое осуществляется за счет теплопроводности
, излучения, либо конвекции
.

Энергия, которую тело теряет или получает во время теплопередачи, называется количеством теплоты.

При вычислении количества теплоты, необходимо знать, какие величины влияют на него.

От двух одинаковых горелок будем нагревать два сосуда. В одном сосуде 1 кг воды, в другом – 2 кг. Температура воды в двух сосудах изначально одинакова. Мы можем видеть, что за одно и тоже время вода в одном из сосудов нагревается быстрее, хотя оба сосуда получают равное количество теплоты.

Таким образом, делаем вывод: чем больше масса данного тела, тем большее количество теплоты следует затратить, для того чтобы понизить, или повысить его температуру на такое же количество градусов.

Когда тело остывает, оно отдает соседним предметам тем большее количество теплоты, чем больше его масса.

Мы все знаем, что если нужно нагреть полный чайник воды до температуры 50°C, мы затратим меньше времени на это действие, чем для нагревания чайника с тем же объемом воды, но только до 100 °C. В случае номер один воде будет отдано меньшее количество теплоты, нежели во втором.

Таким образом, количество теплоты, требуемое для нагревания, напрямую зависит от того, на сколько градусов
сможет нагреться тело. Можно сделать вывод: количество теплоты напрямую зависит от разности температур тела.

Но возможно ли определить количество теплоты, требуемой не для нагревания воды, а какого-нибудь другого вещества, допустим, масла, свинца или железа.

Наполним один сосуд водой, а другой наполним растительным маслом. Массы воды и масла равные. Оба сосуда будем равномерно подогревать на одинаковых горелках. Начнем опыт при равной начальной температуре растительного масла и воды. Через пять минут, измерив температуры нагревшихся масла и воды, мы заметим, что температура масла намного выше температуры воды, хотя обе жидкости получали одинаковое количество тепла.

Напрашивается очевидный вывод: при нагревании равных масс масла и воды при одинаковой температуре нужно разное количество теплоты.

И мы тут же делаем еще одни вывод: количество теплоты, которое требуется для нагревания тела, напрямую зависит от вещества, из которого состоит само тело (рода вещества).

Таким образом, количество теплоты, нужное для нагревания тела (либо выделяемое при остывании), напрямую зависит от массы данного тела, вариативности его температуры, а также рода вещества.

Количество теплоты обозначают символом Q. Как и другие различные виды энергии, количество теплоты измеряется в джоулях (Дж) либо в килоджоулях (кДж).

1 кДж = 1000 Дж

Однако история показывает, что ученые стали измерять количество теплоты задолго того, как в физике появилось такое понятие как энергия. В то время, была выведена специальная единица для измерения количества теплоты – калория (кал) либо килокалория (ккал). Слово имеет латинские корни, калор – жара.

1 ккал = 1000 кал

Калория
– это то количество теплоты, которое нужно для нагревания 1 г воды на 1°C

1 кал = 4,19 Дж ≈ 4,2 Дж

1 ккал = 4190 Дж ≈ 4200 Дж ≈ 4,2 кДж

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!

сайт,
при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Обучающая цель: Ввести понятия количества
теплоты и удельной теплоемкости.

Развивающая цель: Воспитывать
внимательность; учить думать, делать выводы.

1. Актуализация темы

2. Объяснение нового материала. 50 мин.

Вам уже известно, что внутренняя энергия тела
может изменяться как путем совершения работы,
так и путем теплопередачи (без совершения
работы).

Энергия, которую получает или теряет тело при
теплопередаче, называют количеством теплоты. (запись
в тетрадь)

Значит и единицы измерения количества теплоты
тоже Джоули (Дж)
.

Проводим опыт: два стакана в одном 300 г. воды, а в
другом 150 г. и железный цилиндр массой 150 г. Оба
стакана ставятся на одну и ту же плитку. Через
некоторое время термометры покажут, что вода в
сосуде, в котором находится тело, нагревается
быстрее.

Это означает, что для нагревания 150 г. железо
требуется меньше количество теплоты, чем для
нагревания 150 г. воды.

Количество теплоты, переданное телу, зависит от
рода вещества, из которого изготовлено тело.
(запись в тетрадь)

Предлагаем вопрос: одинаковое ли количество
теплоты требуется для нагревания до одной и той
же температуры тел равной массы, но состоящих из
разных веществ?

Проводим опыт с прибором Тиндаля по
определению удельной теплоемкости.

Делаем вывод: тела из разных веществ, но
одинаковой массы, отдают при охлаждении и
требуют при нагревании на одно и то же число
градусов разное количество теплоты.

Делаем выводы:

1. Для нагревания до одной и той же температуры
тел равной массы, состоящих из разных веществ,
требуется различное количество теплоты.

2.Тела равной массы, состоящие из разных веществ
и нагретые до одинаковой температуры. При
охлаждении на одно и тоже число градусов отдают
различное количество теплоты.

Делаем заключение, что количество теплоты,
необходимое для нагревания на один градус
единицы масс разных веществ, будет различным.

Даем определение удельной теплоемкости.

Физическая величина, численно равная
количеству теплоты, которое необходимо передать
телу массой 1 кг для того, чтобы его температура
изменилась на 1 градус, называется удельной
теплоемкостью вещества.

Вводим единицу измерения удельной
теплоемкости: 1Дж/кг*градус.

Физический смысл термина: удельная
теплоемкость показывает, на какую величину
изменяется внутренняя энергия 1г (кг.) вещества
при нагревании или охлаждении его на 1 градус.

Рассматриваем таблицу удельных теплоемкостей
некоторых веществ.

Решаем задачу аналитическим путем

Какое количество теплоты требуется, чтобы
нагреть стакан воды (200 г.) от 20 0 до 70 0 С.

Для нагревания 1 г. на 1 г. Требуется — 4,2 Дж.

А для нагревания 200 г. на 1 г. потребуется в 200
больше — 200*4,2 Дж.

А для нагревания 200 г. на (70 0 -20 0)
потребуется еще в (70-20) больше — 200 * (70-20) *4,2 Дж

Подставляя данные, получим Q = 200 * 50*4,2 Дж = 42000 Дж.

Запишем полученную формулу через
соответствующие величины

4. От чего зависит количество теплоты,
полученное телом при нагревании?

Обращаем внимании, что количество теплоты,
необходимое для нагревания какого либо тела,
пропорционально массе тела и изменению его
температуры.,

Имеются два цилиндра одинаковой массы:
железный и латунный. Одинаковое ли количество
теплоты необходимо, чтобы нагреть их на одно и то
же число градусов? Почему?

Какое количество теплоты необходимо, чтобы
нагреть 250 г. воды от 20 о до 60 0 С.

Какая связь между калорией и джоулем?

Калория – это количество теплоты, которое
необходимо для нагревания 1 г воды на 1 градус.

1 кал = 4.19=4.2 Дж

1ккал=1000кал

1ккал=4190Дж=4200Дж

3. Решение задач. 28 мин.

Если прогретые в кипящей воде цилиндры из
свинца, олова и стали массой 1 кг поставить на лед,
то они охладятся, и часть льда под ними растает.
Как изменится внутренняя энергия цилиндров? Под
каким из цилиндров растает больше льда, под каким
– меньше?

