На что влияет теплоемкость

Удельная теплоемкость: для чего она нужна и в чем ее смысл?

Однако толкованию слова «удельный» обычно уделяется недостаточно внимания. Учащиеся просто запоминают его как данность. А что оно значит?

Если заглянуть в словарь Ожегова, то можно прочесть, что такая величина определяется как отношение. Причем оно может быть выполнено к массе, объему или энергии. Все эти величины обязательно полагается брать равными единице. Отношение к чему задается в удельной теплоемкости?

К произведению массы и температуры. Причем их значения обязательно должны быть равными единице. То есть в делителе будет стоять число 1, но его размерность будет сочетать килограмм и градус Цельсия. Это обязательно учитывается при формулировке определения удельной теплоемкости, которое дано немного ниже. Там же находится формула, из которой видно, что в знаменателе стоят именно эти две величины.

Что это такое?

Удельная теплоемкость вещества вводится в тот момент, когда рассматривается ситуация с его нагреванием. Без него невозможно узнать, какое количество теплоты (или энергии) потребуется затратить на этот процесс. А также вычислить ее значение при охлаждении тела. Кстати, эти два количества теплоты равны друг другу по модулю. Но имеют разные знаки. Так, в первом случае она положительная, потому что энергию нужно затратить и она передается телу. Вторая ситуация с охлаждением дает отрицательное число, потому что тепло выделяется, и внутренняя энергия тела уменьшается.

Обозначается эта физическая величина латинской буквой c. Определяется она как некоторое количество теплоты, необходимое для нагревания одного килограмма вещества на один градус. В курсе школьной физики в качестве этого градуса выступает тот, что берется по шкале Цельсия.

Как ее сосчитать?

Если требуется узнать, чему равна удельная теплоемкость, формула выглядит так:

с = Q / (m * (t₂ – t₁)), где Q — количество теплоты, m — масса вещества, t₂ – температура, которую тело приобрело в результате теплообмена, t₁ — начальная температура вещества. Это формула № 1.

Исходя из этой формулы, единица измерения этой величины в международной системе единиц (СИ) оказывается Дж/(кг*ºС).

Как найти другие величины из этого равенства?

Во-первых, количество теплоты. Формула будет выглядеть таким образом: Q = с * m * (t₂ – t₁). Только в нее необходимо подставлять величины в единицах, входящих в СИ. То есть масса в килограммах, температура — в градусах Цельсия. Это формула № 2.

Во-вторых, массу вещества, которое остывает или нагревается. Формула для нее будет такой: m = Q / (c * (t₂ – t₁)). Это формула под № 3.

В-третьих, изменение температуры Δt = t₂ – t₁ = (Q / c * m). Знак «Δ» читается как «дельта» и обозначает изменение величины, в данном случае температуры. Формула № 4.

Какие значения она может иметь?

Экспериментальным путем установлено, какие она имеет значения у каждого конкретного вещества. Поэтому создана специальная таблица удельной теплоемкости. Чаще всего в ней даны данные, которые справедливы при нормальных условиях.

В чем заключается лабораторная работа по измерению удельной теплоемкости?

В школьном курсе физики ее определяют для твердого тела. Причем его теплоемкость высчитывается благодаря сравнению с той, которая известна. Проще всего это реализуется с водой.

В процессе выполнения работы требуется измерить начальные температуры воды и нагретого твердого тела. Потом опустить его в жидкость и дождаться теплового равновесия. Весь эксперимент проводится в калориметре, поэтому потерями энергии можно пренебречь.

Потом требуется записать формулу количества теплоты, которое получает вода при нагревании от твердого тела. Второе выражение описывает энергию, которую отдает тело при остывании. Эти два значения равны. Путем математических вычислений остается определить удельную теплоемкость вещества, из которого состоит твердое тело.

Чаще всего ее предлагается сравнить с табличными значениями, чтобы попытаться угадать, из какого вещества сделано изучаемое тело.

Задача № 1

Условие. Температура металла изменяется от 20 до 24 градусов Цельсия. При этом его внутренняя энергия увеличилась на 152 Дж. Чему равна удельная теплоемкость металла, если его масса равна 100 граммам?

Решение. Для нахождения ответа потребуется воспользоваться формулой, записанной под номером 1. Все величины, необходимые для расчетов, есть. Только сначала необходимо перевести массу в килограммы, иначе ответ получится неправильный. Потому что все величины должны быть такими, которые приняты в СИ.

В одном килограмме 1000 граммов. Значит, 100 граммов нужно разделить на 1000, получится 0,1 килограмма.

Подстановка всех величин дает такое выражение: с = 152 / (0,1 * (24 – 20)). Вычисления не представляют особой трудности. Результатом всех действий является число 380.

Ответ: с = 380 Дж/(кг * ºС).

