Теорія 5

Тема:  Кількість теплоти. Одиниці кількості теплоти. Питома теплоємність речовини. тепловий баланс

У побуті і в техніці ми постійно спостерігаємо зміну внутрішньої енергії тіл: при приготуванні їжі, опаленні, виплавці сталі, чавуну та інших процесах, які тісно пов'язані зі зміною енергії тел.

Для зміни енергії тел використовуємо паливо, виконуємо роботу, тому необхідно вміти розраховувати витрати енергетичних ресурсів в побуті і на виробництві. Для цього, перш за все, необхідно навчитися розраховувати зміна внутрішньої енергії тіл.

Як відомо, внутрішню енергію тіла можна збільшити через теплообмін і виконанням над ним роботи. На практиці в більшості випадків внутрішню енергію тіл змінюють, передаючи її від більш нагрітих тіл, тобто через теплообмін.

Енергію, яку тіло отримало або віддало в процесі теплообміну, називають кількістю теплоти. Кількість теплоти позначають буквою Q. Вимірюють в Дж, кДж і МДж.

 Питома теплоємність. Розрахунок кількості теплоти

Як розрахувати кількість теплоти, отримане або віддану тілом?

Візьмемо зразки відомих нам речовин, маса кожного з яких 1 кг.

Нагріємо кожен з них на один градус, надавши йому таким чином певну кількість теплоти.

Кількість теплоти, яку необхідно надати одному кілограму речовини, щоб нагріти її на один градус, називають питомою теплоємністю речовини.

Даючи визначення питомої теплоємності, ми використовували побутову одиницю температури - градус Цельсія. Однак краще використовувати одиницю Кельвін, так як температура за шкалою Кельвіна є загальноприйнятою в науці.

Питома теплоємність - це кількість теплоти, яку необхідно надати одному кілограму речовини, щоб нагріти її на 1 К.

Позначають питому теплоємність буквою с. Вимірюють в джоулях, розділених на кілограм - кельвін, і в килоджоулях, розділених на кілограм - коливань.

Для вирішення практичних завдань використовують таблицю питомих теплоємностей речовин.

 Кількість теплоти. Одиниці кількості теплоти. Питома теплоємність речовини. тепловий баланс

Розрахунок кількості теплоти

Ввівши поняття питомої теплоємності, можна легко розрахувати кількість теплоти, необхідної для нагрівання тіла або кількість теплоти, яке віддає тіло при охолодженні.

Якщо для нагріву одного кілограма речовини, з якого виготовлено тіло, потрібно Q, то на нагрів тіла масою m потрібну кількість теплоти, в m разів більше.

Цю величину називають теплоємністю тіла.

                                          C = mc

Величину, що дорівнює добутку питомої теплоємності речовини і маси тіла, називають теплоємністю тіла. Теплоємність тіла позначають буквою С. Вимірюють в Дж / К.

Якщо тіло нагрівають не в один градус, а від температури (t1) до температури (t2), то є на (t02 - t01) градусів, кількість теплоти збільшиться в (t2 - t1) раз.

Щоб визначити кількість теплоти, необхідної для нагрівання тіла, необхідно перемножити питому теплоємність речовини, масу тіла і різницю кінцевої і початкової температур. Різниця температур в кельвінах і градусах однакова.

                                      Q = cmΔt

Відеодослід:  приклад розрахунок кількості теплоти

Рівняння теплового балансу

У природі і техніці постійно відбувається теплообмін, тобто одні тіла віддають певну кількість теплоти, а інші, навпаки, її приймають.

Зовнішнім ознакою передачі теплоти є зниження температури тіла, а при прийомі - її підвищення.

Загальна кількість теплоти, яка бере участь у теплообміні, залишається незмінною. Це випливає із Закону збереження енергії. На екрані ви бачите формули розрахунку кількості теплоти, відданої гарячою водою і прийнятої холодної. Рівняння теплового балансу виражає рівність загальної кількості теплоти, яке отримали тіла (Qпол), і загальної кількості теплоти, яке віддали інші тіла (Qотд), при теплообміні.

Рівняння теплового балансу виражає закон збереження енергії при теплообміні: Qпол = Qотд.

При теплообміні кількість теплоти, відданої одними тілами, дорівнює кількості теплоти, прийнятої іншими тілами.