Нагретый камень массой 5 кг. Охлаждаясь в воде
на 1 градус, передает ей 2,1 кДж энергии. Чему равна
удельная теплоемкость камня

При закалке зубила его сначала нагрели до 650 0 ,
потом опустили в масло, где оно стыло до 50 0 С.
Какое при этом выделилось количество теплоты,
если его масса 500 гр.

Какое количество теплоты пошло на нагревание
от 20 0 до 1220 0 С. стальной заготовки для
коленчатого вала компрессора массой 35 кг.

Самостоятельная работа

Какой вид теплопередачи?

Учащиеся заполняют таблицу.

1. Воздух в комнате нагревается через стены.
2. Через открытое окно, в которое входит теплый
   воздух.
3. Через стекло, которое пропускает лучи солнца.
4. Земля нагревается лучами солнца.
5. Жидкость нагревается на плите.
6. Стальная ложка нагревается от чая.
7. Воздух нагревается от свечи.
8. Газ двигается около тепловыделяющих деталей
   машины.
9. Нагревание ствола пулемета.
10. Кипение молока.

5. Домашнее задание: Перышкин А.В. “Физика 8” §
§7, 8; сборник задач 7-8 Лукашик В.И. №№778-780, 792,793 2
мин.

>>Физика: Количество теплоты

Изменить внутреннюю энергию газа в цилиндре можно, не только совершая работу, но и нагревая газ.
Если закрепить поршень (рис.13.5
), то объем газа при нагревании не меняется и работа не совершается. Но температура газа, а следовательно, и его внутренняя энергия возрастают.

Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называют теплообменом
или теплопередачей.

Количественную меру изменения внутренней энергии при теплообмене называют количеством теплоты
. Количеством теплоты называют также энергию, которую тело отдает в процессе теплообмена.
Молекулярная картина теплообмена

При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую, часть внутренней энергии горячего тела передается холодному телу.
Количество теплоты и теплоемкость.
Вам уже известно, что для нагревания тела массой m
от температуры t 1
до температуры t 2
необходимо передать ему количество теплоты:

При остывании тела его конечная температура t 2
оказывается меньше начальной температуры t 1
и количество теплоты, отдаваемое телом, отрицательно.
Коэффициент c
в формуле (13.5) называют удельной теплоемкостью
вещества. Удельная теплоемкость — это величина, численно равная количеству теплоты, которое получает или отдает вещество массой 1 кг при изменении его температуры на 1 К.

Удельная теплоемкость зависит не только от свойств вещества, но и от того, при каком процессе осуществляется теплопередача. Если нагревать газ при постоянном давлении, то он будет расширяться и совершать работу. Для нагревания газа на 1°С при постоянном давлении ему нужно передать большее количество теплоты, чем для нагревания его при постоянном объеме, когда газ будет только нагреваться.
Жидкие и твердые тела расширяются при нагревании незначительно. Их удельные теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении мало различаются.
Удельная теплота парообразования.
Для превращения жидкости в пар в процессе кипения необходима передача ей определенного количества теплоты. Температура жидкости при кипении не меняется. Превращение жидкости в пар при постоянной температуре не ведет к увеличению кинетической энергии молекул, но сопровождается увеличением потенциальной энергии их взаимодействия. Ведь среднее расстояние между молекулами газа много больше, чем между молекулами жидкости.
Величину, численно равную количеству теплоты, необходимому для превращения при постоянной температуре жидкости массой 1 кг в пар, называют удельной теплотой парообразования
. Эту величину обозначают буквой r
и выражают в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Очень велика удельная теплота парообразования воды: r h3O
=2,256 10 6 Дж/кг при температуре 100°С. У других жидкостей, например у спирта , эфира, ртути, керосина, удельная теплота парообразования меньше в 3-10 раз, чем у воды.
Для превращения жидкости массой m
в пар требуется количество теплоты, равное:

При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:

Удельная теплота плавления.
При плавлении кристаллического тела вся подводимая к нему теплота идет на увеличение потенциальной энергии молекул. Кинетическая энергия молекул не меняется, так как плавление происходит при постоянной температуре.
Величину, численно равную количеству теплоты, необходимому для превращения кристаллического вещества массой 1 кг при температуре плавления в жидкость, называют удельной теплотой плавления .

При кристаллизации вещества массой 1 кг выделяется точно такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении.
Удельная теплота плавления льда довольно велика: 3,34 10 5 Дж/кг. «Если бы лед не обладал большой теплотой плавления, — писал Р. Б л эк еще в XVIII в., — то тогда весной вся масса льда должна была бы растаять в несколько минут или секунд, так как теплота непрерывно передается льду из воздуха. Последствия этого были бы ужасны; ведь и при существующем положении возникают большие наводнения и сильные потоки воды при таянии больших масс льда или снега».
Для того чтобы расплавить кристаллическое тело массой m
, необходимо количество теплоты, равное:

Количество теплоты, выделяемое при кристаллизации тела, равно:

Внутренняя энергия тела меняется при нагревании и охлаждении, при парообразовании и конденсации, при плавлении и кристаллизации. Во всех случаях телу передается или от него отнимается некоторое количество теплоты.

???
1. Что называют количеством теплоты
?
2. От чего зависит удельная теплоемкость вещества?
3. Что называют удельной теплотой парообразования?
4. Что называют удельной теплотой плавления?
5. В каких случаях количество теплоты положительная величина, а в каких случаях отрицательная?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Содержание урока


конспект урока

опорный каркас
презентация урока
акселеративные методы
интерактивные технологии
Практика


задачи и упражнения
самопроверка
практикумы, тренинги, кейсы, квесты
домашние задания
дискуссионные вопросы
риторические вопросы от учеников
Иллюстрации


аудио-, видеоклипы и мультимедиа

фотографии, картинки
графики, таблицы, схемы
юмор, анекдоты, приколы, комиксы
притчи, поговорки, кроссворды, цитаты
Дополнения


рефераты

статьи
фишки для любознательных
шпаргалки
учебники основные и дополнительные
словарь терминов
прочие
Совершенствование учебников и уроков
исправление ошибок в учебнике

обновление фрагмента в учебнике
элементы новаторства на уроке
замена устаревших знаний новыми
Только для учителей


идеальные уроки

календарный план на год
методические рекомендации
программы
обсуждения
Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Тепло

Тепло

Тепло

Тепло способ передачи энергии между системами
и его окружение, которое часто, но не всегда, меняет
температура системы. Тепло не сохраняется, его можно
либо созданы, либо уничтожены. В метрической системе теплота
измеряется в единицах калорий , которые определяются как
количество теплоты, необходимое для нагревания одного грамма
вода от 14.5 ^o С до 15,5 ^o С.

В системе СИ единицей тепла является джоулей .

Теплоемкость

теплоемкость вещества есть количество теплоты
требуется для повышения температуры определенного количества чистого
веществ на один градус (по Цельсию или Кельвину). Калорийность была
определяли так, чтобы теплоемкость воды была равна единице.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость вещества – это число
калорий, необходимых для повышения температуры одного грамма на 1 ^o C. Поскольку один градус по шкале Цельсия равен одному Кельвину,
удельная теплоемкость в метрической системе может быть выражена в единицах
либо кал/г- ^o C, либо кал/г-К. Единицы удельной теплоемкости
в системе СИ – Дж/г-К. Поскольку 4,184 Дж в
калория, удельная теплоемкость воды 4,184 Дж/г-К.