Задача № 2

Условие. Определить конечную температуру, до которой остынет вода объемом 5 литров, если она была взята при 100 ºС и выделила в окружающую среду 1680 кДж тепла.

Решение. Начать стоит с того, что энергия дана в несистемной единице. Килоджоули нужно перевести в джоули: 1680 кДж = 1680000 Дж.

Подстановка значений в формулу массы дает такое выражение: 1000 * 0,005 = 5 кг. Удельную теплоемкость потребуется посмотреть в таблице. Теперь можно переходить к формуле 8: t₂ = 100 + (1680000 / 4200 * 5).

Задача № 3

Условие. Имеется химический стакан массой 100 г. В него налито 50 г воды. Начальная температура воды со стаканом равна 0 градусам Цельсия. Какое количество теплоты потребуется для того, чтобы довести воду до кипения?

Решение. Начать стоит с того, чтобы ввести подходящее обозначение. Пусть данные, относящиеся к стакану, будут иметь индекс 1, а к воде — индекс 2. В таблице необходимо найти удельные теплоемкости. Химический стакан сделан из лабораторного стекла, поэтому его значение с₁ = 840 Дж/ (кг * ºС). Данные для воды такие: с₂ = 4200 Дж/ (кг * ºС).

Их массы даны в граммах. Требуется перевести их в килограммы. Массы этих веществ будут обозначены так: m₁ = 0,1 кг, m₂ = 0,05 кг.

Начальная температура дана: t₁ = 0 ºС. О конечной известно, что она соответствует той, при которой вода кипит. Это t₂ = 100 ºС.

Поскольку стакан нагревается вместе с водой, то искомое количество теплоты будет складываться из двух. Первой, которая требуется для нагревания стекла (Q₁), и второй, идущей на нагревание воды (Q₂). Для их выражения потребуется вторая формула. Ее необходимо записать два раза с разными индексами, а потом составить их сумму.

Получается, что Q = с₁ * m₁ * (t₂ – t₁) + с₂ * m₂ * (t₂ – t₁). Общий множитель (t₂ – t₁) можно вынести за скобку, чтобы было удобнее считать. Тогда формула, которая потребуется для расчета количества теплоты, примет такой вид: Q = (с₁ * m₁ + с₂ * m₂) * (t₂ – t₁). Теперь можно подставить известные в задаче величины и сосчитать результат.

Q = (840 * 0,1 + 4200 * 0,05) * (100 – 0) = (84 + 210) * 100 = 294 * 100 = 29400 (Дж).

Источник

Теплоемкость газов: понятие о теплоемкости; факторы, оказывающие влияние на теплоемкость; способы задания теплоемкостей; закон Майера; теплоемкость газовой смеси.

Удельная теплоемкость – количество теплоты, необходимое для изменения температуры единицы количества газа в данном процессе на 1 кельвин.

В зависимости от единицы количества газа используется теплоемкость:

массовая c, Дж/(кг×K); Соотношение между ними:

молярная mc, Дж/(кмоль×K); ; . (1.26)

объемная , Дж/(м 3 ×K)

Факторы, влияющие на теплоемкость:

· природа газа (атомность): чем больше атомов в молекуле (не более трех), тем больше теплоемкость;

· характер процесса подвода (отвода) теплоты. В общем случае теплота затрачивается на изменение внутренней энергии газа и на совершение им работы; чем больше доля подводимой теплоты, которая идет на совершение работы, тем больше теплоемкость.

Характерные теплоемкости (рис.1.2.):

изохорная c_v(mc_v)при v=const;

изобарнаяc_p(mc_p)при p=const.

где — работа 1 кг газа при нагревании на 1 K в условиях, когда p=const, т. е. .

Уравнения Майера: ; (1.27)

. (1.28)

Показатель адиабаты К: ; (1.29)

; ; ; ; (1.30)

; ; (1.31)

· температура: теплоемкость двух- и многоатомных газов с ростом температуры увеличивается, а показатель адиабаты уменьшается. Теплоемкость и показатель адиабаты одноатомного газа от температуры не зависят.

Теплоемкость реального газа зависит также от давления.

Истинная и средняя теплоемкости

Истинная теплоемкость – отношение бесконечно малого количества теплоты, сообщаемой единице количества газа, к вызываемому при этом бесконечно малому повышению его температуры.

; , где сзависит от T.

представляют графически, таблично, аппроксимирующим выражением вида

, или линейным уравнением

, где — постоянные коэффициенты.

Средняя теплоемкость – количество теплоты, необходимое для нагревания единицы количества газа на 1 кельвин в среднем за рассматриваемый интервал изменения температуры (от T₁ до T₂).

; ;

; .