Це рівність називають рівнянням теплового балансу.

 Втрати енергії. Калориметр, термос

При теплообміні завжди є втрати енергії, так як частина її йде на нагрів ємностей, посуду, трубопроводів, повітря і т.д.

Передача теплоти від одного тіла до іншого може бути охарактеризована коефіцієнтом корисної дії, рівний вираженому в процентах відношенню корисно використаної теплоти до всієї витраченої.

Щоб підняти ККД теплопередачі, труби прокладають під землею, покривають їх шаром поганого провідника тепла, ущільнюють двері, вікна, а в побуті і техніці використовують спеціальні прилади - термоси, калориметри т.п.

Термос - це дві колби, з проміжку між якими викачано повітря, а внутрішня поверхня меншою є дзеркальною. Дзеркальна поверхня відображає теплові промені, а розріджений шар повітря між колбами погано проводить тепло. Тому термос може довгий час підтримувати температуру вмісту, наприклад, чаю, кави тощо.

Калориметр - дві ємності, вставлені один в одного. Його використовують при лабораторних дослідженнях.

Теплоізолююча прокладка між колбами і шар повітря стримують теплопередачу, тобто втрату теплоти вмістом меншої ємності.

Це цікаво

Раніше кількість теплоти вимірювали в калоріях і кілокалорії. Ці назви походять від латинського слова «Калор» - «тепло». Так і виникла назва приладу - калориметр. З введенням Міжнародної системи одиниць одиницею кількості теплоти став джоуль, але в побуті іноді досі використовують застарілі одиниці, наприклад, кілокалорію при розрахунку споживання їжі.

Для нормального функціонування організму людина повинна споживати їжу. Кожен продукт має певну енергетичну цінність, тобто споживання різної їжі дає організму різну кількість енергії. Якщо організм отримує недостатньо харчових продуктів, він виснажується. Переїдання теж шкідливо для нього.

Зміна енергії і робота

Визначати зміна внутрішньої енергії тіла при теплообміні ми вже навчилися, оскільки її зміна дорівнює кількості теплоти, отриманої або відданої тілом.

Як визначити зміну внутрішньої енергії тіла при виконанні над ним роботи?

У двох калориметрах є однакова кількість води при температурі, наприклад 20 ° С.

У першому калориметр піднімемо температуру води до 22 ° С, слід нагріти електрокип'ятильники.

У другому калориметр піднімемо температуру води до 22 ° С виконуючи над нею роботу з допомогою крильчатки, що обертається. Знаючи потужність двигуна, його ККД і час, можна визначити виконану роботу.

Хоча можна зробити інакше. Зміна внутрішньої енергії води в обох випадках однакова, тому виконана робота в другому випадку чисельно дорівнює кількості теплоти, отриманої водою в першому досвіді.

       Висновки

Якщо над тілом виконуємо роботу, зміна його внутрішньої енергії можна розраховувати за формулою кількості теплоти, знаючи масу тіла, питому теплоємність і різниця температур.

Нові поняття

Це цікаво

        У пустелях днем ​​дуже жарко, а вночі температура падає нижче 0 ° С. Це відбувається тому, що пісок має малу питому теплоємність, тому швидко нагрівається і охолоджується.

        У характері теплоємності більшості хімічних елементів в твердому стані існує певна закономірність. Наприклад, у металів з невеликими атомними номерами питома теплоємність велика, а у металів з великими номерами -Малий.

        Людина і тварини передають тепло навколишньому середовищу (теплопродукція). Теплопродукція одну людину за рік становить 4000000000 Дж теплоти.

       Для нормальної життєдіяльності та гарного самопочуття у людини повинен бути тепловий баланс між теплотою, що виробляється організмом і теплотою, що віддається в навколишнє середовище. При звичайних умовах більше 90% вироблюваної теплоти віддається навколишньому середовищу (половина теплоти - випромінюванням, чверть - конвекцією, чверть - випаровуванням) і менше 10% теплоти втрачається в результаті обміну речовин.

      Воду часто застосовують в якості охолоджувача в двигунах внутрішнього згоряння і атомних реакторах, тому що вона обладаетбольшой теплоємністю і поглинає багато теплоти при нагріванні.