Легкость, с которой вещество приобретает или
потери тепла также можно описать с помощью его молярной теплоты.
мощность , это тепло, необходимое для повышения температуры
одного моля вещества на 1 ^o C или 1
К.В метрической системе единицами молярной теплоемкости являются
следовательно, либо кал/моль- ^или °С, либо кал/моль-К. В СИ
единицами молярной теплоемкости являются Дж/моль-К.

Скрытая теплота

При нагреве льда тепло, первоначально поступающее в систему
используется для растапливания льда. Когда лед тает, температура остается
постоянная при 0, ^o C. Количество тепла, необходимое для плавления
лед исторически назывался скрытой теплотой плавления .После того, как лед растает, температура воды медленно
увеличивается от 0 ^o C до 100 ^o C. Но как только
вода начинает кипеть, тепло, попадающее в образец, используется для
преобразование жидкости в газ и температуру образца
остается постоянной до тех пор, пока жидкость не испарится. Количество тепла
для кипячения или испарения жидкость исторически была
называется скрытой теплотой парообразования .

Более 200 лет назад Джозеф Блэк различал разумных
теплота и скрытая теплота .Тепло, которое поднимает
можно измерить температуру системы, но тепло, которое приводит к
изменение состояния системы из твердого в жидкое или
из жидкости в газ скрыто. Как скрытое изображение на
фотопленка, которая не была проявлена ​​или со скрытыми отпечатками пальцев
невидимое невооруженным глазом, скрытое тепло
тепло, поступающее в систему без изменения температуры
система.

Тепло и кинетика
Молекулярная теория

Система — это небольшая часть Вселенной в
которые нас интересуют, например вода в стакане или газ
в поршне и цилиндре, как показано на рисунках ниже. окружения — это все остальное в
Другими словами, остальная часть Вселенной.

Система и ее окружение разделены границей .
Тепло передается через границу между системой и ее
окрестности.

Одним из фундаментальных принципов кинетической теории является
предположение, что средняя кинетическая энергия газового скопления
частиц зависит от температуры газа и больше ни от чего.Газ становится теплее тогда и только тогда, когда средняя кинетическая энергия
частиц газа увеличивается. Тепло, когда оно повышает температуру
системы, приводит к увеличению скорости, с которой
частицы системы движутся, как показано на рисунке ниже.

Измерение тепла — видео по физике от Brightstorm

Измерение тепла производится в калориях.Одна калория — это количество энергии, необходимое для нагревания одного грамма воды на один градус Цельсия. Чтобы измерить тепло, вы делите изменение температуры образца воды на массу воды.

Измерение тепла, так как мы можем измерить тепло? Помните, что тепло — это поток энергии от горячего объекта к холодному или от чего-то более горячего к чему-то более холодному.Что ж, мы можем измерить это тепло с помощью чего-то, что называется калорией. Калория — это измерение количества тепла в веществе, и это, по сути, то количество энергии, которое требуется, чтобы поднять один грамм воды на один градус Цельсия, и мы можем использовать формулу, чтобы вычислить это изменение температуры по Цельсию, разделенное по массе воды, которая была нагрета при этом.

Давайте рассмотрим пример того, как можно рассчитать меру тепла, как рассчитать калории.Допустим, у нас есть образец пищи, и когда образец пищи сгорает, а тепло поднимает температуру 25 граммов воды с 10 градусов по Цельсию до 85 градусов по Цельсию, сколько калорий выделяется этой пищей? И давайте предположим, что мы получили всю энергию от этой пищи для нагрева воды, мы не много потеряли в окружающую среду и в другие места, что вся эта энергия была передана непосредственно в воду, хорошо, поэтому мы можем просто установить это вверх. У нас есть изменение температуры в порядке над нашей массой воды, хорошо, что, как вы знаете, мы собираемся использовать, а затем в граммах наши научные единицы, поэтому изменение температуры наша конечная температура была 85 градусов по Цельсию, наша начальная температура была, I извините, 10 градусов по Цельсию, а наша масса воды была 25 граммов, хорошо, поэтому, если мы разделим это, мы получим 75 градусов по Цельсию, это наше изменение температуры, деленное на 25 граммов воды, что будет равно 3 калориям, так что образец пищи произвел 3 Калории и 3 калории — это измерение тепла, которое было передано от этой пищи в воду, или переданное тепло — измерение тепла.