. (1.32)

Определение средней теплоемкости

определяют с использованием таблиц или графических зависимостей средней теплоемкости в интервале температур от 0 до данной температуры Т: . При известной зависимости : . (1.33)

Из сопоставления (1.32) и (1.33) следует

; (1.34)

аналогично . (1.35)

По зависимости истинной теплоемкости вместо интегрирования приближенно определяют при средней температуре , . Например,при линейной зависимости

. (1.36)

Экспериментально теплоемкость в заданном интервале температур определяют в проточном калориметре (рис.1.4.) при p=const, .

Рис. 1.4. Проточный калориметр:

1,2 – термометры; 3 – электронагреватель

Теплоемкость газовых смесей

; ; ; (1.37)

; . (1.38)

Источник

Теплоемкость воды: суть явления, виды и применение

Вода – источник жизни, существования планеты и всего на ней живого. Она – важная часть организма человека. При рассмотрении воды, как физического объекта, ученые пользуются такими ее характеристиками, как плотность и теплоемкость. Но если с первой величиной все более или менее ясно, то по поводу теплоемкости воды возникает масса вопросов.

Понятие теплоемкости

Теплоемкость – это термин, использующийся для указания объема тепла, которое может поглотить или отдать нагретое, или остуженное тело (физический объект). Чтобы определить теплоемкость конкретного вещества или объекта соотносят количество поглощенной или выделенной теплоты в бесконечно минимальный промежуток времени и продолжительность измерения.

В физике этот процесс характеризуется также соотношением между бесконечно малым количеством теплоты и таким же малым количеством температуры.

Теплоемкость измеряют в Джоулях – «Дж», обозначают большой латинской буквой «С». Теплоемкость величина, зависимая и непостоянная, поскольку пропорциональна содержащемуся в нем веществу. Чем больше масса тела, тем больше энергии и тепла нужно для его нагревания. Таким образом, температура и масса – это основные характеристики, которыми нужно владеть для определения теплоемкости тела. При измерении необходимо знать также температуру воздуха и давление.

Применение теплоемкости

Обычные люди редко пользуются понятием теплоемкости. Скорее всего, о нем они слышали только на школьных уроках физики. Те же, кто школу окончил давно и представить себе не могут, что давно позабытая физическая величина напрямую воздействует на их жизнь. От нее зависит, комфортными ли будут условия нашего существования. Дело в том, что теплоемкость является важной характеристикой:

Естественно, что обычные потребители, продавцы и повара в кафе, специальными расчетами не занимаются. За них это уже сделали инженеры, запрограммировав работу техники необходимым образом.

Расчет теплоемкости воды используют:

Даже при исследовании космического пространства, применяют формулы, в которых задействуется рассматриваемая величина.

Виды теплоемкости

Существует несколько разновидностей теплоемкости. В практических целях чаще всего требуется рассчитать относительную, также известную, как удельную теплоемкость воды. Это количество тепла, извлеченное телом из внешней среды для увеличения его собственной температуры на 1 градус. Величину выражают в Кельвинах. Существует несколько подвидов удельной величины. Все они зависят от выражающей их единицы. Это могут быть физическая или молярная массы, объем. Так возникают:

При этом, 1 моль равен количеству вещества, содержащего 6 на 10 в 23 степени молекул.

Та или иная величины применяются и рассчитываются в зависимости от поставленной цели. В физике их обозначают по-разному:

При переходе воды из одного агрегатного состояния в другое (она может стать льдом или паром) удельная величина меняется. Интересно, что наиболее стабильной является теплоемкость воды, подогретой до 36-37 градусов. При подогреве от 0 до 37 градусов значение ее уменьшается, а после пересечения этого рубежа повышаться.

Отопление и теплоемкость

Для снабжения римских городов водой использовали акведуки, в современные города она поступает по системе водопровода. При этом, основная задача, которая стоит перед инженерами, занимающимися обустройством центрального отопления, заключается в создании такой конструкции водопровода, благодаря которому вода поставлялась бы в дома беспрепятственно. В теплое время года проблем с поставкой воды нет, но с наступлением зимних заморозков создается угроза промерзания водопровода, перехода содержащей его воды в другое агрегатное состояние – лед, и соответственно разрушение всей конструкции (объем замерзшей воды увеличивается).

Вычислив теплоемкость идущей по трубам воды, и зная длину всего сооружения, инженер может рассчитать температуру, до которой нужно разогреть котел. Вместе с удельной вычисляют теплоемкость водяного пара (при 100 градусах вода закипает и превращается в пар), поскольку в котлах, обеспечивающих движение горячей воды по трубам, находится именно пар. Давление пара выше давления воды, поэтому при создании отопительной системы, и котлов в частности, используют чрезвычайно прочные материалы.

Теплоемкость воды нелинейно связана с температурой. Это значит, что для подогрева ее на 10 градусов, в промежутке от 30 до 40 нужно одно количество энергии, а для подогрева на эти же 10 градусов, но в промежутке от 130 до 140 – другое.