Измерение тепла с помощью термометра

Для измерения тепла используются два класса приборов, а именно термометры и пирометры. Термометры используются только для измерения сравнительно низких температур, и в настоящей статье мы полностью ограничим наши замечания этим классом.
Современная физика продемонстрировала, что теплота есть просто способ движения материи, и принципы, от которых зависит ее измерение, возможно, труднее понять, чем ложную теорию, господствовавшую до установления этой доктрины.Пока теплота считалась субстанцией, хотя и невесомой, нетрудно было понять, каким образом ее поглощение телом могло определенно увеличить это тело, как дерево увеличивается при поглощении воды. Труднее понять, почему тело увеличивается в размерах благодаря усиленному движению его частиц. Однако, если мы отбросим в данном случае рассмотрение «почему» и ограничимся рассмотрением закона или способа, которым происходит это расширение, мы можем прийти к определенным и практическим результатам. Тем не менее уместно заявить, что ультиматум, которого выдвинула наука в отношении причины этого расширения, состоит в том, что hedt в некотором роде противостоит сплочению. В настоящее время совершенно бесполезно пытаться пойти дальше этого. Однако тот факт, что такое расширение имеет место как в твердых, так и в жидких телах, и что оно в известных пределах достаточно однородно в некоторых веществах, чтобы стать средством измерения температур, которым эти вещества подвергаются, является основанием для термометрического измерения.Но следует отчетливо иметь в виду еще один момент; термометры измеряют только явное тепло. Таким образом, один фунт пара при 313 Fah. содержит достаточно тепла, чтобы нагреть пять с половиной фунтов воды до той же температуры, что легко доказывается экспериментом. Отсюда следует, что абсолютное или общее число тепловых единиц, содержащихся в каком-либо веществе, должно определяться каким-либо другим способом, кроме термометра, и что градус на термометре не может считаться единицей теплоты. Что же тогда является единицей тепла Было условлено считать количество тепла, необходимое для поднятия одного фунта воды из 33 Fah.до 33 Фа. как единицу тепла, и хотя, несомненно, в метлиоде есть небольшие источники ошибок, он достаточно точен, чтобы считать количество тепла, необходимое для нагревания одного фунта воды на один градус, где-то между 33 фарами. и 313 Фах. как постоянная величина.
Это также правильное заключение, что любое отдельное вещество в однородном состоянии, что касается силы сцепления его частиц, должно проявлять одну и ту же температуру, пока оно поддерживает это состояние, поскольку теплота есть сила, противоположная силе сцепления.Чем больше тепла, тем меньше сцепление, и наоборот. Вода при переходе из жидкого состояния в твердое сохраняет такую ​​однородность состояния; поэтому его температуру можно считать постоянной. Он также сохраняет такую ​​же однородность состояния при переходе из жидкого состояния в пар при температуре кипения. Таким образом, точки замерзания и кипения воды можно рассматривать как два выдающихся ориентира температуры, от которых зависит величина расширения некоторого равномерно или почти равномерно расширяющегося вещества, такого как ртуть, погруженного в воду при двух названных условиях, отмечаемой на шкале. деления могут быть произвольно сделаны в каждую сторону на одной и той же шкале, которая будет указывать температуры выше или ниже этих точек.Шкала Цельсия делает высоту ртутного столба, погруженного в ледяную воду, равной нулю, а расстояние между этой точкой и высотой того же столбика, погруженного в кипящую воду, делит на сто градусов, в то время как шкала Фаренгейта делает первую названную высоту 33 градуса выше нуля, и делит пространство между этой высотой и высотой, на которой стоит ртуть в кипящей воде, на сто восемьдесят делений, или градусов.
Следующим предметом нашего внимания является то, как можно определить количество теплоты в каком-либо теле по термометрическим показаниям.Установлен следующий закон. Общее количество теплоты в любом теле есть сумма его скрытой теплоты и его явной теплоты. Скрытое тепло определяется известной способностью исследуемого тела при данных температурах поглощать тепло или, другими словами, отдавать его в скрытое состояние. Этот термин, скрытая теплота, не очень хорош, хотя мы все же вынуждены использовать его за неимением лучшего. Мы пользуемся им только для того, чтобы различать теплоту, которая, действуя внутри массы материи и расходуя свою энергию на противодействие связующему притяжению, не может быть распознана ощущением, как свободная или чувственная теплота.Скрытая, или удельная, теплота различных тел стала предметом тщательного изучения, и были составлены справочные таблицы, дающие готовые средства вычислений; но удельная теплоемкость всех тел изменяется по любой причине, которая уменьшает или увеличивает расстояние между частицами, составляющими их массу. Сжатие пара уменьшает его удельную теплоемкость, а повышает его температуру, и наоборот. Таким образом, удельная теплоемкость пара постоянна только при постоянном давлении.Теперь мы увидим, что общее количество теплоты, содержащейся в любом теле, может быть определено с помощью термометра только тогда, когда заранее определена его удельная теплоемкость для всех температур. Это было сделано для многих веществ, включая воду и пар, для которых применение измерения теплоты имеет первостепенное значение, так как только с помощью такого измерения могут быть решены вопросы экономии в парогенераторах. Количество воды, испарившейся при постоянной температуре на фунт израсходованного горючего при постоянном давлении, является единственным надежным критерием экономичности парового котла.Когда испарение происходит при температуре 313, требуемая однородность давления и, следовательно, температуры легко поддерживается, чего не было бы в случае, если бы двигатель приводился в движение за счет образующегося пара или если бы была предпринята попытка производить пар при постоянно более высокой температуре. температура. Температуру питательной воды можно легко поддерживать на постоянном уровне либо при 313, либо при более низкой температуре, и количество этой воды, которое фунт топлива превратит в пар при 313, является точным показателем мощности котел для передачи тепла через его корпус в содержащуюся воду.

Удельная теплоемкость – обзор

2.31.2.2.1 Линейное сканирование

Наиболее распространенным режимом работы ДСК является нагрев или охлаждение с постоянной скоростью. Основным результатом такого эксперимента является график зависимости скорости теплового потока от времени. Если известна температура положения образца, то данные также могут быть представлены в виде зависимости скорости теплового потока от температуры. (Следует знать, что обычно измеряется температура вблизи образца, а не температура самого образца.) Типичный пример показан на рис. 2 .

Рисунок 2. Температурный профиль и измеренная скорость теплового потока для (а) пустых кювет, (б) сапфирового калибровочного стандарта (31,3 мг) и (в) исходно аморфного ПЭЭК (29 мг). Скорость нагрева β = 20 К мин ⁻¹ .

Данные PerkinElmer Pyris Diamond DSC. Воспроизведено с разрешения Schick, C. Anal. Биоанал. хим. 2009 , 395 , 1589–1611. ³⁵

Из кривых теплового потока, показанных на рис. 2 , удельная теплоемкость c _p (T) может быть получена следующим образом

[8]cp(T)=cp,sapphire(T) msapphireβmsampleβΦsample(T)−Φempty(T)Φsapphire(T)−Φempty(T)=K(T)Φsample(T)−Φempty(T)msampleβ

с

K(T)=cp,sapphire(T)msapphireβΦsapphire (T)−Φпусто(T)

, где K ( T ) — калибровочный коэффициент, зависящий от температуры, который можно сохранить для использования в будущем. Здесь все измерения собираются с одинаковой скоростью сканирования. Изотермы в начале и в конце сканирования используются для поправки на небольшие изменения тепловых потерь между измерениями пустого стекла, сапфира и образца путем выравнивания этих частей кривых. Небольшие изменения потерь неизбежны, поскольку тепловые свойства, например теплопроводность, образцов различны. С другой стороны, проверка расхода тепла на изотермах позволяет проверить правильность размещения и термоконтактов всех частей измерительной системы, перемещаемых при смене образцов.Особенно высокотемпературная изотерма не должна сильно различаться между последовательными измерениями.

Удельная теплоемкость является наиболее полезной величиной, доступной в ДСК, поскольку она напрямую связана со свойствами образца и, согласно уравнениям [1]–[5], напрямую связана со стабильностью и порядком. Тем не менее, часто представляется только скорость теплового потока, полученная при измерении одного образца. Есть несколько причин, по которым это не должно быть представлено:

1.

На каждом графике теплового потока необходимо указывать эндотермическое или экзотермическое направление, поскольку направление графика не стандартизировано.

2.

Сравнивать кривые, измеренные при разных скоростях сканирования, непросто.

3.

Если не разделить на массу образца, кривые для разных образцов нельзя сравнивать.

4.

Если измерения пустой чаши не вычитаются, кривые могут быть кривыми, и построение базовой линии для интегрирования пиков может быть затруднено.

5.

Если калибровочный коэффициент теплового потока K ( T ) зависит от температуры, полученная теплота плавления и другие подобные параметры могут быть ошибочными.

Выполнение поправок (3)–(5) дает удельную теплоемкость согласно уравнению [8]. Поскольку большинство программных пакетов ДСК включают определение удельной теплоемкости по уравнению [8], настоятельно рекомендуется определять удельную теплоемкость, а не представлять кривые теплового потока. Хотя предпочтительнее представлять данные об удельной теплоемкости, могут быть причины не делать этого. Нормализация кривой теплового потока по скорости сканирования и массе образца может привести к «псевдо измерениям c _p », которые можно использовать для определения кристалличности в зависимости от температуры и других величин, как показано в ссылке 8.Но есть еще один очень сильный аргумент в пользу представления удельной теплоемкости, а не «псевдо c _p » или скорости теплового потока. Для более чем 200 полимеров данные об удельной теплоемкости от 0 до 1000 К доступны в банке данных ATHAS (ATHAS-DB). ³⁶ Данные можно использовать для сравнения измеренных данных в стеклообразном или жидком состоянии с рекомендуемыми значениями. Это позволяет легко проверить качество измеренных данных, хотя следует иметь в виду, что точность рекомендуемых данных банка данных составляет всего около 6%. На рис. 3 показана удельная теплоемкость (согласно уравнению [8]), рассчитанная по данным, показанным на рис. 2 .

Рис. 3. Зависимость удельной теплоемкости от температуры для исходно аморфного образца PEEK. Данные с Рисунок 2 . Справочные данные (прямые линии) для полностью аморфного (жидкого) и кристаллического (твердого) ПЭЭК доступны в базе данных ATHAS-DB. ³⁶

Воспроизведено с разрешения Schick, C. Anal. Биоанал. хим. 2009 , 395 , 1589–1611. ³⁵

Более подробное обсуждение оценки кривых, показанных в Рис. 3 , дано в ссылке 35.

Помимо сканирующих измерений при нагреве, ДСК позволяет охлаждать в широком диапазоне скоростей охлаждения. В зависимости от прибора и интересующего температурного диапазона может быть достигнута скорость охлаждения до 750 К мин ^-1 (HyperDSC™ PerkinElmer, США). ^20,37–39 Но, как правило, диапазон температур для контролируемого охлаждения при самых высоких скоростях ограничен.Измерения, проводимые в широком диапазоне скоростей нагрева или охлаждения, требуют оптимизации условий эксперимента. Масса образца должна масштабироваться обратно пропорционально скорости сканирования. При низких скоростях, когда тепловая задержка не является проблемой, масса образца должна быть высокой, чтобы иметь хорошее отношение сигнал/шум. При высоких скоростях, когда сигналы велики, масса образца должна быть небольшой, чтобы свести к минимуму тепловой поток к образцу, который пропорционален скорости и вызывает тепловую задержку. Были тщательно изучены проблемы, связанные с тепловой задержкой, температурной калибровкой и воспроизводимостью в экспериментах по быстрому сканированию ДСК, и были даны адекватные рекомендации. ^37,40,41 На рис. 4 показаны кривые охлаждения в диапазоне кристаллизации полиэтилена низкой плотности (ПЭ). При скоростях выше 200 К мин ^-1 управляемое охлаждение до 100°C было невозможно из-за ограниченной охлаждающей способности используемого механического промежуточного охладителя. Если необходимы более высокие скорости охлаждения, необходимо использовать жидкий азот. Для более низких скоростей сканирования, показанных в Рисунок 4 , масса образца должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить хорошее отношение сигнал/шум.При более высоких скоростях большой образец (4 мг) вызывает некоторое термическое отставание, как обсуждалось в учебниках и ссылках 37, 40 и 42. Это также видно по уширению пика кристаллизации при 20 К мин ^–1  по сравнению с с образцом 0,4 мг при той же скорости охлаждения. Данные, показанные на рис. 4 , предоставляют информацию о кинетике кристаллизации и могут быть проанализированы с использованием различных кинетических моделей. ^43–48

Рис. 4. Кривые охлаждения в области кристаллизации ПЭ низкой плотности.Образцы имеют массу 4 мг в алюминиевом противне на 25 мг для скоростей охлаждения до -20 K мин ^-1 и массой 0,4 мг в алюминиевой фольге на 2 мг для более высоких скоростей охлаждения. Теплоемкость отложена вниз.

Данные PerkinElmer Pyris 1 DSC. Воспроизведено с разрешения Schick, C. Anal. Биоанал. хим. 2009 , 395 , 1589–1611. ³⁵

Как показано на рис. 4 , DSC имеет широкий динамический диапазон, который может быть расширен как минимум на 1 порядок в сторону более низких скоростей; таким образом, он покрывает 3 порядка.Расширение на несколько порядков в сторону более высоких скоростей обсуждается в разделе 2.31.3.2. Возможность достаточно быстрого охлаждения образца позволяет изучать структурообразование в далеко неравновесных ситуациях, таких как «квази»-изотермическая кристаллизация при глубоком переохлаждении.

Биологическая энергия

Измерение энергии

В четвертой главе рассказа «Знакомьтесь, брат Грегори» брат Мэтью изобретает новую единицу измерения тепла; horko , что в переводе с чешского означает «тепло».Он опоздал. У англичан уже была единица, которую они называли «британской термальной единицей», или BTU , основанная на их собственных единицах измерения «фут-фунт». Но в Европе, во всех странах, захваченных французским императором Наполеоном Бонапартом, утверждалась новая система измерений, особенно в науке. Это была «метрическая» система, основанная на единице измерения в одну сорокмиллионную часть земной окружности.

Метрическая система, которая имеет стандарты для измерения расстояния, объема, тепла и температуры, но, что любопытно, не времени, построена в единицах по десять.Латинские префиксы используются для дробей, а греческие префиксы используются для кратных десяти, так что десять метров становятся одним дека метров (греческий префикс), тогда как десятая часть метра составляет деци метров (латинский префикс).

Для измерения теплопередачи физикам-метрикам требовалась метрическая единица измерения. Они выбрали единицу, исходя из количества тепла (или энергии), необходимого для повышения температуры одного грамма воды с 14,5 до 15,5 градусов по Цельсию. Технически этот стандарт должен называться грамм-калорий , но большинство людей называют его просто калорий , слово, происходящее от латинского слова «тепло».

Помимо очевидного использования метрических единиц (грамм и градус Цельсия), это определение стандартной «калории» содержит две другие части, требующие объяснения; почему вода и почему 14,5-15,5 градусов?

Опыт и эксперименты быстро показали, что всем веществам требуется разное количество тепла, чтобы поднять их температуру на один градус Цельсия. Встаньте рядом с кузнецом, когда он или она стучит по раскаленному железному бруску, и полетят искры. Эти осколки металла очень, очень горячие (их температура высока).Но если один из них попадет вам на голую кожу, кроме шока, маловероятно, что вы обожжетесь. С другой стороны, если на вашу кожу упадет капля горячей воды, температура которой намного ниже температуры горячего утюга, вы, вероятно, ошпаритесь. Несмотря на разницу температур, вода держит гораздо больше тепла, чем утюг.

Требуется одна калория тепла, чтобы поднять температуру одного грамма воды на один градус, но та же самая калория тепла повысит температуру одного грамма алюминия 4. 5 градусов, один грамм железа на 9 градусов, один грамм меди на 11 градусов, один грамм серебра на 18 градусов и один грамм свинца на 33 градуса. Это ясно показывает различие между теплом и температурой.

Поэтому при установлении «стандарта калорий» важно определить вещество, к которому добавляется тепло. Это также дает нам другое свойство веществ, называемое удельной теплоемкостью , то есть количество теплоты (или энергии), необходимое для повышения температуры одного грамма этого вещества на один градус Цельсия.

Даже вода не постоянна в этом отношении. Количество тепла (или энергии), необходимое для повышения температуры воды на один градус, зависит от того, с какой точки шкалы Цельсия вы начинаете. Одному грамму воды при температуре 1 градус Цельсия требуется больше энергии, чтобы поднять ее температуру до 2 градусов Цельсия, чем требуется для повышения температуры одного грамма воды при 92 градусах Цельсия до 93 градусов Цельсия. Стандартная единица — калория — должна, следовательно, также включать в свое определение диапазон используемой температуры.