Водяное охлаждение

Поскольку для подогрева воды требуется большое количество энергии, то ее часто используют в качестве естественного охладителя. Благодаря высокой теплоемкости, она быстро отбирает излишки энергии в виде тепла из окружающей среды.

Наглядно процесс охлаждения водой чего-либо можно наблюдать и в домашних условиях. Для этого достаточно отварить яйца вкрутую и поместить их в холодную воду. Спустя некоторое время жидкость нагреется, а яичная скорлупа остынет.

Теплоемкость воды – интереснейшая из ее особенностей, благодаря наличию которой жизнь на планете происходит по привычной схеме. Зная эту физическую величину, инженеры разрабатывают новое оборудование: холодильники, приборы для обогрева, работающие на масле, котлы, являющиеся частью отопительной системы.

Источник

Удельная теплоемкость вещества

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Нагревание и охлаждение

Эти два процесса знакомы каждому. Вот нам захотелось чайку, и мы ставим чайник, чтобы нагреть воду. Или ставим газировку в холодильник, чтобы охладить.

Логично предположить, что нагревание — это увеличение температуры, а охлаждение — ее уменьшение. Все, процесс понятен, едем дальше.

Но не тут-то было: температура меняется не «с потолка». Все завязано на таком понятии, как количество теплоты. При нагревании тело получает количество теплоты, а при нагревании — отдает.

В процессах нагревания и охлаждения формулы для количества теплоты выглядят так:

Нагревание

Охлаждение

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

В этих формулах фигурирует и изменение температуры, о котором мы сказали выше, и удельная теплоемкость, речь о которой пойдет дальше.

А вот теперь поговорим о видах теплопередачи.

Виды теплопередачи

Здесь все совсем несложно, их всего три: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность

Тот вид теплопередачи, который можно охарактеризовать, как способность тел проводить энергию от более нагретого тела к менее нагретому.

Речь о том, чтобы передать тепло с помощью соприкосновения. Признавайтесь, грелись же когда-нибудь возле батареи. Если вы сидели к ней вплотную, то согрелись вы благодаря теплопроводности. Обниматься с котиком, у которого горячее пузо, тоже эффективно.

Порой мы немного перебарщиваем с возможностями этого эффекта, когда на пляже ложимся на горячий песок. Эффект есть, только не очень приятный. Ну а ледяная грелка на лбу дает обратный эффект — ваш лоб отдает тепло грелке.

Конвекция

Когда мы говорили о теплопроводности, мы приводили в пример батарею. Теплопроводность — это когда мы получаем тепло, прикоснувшись к батарее. Но все вещи в комнате к батарее не прикасаются, а комната греется. Здесь вступает конвекция.

Дело в том, что холодный воздух тяжелее горячего (холодный просто плотнее). Когда батарея нагревает некий объем воздуха, он тут же поднимается наверх, проходит вдоль потолка, успевает остыть и спуститься обратно вниз — к батарее, где снова нагревается. Таким образом, вся комната равномерно прогревается, потому что все более горячие потоки сменяют все менее холодные.

Излучение

Пляж мы уже упоминали, но речь шла только о горячем песочке. А вот тепло от солнышка — это излучение. В этом случае тепло передается через волны.

Обоими способами. То тепло, которое мы ощущаем непосредственно от камина (когда лицу горячо, если вы расположились слишком близко к камину) — это излучение. А вот прогревание комнаты в целом — это конвекция.

Удельная теплоемкость: понятие и формула для расчета

Формулы количества теплоты для нагревания и охлаждения мы уже разбирали, но давайте еще раз:

Нагревание

Охлаждение

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

В этих формулах фигурирует такая величина, как удельная теплоемкость. По сути своей — это способность материала получать или отдавать тепло.

С точки зрения математики удельная теплоемкость вещества — это количество теплоты, которое надо к нему подвести, чтобы изменить температуру 1 кг вещества на 1 градус Цельсия:

Удельная теплоемкость вещества

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

Также ее можно рассчитать через теплоемкость вещества:

Удельная теплоемкость вещества

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

C — теплоемкость вещества [Дж/˚C]

Величины теплоемкость и удельная теплоемкость означают практически одно и то же. Отличие в том, что теплоемкость — это способность всего вещества к передаче тепла. То есть формулу количества теплоты для нагревания тела можно записать в таком виде:

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

t_{конечная} — конечная температура [˚C]

t_{начальная} — начальная температура [˚C]

Таблица удельных теплоемкостей

Удельная теплоемкость — табличная величина. Часто ее указывают в условии задачи, но при отсутствии в условии — можно и нужно воспользоваться таблицей. Ниже приведена таблица удельных теплоемкостей для некоторых (многих) веществ.

Источник