Теперь определение завершено.

11.2 Теплота, удельная теплоемкость и теплопередача — физика

Теплопередача, удельная теплоемкость и теплоемкость

В предыдущем разделе мы узнали, что температура пропорциональна средней кинетической энергии атомов и молекул в веществе и что средняя внутренняя кинетическая энергия вещества тем выше, чем выше температура вещества.

Если два объекта с разной температурой соприкасаются друг с другом, энергия передается от более горячего объекта (то есть объекта с большей температурой) к более холодному (с более низкой температурой) объекту до тех пор, пока оба объекта не будут иметь одинаковую температуру .Чистая теплопередача отсутствует, когда температуры равны, потому что количество тепла, передаваемого от одного объекта к другому, равно количеству возвращаемого тепла. Одним из основных эффектов теплопередачи является изменение температуры: нагревание повышает температуру, а охлаждение снижает ее. Эксперименты показывают, что теплота, передаваемая веществу или от него, зависит от трех факторов — изменения температуры вещества, массы вещества и некоторых физических свойств, связанных с фазой вещества.

Уравнение теплопередачи Q равно

Q = mcΔT,Q = mcΔT,

11,7

, где m — масса вещества, а Δ T — изменение его температуры в единицах Цельсия или Кельвина. Символ c обозначает удельную теплоемкость и зависит от материала и фазы. Удельная теплоемкость – это количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1,00 кг массы на 1,00 ºC. Удельная теплоемкость c является свойством вещества; его единица СИ — Дж / (кг ⋅⋅ K) или Дж / (кг ⋅⋅ ° C ° C).Изменение температуры (ΔTΔT) одинаково в единицах кельвинов и градусах Цельсия (но не в градусах Фаренгейта). Удельная теплоемкость тесно связана с понятием теплоемкости. Теплоемкостью называется количество теплоты, необходимое для изменения температуры вещества на 1,00°С°С. В форме уравнения теплоемкость C равна C=mcC=mc, где m — масса, а c — удельная теплоемкость. Обратите внимание, что теплоемкость такая же, как удельная теплоемкость, но без какой-либо зависимости от массы.Следовательно, два тела из одного и того же материала, но с разной массой, будут иметь разную теплоемкость. Это связано с тем, что теплоемкость является свойством объекта, а удельная теплоемкость является свойством любого объекта, сделанного из того же материала.

Значения удельной теплоемкости необходимо искать в таблицах, так как нет простого способа их расчета. В таблице 11.2 в качестве удобного справочника приведены значения удельной теплоемкости для нескольких веществ. Из этой таблицы видно, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла, значит, для нагревания 1 кг воды требуется в пять раз больше теплоты, чем для нагревания 1 кг стекла на столько же. количество градусов.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL][AL]Объясните, что эта формула работает только тогда, когда фаза вещества не меняется. Перенос тепловой энергии, тепла и фазовый переход будут рассмотрены далее в этой главе.

Предупреждение о заблуждении

Единицами удельной теплоемкости являются Дж/(кг ⋅°C⋅°C ) и Дж/(кг ⋅⋅ К). Однако градусы Цельсия и Кельвина не всегда взаимозаменяемы. В формуле удельной теплоемкости используется разница температур, а не абсолютная температура.По этой причине вместо Кельвинов можно использовать градусы Цельсия.

Стол
11. 2

Удельная теплоемкость различных веществ.

Снап Лаборатория

Изменение температуры земли и воды

Что нагревается быстрее, земля или вода? Вы ответите на этот вопрос, проведя измерения для изучения различий в удельной теплоемкости.

• Открытое пламя — завяжите все распущенные волосы и одежду перед тем, как поджечь открытое пламя. Следуйте всем инструкциям вашего учителя о том, как зажечь пламя. Никогда не оставляйте открытое пламя без присмотра. Знать расположение противопожарного оборудования в лаборатории.

• Песок или почва
• Вода
• Духовка или лампа накаливания
• Две маленькие баночки
• Два термометра

Инструкции

Процедура

1. Поместите равные массы сухого песка (или почвы) и воды одинаковой температуры в две маленькие банки. (Средняя плотность почвы или песка примерно в 1,6 раза выше плотности воды, поэтому вы можете получить равные массы, используя на 50 процентов больше воды по объему. )
2. Нагревайте оба вещества (используя духовку или нагревательную лампу) в течение одинакового времени.
3. Запишите конечные температуры двух масс.
4. Теперь доведите обе банки до одинаковой температуры, нагревая их в течение более длительного периода времени.
5. Снимите банки с источника тепла и измеряйте их температуру каждые 5 минут в течение примерно 30 минут.

Грунт имеет приблизительную удельную теплоемкость 800 Дж/кг °C. С наступлением зимы фермер отслеживает как температуру почвы на своем поле, так и температуру близлежащего пруда. Будет ли поле или пруд первым достигать 0 °C и почему?

1. Пруд сначала достигнет 0 °C из-за большей удельной теплоемкости воды.

2. Поле сначала достигнет 0 °C из-за более низкой удельной теплоемкости почвы.

3. Они достигнут 0°C одновременно, потому что находятся под воздействием одной и той же погоды.

4. Вода дольше нагревается и охлаждается. Это говорит нам о том, что удельная теплоемкость воды больше, чем у суши.

Проводимость, конвекция и излучение

Всякий раз, когда возникает разница температур, происходит теплопередача. Теплопередача может происходить быстро, например, через кастрюлю, или медленно, например, через стенки изолированного холодильника.

Существует три различных метода теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Иногда все три могут происходить одновременно. См. рисунок 11.3.

Фигура
11. 3

В камине передача тепла происходит всеми тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Излучение отвечает за большую часть тепла, передаваемого в помещение. Теплопередача также происходит за счет теплопроводности в помещение, но гораздо медленнее. Теплопередача конвекцией также происходит через холодный воздух, поступающий в помещение через окна, и горячий воздух, выходящий из помещения, поднимаясь вверх по дымоходу.

Теплопроводность – это передача тепла через прямой физический контакт. Тепло, передаваемое между электрической горелкой плиты и дном кастрюли, передается теплопроводностью.Иногда мы пытаемся контролировать теплопроводность, чтобы чувствовать себя более комфортно. Поскольку скорость теплопередачи у разных материалов разная, мы выбираем ткани, такие как толстый шерстяной свитер, которые зимой замедляют отвод тепла от тела.

Когда вы идете босиком по ковру в гостиной, ваши ноги чувствуют себя относительно комфортно… пока вы не ступите на кафельный пол кухни. Поскольку ковер и кафельный пол имеют одинаковую температуру, почему один кажется холоднее другого? Это объясняется различной скоростью теплопередачи: материал плитки отводит тепло от вашей кожи с большей скоростью, чем ковровое покрытие, что делает его более холодным.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL][AL] Спросите учащихся, какая сейчас температура в классе. Спросите их, все ли предметы в комнате имеют одинаковую температуру. Как только это будет установлено, попросите их положить руку на стол или на металлический предмет. Стало холоднее? Почему? Если их стол сделан из ламината Formica, то он будет холодным для их рук, потому что ламинат является хорошим проводником тепла и отводит тепло от их рук, создавая ощущение «холода» из-за тепла, покидающего тело.

Некоторые материалы просто проводят тепловую энергию быстрее, чем другие. В целом металлы (такие как медь, алюминий, золото и серебро) являются хорошими проводниками тепла, тогда как такие материалы, как дерево, пластик и резина, плохо проводят тепло.

На рис. 11.4 показаны частицы (атомы или молекулы) в двух телах при разных температурах. (Средняя) кинетическая энергия частицы в горячем теле больше, чем в более холодном. При столкновении двух частиц энергия передается от частицы с большей кинетической энергией к частице с меньшей кинетической энергией.Когда два тела находятся в контакте, происходит много столкновений частиц, что приводит к чистому потоку тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Тепловой поток зависит от разности температур ΔT=Thot−Tcold ΔT=Thot−Tcold . Поэтому от кипятка вы получите более сильный ожог, чем от горячей водопроводной воды.

Фигура
11,4

Частицы в двух телах при разных температурах имеют разные средние кинетические энергии. Столкновения, происходящие на поверхности контакта, имеют тенденцию передавать энергию из высокотемпературных областей в низкотемпературные области.На этом рисунке частица в области более низких температур (правая сторона) имеет низкую кинетическую энергию до столкновения, но ее кинетическая энергия увеличивается после столкновения с контактной поверхностью. Напротив, частица в более высокотемпературной области (левая сторона) имеет большую кинетическую энергию до столкновения, но ее энергия уменьшается после столкновения с контактной поверхностью.

Конвекция – это передача тепла движением жидкости. Такой вид теплопередачи происходит, например, в котле, кипящем на плите, или в грозу, когда горячий воздух поднимается вверх к основанию облаков.

Советы для успеха

В повседневном языке термин жидкость обычно означает жидкость. Например, когда вы больны и врач говорит вам «вводить жидкости», это означает всего лишь пить больше напитков, а не вдыхать больше воздуха. Однако в физике под жидкостью понимается жидкость или газ . Жидкости движутся не так, как твердые материалы, и у них даже есть собственная ветвь физики, известная как гидродинамика , которая изучает их движение.

При повышении температуры жидкостей они расширяются и становятся менее плотными. Например, на рис. 11.4 может быть изображена стенка воздушного шара с газами внутри воздушного шара с разной температурой, чем снаружи в окружающей среде. Более горячие и, следовательно, более быстро движущиеся частицы газа внутри воздушного шара ударяются о поверхность с большей силой, чем более холодный воздух снаружи, заставляя воздушный шар расширяться. Это уменьшение плотности по сравнению с окружающей средой создает плавучесть (тенденцию к подъему). Конвекция обусловлена ​​плавучестью — горячий воздух поднимается вверх, потому что он менее плотный, чем окружающий воздух.

Иногда мы контролируем температуру дома или самих себя, контролируя движение воздуха. Уплотнение протечек вокруг дверей с помощью герметика защищает от холодного ветра зимой. Дом на рис. 11.5 и кастрюля с водой на плите на рис. 11.6 являются примерами конвекции и плавучести, созданными человеком. Океанические течения и крупномасштабная атмосферная циркуляция переносят энергию из одной части земного шара в другую и являются примерами естественной конвекции.

Фигура
11.5

Воздух, нагретый так называемой гравитационной печью, расширяется и поднимается вверх, образуя конвективный контур, передающий энергию в другие части помещения. По мере того как воздух охлаждается на потолке и снаружи стен, он сжимается, в конечном итоге становясь более плотным, чем комнатный воздух, и опускается на пол. Правильно спроектированная система отопления, подобная этой, которая использует естественную конвекцию, может быть достаточно эффективной для равномерного обогрева дома.

Фигура
11,6

Конвекция играет важную роль в передаче тепла внутри этого горшка с водой.После того, как тепло передается внутренней жидкости, передача тепла к другим частям электролизера происходит в основном за счет конвекции. Более горячая вода расширяется, ее плотность уменьшается, и она поднимается, чтобы передать тепло другим областям воды, в то время как более холодная вода опускается на дно. Этот процесс повторяется до тех пор, пока в кастрюле есть вода.

Излучение — это форма теплопередачи, возникающая при испускании или поглощении электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение включает радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи, все из которых имеют разные длины волн и количество энергии (более короткие волны имеют более высокую частоту и большую энергию).

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL] Электромагнитные волны также часто называют электромагнитными волнами. Мы по-разному воспринимаем электромагнитные волны разных частот. Точно так же, как мы можем видеть определенные частоты как видимый свет, мы воспринимаем некоторые другие как тепло.

Вы можете почувствовать передачу тепла от огня и от солнца. Точно так же вы иногда можете сказать, что духовка горячая, не прикасаясь к дверце и не заглядывая внутрь — она может просто согреть вас, когда вы проходите мимо. Другой пример — тепловое излучение человеческого тела; люди постоянно излучают инфракрасное излучение, которое не видно человеческому глазу, но ощущается как тепло.

Излучение — единственный метод передачи тепла, при котором не требуется среда, а это означает, что тепло не должно вступать в прямой контакт с каким-либо веществом или переноситься им. Пространство между Землей и Солнцем в значительной степени пусто, без какой-либо возможности передачи тепла путем конвекции или теплопроводности. Вместо этого тепло передается излучением, и Земля нагревается, поглощая электромагнитное излучение, испускаемое Солнцем.

Фигура
11,7

Большая часть тепла от этого пожара передается наблюдателям через инфракрасное излучение. Видимый свет передает относительно небольшую тепловую энергию. Поскольку кожа очень чувствительна к инфракрасному излучению, вы можете почувствовать присутствие огня, не глядя на него прямо. (Дэниел X. О’Нил)

Все объекты поглощают и излучают электромагнитное излучение (см. рис. 11.7). Скорость передачи тепла излучением зависит главным образом от цвета объекта.Черный — самый эффективный поглотитель и излучатель, а белый — наименее эффективный. Например, люди, живущие в жарком климате, обычно избегают носить черную одежду. Точно так же черный асфальт на парковке будет теплее, чем прилегающие участки травы в летний день, потому что черный поглощает лучше, чем зеленый. Верно и обратное: черный цвет излучает лучше, чем зеленый. В ясную летнюю ночь черный асфальт будет холоднее зеленой травы, потому что черный излучает энергию быстрее, чем зеленый.Напротив, белый — плохой поглотитель, а также плохой излучатель. Белый объект отражает почти все излучение, как зеркало.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Попросите учащихся привести примеры теплопроводности, конвекции и излучения.

Виртуальная физика

Энергетические формы и изменения

В этой анимации вы исследуете передачу тепла с помощью различных материалов. Поэкспериментируйте с нагревом и охлаждением железа, кирпича и воды.Это можно сделать, перетащив объект на пьедестал, а затем удерживая рычаг в положении «Нагрев» или «Охлаждение». Перетащите термометр рядом с каждым объектом, чтобы измерить его температуру — вы можете наблюдать, как быстро он нагревается или остывает в режиме реального времени.

Теперь давайте попробуем передать тепло между объектами. Нагрейте кирпич, а затем поместите его в холодную воду. Теперь снова нагрейте кирпич, но затем поместите его поверх утюга. Что ты заметил?

Выбор параметра быстрой перемотки вперед позволяет ускорить передачу тепла, чтобы сэкономить время.

Сравните, как быстро нагреваются или охлаждаются различные материалы. Основываясь на этих результатах, какой материал, по вашему мнению, имеет наибольшую удельную теплоемкость? Почему? Какой из них имеет наименьшую удельную теплоемкость? Можете ли вы представить реальную ситуацию, в которой вы хотели бы использовать объект с большой удельной теплоемкостью?

1. Больше всего времени потребуется воде, а утюгу потребуется меньше всего времени для нагрева, а также для охлаждения. Для изоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью.Например, шерстяная одежда с большой теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.

2. Вода будет нагреваться меньше всего, а железо дольше всего нагреваться, как и остывать. Для изоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.

3. Кирпич быстрее всего нагревается, а железо дольше всего нагревается и остывает.Для изоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.

4. Вода будет нагреваться быстрее всего, а кирпич дольше всего нагреваться и остывать. Для изоляции желательны объекты с большей удельной теплоемкостью. Например, шерстяная одежда с большой теплоемкостью предотвратит потерю тепла телом.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Предложите учащимся рассмотреть разницу в результатах интерактивного упражнения при использовании разных материалов. Например, спросите их, будет ли изменение температуры больше или меньше, если кирпич заменить блоком железа той же массы, что и кирпич. Попросите учащихся рассмотреть одинаковые массы металлов алюминия, золота и меди. После того как они установят, больше или меньше изменение температуры для каждого металла, пусть они обратятся к таблице 11.2 и проверьте правильность их предсказаний.

Что такое удельная теплоемкость? [Видео]

Привет и добро пожаловать в это видео Mometrix об удельной теплоемкости — константе, которая связывает теплопередачу с изменениями температуры .

Температура напрямую связана со средней поступательной кинетической энергией атомов или молекул в системе. По сути, чем быстрее и тяжелее частицы, тем выше температура. Единицами температуры являются градусы Цельсия и Кельвина (помните, 0 градусов Цельсия = 273 Кельвина, но 1 градус Цельсия имеет ту же величину, что и 1 Кельвин).

И наоборот, теплота измеряется в джоулях и представляет собой энергию, передаваемую между контактирующими системами при разных температурах. Поскольку теплота является передачей энергии, она известна как величина процесса.

Когда тепло поглощается или выделяется системой, температура изменяется. Степень изменения температуры зависит от вещества и, в частности, от удельной теплоемкости этого вещества.

Давайте рассмотрим пример.

Допустим, у нас есть 47.8 грамм воды 35ºC и ставим на плиту. Включаем плиту и передаем нашей воде 1000 джоулей тепла и температура поднимается до 40ºC. Другими словами, чтобы поднять 47,8 грамма воды на 5ºC, потребовалось 1000 Дж тепла.

Это своего рода глоток и кажется странно специфичным с точки зрения количества. Здесь в игру вступает удельная теплоемкость, обозначаемая как \(c\). Это стандартное количество тепла, необходимое для нагревания 1 грамма вещества на 1 градус Цельсия.

С помощью некоторого простого деления мы можем получить удельную теплоемкость воды из нашего гипотетического стакана с водой.

\(\text{Удельная теплоемкость (}c\text{)} =\) \(qmass \times ΔT= \frac{1000\text{ джоулей}}{47,8\text{ г} \times 5\ text{ K}}\)\(=4,184\text{ Дж/гK}\)

Теперь мы знаем, что для повышения температуры 1 грамма воды на 1 градус Цельсия требуется 4,184 Дж, чтобы поднять температуру 1 грамма воды на 1 градус Цельсия. удельная теплоемкость воды.

Это действительно полезно для ученых, потому что однажды определенная удельная теплоемкость может использоваться для расчета тепла, поглощаемого или выделяемого системой, просто путем измерения изменения температуры и массы. Давайте попробуем это.

Посмотрим на новую чашку с кипящей водой, скажем, на 350-граммовую кружку. Вода начинается при 100ºC и остывает до 90ºC. Мы хотим знать, сколько тепла было выделено из воды в окружающую среду. Поскольку мы знаем, что удельная теплоемкость воды составляет 4,184 Дж на грамм Кельвина, нам просто нужно изменить наше предыдущее уравнение, чтобы найти \(q\) (выделившееся тепло).

\(q=c \times \text{масса} \times ∆T\)\(=4,184 \text{ Дж/гK} \times 350 \text{g} \times -10 \text{K}\ )\(=-14,644 \text{ Дж}\)

Поскольку мы знали удельную теплоемкость воды, рассчитать тепло, выделяющееся из системы, не составило труда!

Обратите внимание, что отрицательный знак просто говорит нам о том, что система (кружка с водой) отдавала тепло окружающей системе, а не поглощала его.

Теперь, когда мы определили удельную теплоемкость и продемонстрировали, как ее можно использовать для расчета теплоты, передаваемой от системы или к системе, давайте посмотрим, почему удельная теплоемкость изменяется между веществами.

Например, удельная теплоемкость этанола составляет 2,18 Дж на грамм Кельвина, что почти вдвое меньше, чем у воды. Если у нас есть один грамм воды и один грамм этанола при 0ºC, потребуется 4,18 Дж тепла, чтобы поднять температуру воды до 1ºC, и только 2,18 Дж для этанола.Жидкости достигают одинаковой температуры, но требуют разного количества тепла. Почему?

Помните, чтобы повысить температуру, нам нужно увеличить среднюю поступательную кинетическую энергию молекул (заставить молекулы двигаться быстрее). Но внутренняя энергия вещества — это больше, чем просто поступательная кинетическая энергия, она также включает в себя потенциальную энергию межмолекулярных взаимодействий. Когда тепло передается системе, оно распределяется между кинетической и потенциальной энергиями.

Таким образом, если система имеет большую потенциальную энергию, меньшая часть переданного тепла распределяется на кинетическую энергию, что приводит к меньшему увеличению температуры. Чтобы лучше понять эту концепцию, давайте снова посмотрим на воду и этанол.

В воде существует сложная сеть водородных связей между молекулами. Эти взаимодействия являются частью потенциальной энергии, и их необходимо преодолеть или прервать, чтобы увеличить среднюю поступательную кинетическую энергию. Итак, когда мы нагреваем воду, часть этой энергии используется для разрушения сети водородных связей вместо увеличения кинетической энергии, что приводит к большой удельной теплоемкости.И наоборот, в этаноле меньше водородных связей на молекулу или меньше потенциальной энергии, и поэтому большая часть переданного тепла используется для увеличения средней кинетической энергии, что приводит к меньшей удельной теплоемкости.

Обзор

Итак, давайте завершим обзор. Во-первых, мы рассмотрели научные определения температуры и тепла и связали их с помощью удельной теплоемкости. На примере воды мы показали, как, зная ее удельную теплоемкость, довольно легко определить количество теплоты, передаваемое от системы или к системе.И, наконец, мы рассмотрели с микроскопической точки зрения, почему вещества имеют разную удельную теплоемкость.