Рівняння теплового балансу як прояв закону збереження і перетворення енергії. Для практичних цілей дуже часто буває необхідно досліджувати стани різних тіл після встановлення між ними стану теплової рівноваги в теплових процесах. Такий стан називають ще тепловим балансом. Тепловий баланс - це розподіл кількості теплоти (внутрішньої енергії) між тілами, які брали участь у тепловому процесі. 

Тіла з різними температурами при теплообміні обмінюються між собою теплотою. Припустимо, що є система тіл, яка не одержує енергію ззовні і не віддає енергію назовні (така система тіл називається ізольованою). Тоді збільшення або зменшення внутрішньої енергії тіл системи відбувається тільки внаслідок теплопередачі. Більш нагріті тіла віддають енергію менш нагрітим, поки їхні температури не стануть однаковими. Наприклад, при теплообміні кількість теплоти Q1, яку віддає гаряча вода, дорівнює кількості теплоти Q2, яку отримує холодна вода: Q1 = Q2

Записане рівняння називають рівнянням теплового балансу. Воно пов’язує кількість теплоти, яку отримує одне тіло, і кількість теплоти, яку віддає друге тіло при теплообміні. При цьому в теплообміні можуть брати участь не тільки два тіла, а три і більше. 

Рівняння теплового балансу дає можливість визначити, наприклад, масу тіл, що беруть участь в теплообміні; температуру, яка встановиться в результаті теплообміну. Використовуючи рівняння теплового балансу, можна розрахувати значення питомої теплоємності речовини. 

Закон збереження енергії у теплових процесах можна сформулювати таким чином:

кількість теплоти, яка втрачається одними тілами в процесі теплообміну, дорівнює кількості теплоти, яку набувають інші тіла, що беруть участь у даному процесі.

Цей висновок можна виразити математично:

Q-1 + Q-2 + Q-3 + … = Q+1 + Q+2 + Q+3 + …

Складання рівняння теплового балансу покладено в основу розрахунку процесів теплообміну при розв'язуванні багатьох задач та виконанні експериментально-дослідницьких завдань. Щоб виконання таких завдань було успішним, бажано дотримуватися такої послідовності дій:

1. Встановити, які тіла беруть участь у теплообміні.

2. Визначити, якої температури набувають тіла після встановлення стану теплової рівноваги. Якщо за умовою задачі вона не задана, слід позначити її літерою t і переходити до наступної дії.

3. З’ясувати, які з тіл віддають теплоту, а які її отримують. Скласти рівняння теплового балансу в загальному вигляді.

4. Записати формулу кількості теплоти для кожного з тіл, які беруть участь у процесі теплообміну.

5. Здійснити підстановку отриманих формул кількості теплоти для кожного з тіл у рівняння теплового балансу.

6. Розв’язати отримане рівняння теплового балансу відносно шуканої величини і перевірити її одиницю. Зробити аналіз отриманого результату на предмет його достовірності.

7. Застосування рівняння теплового балансу для розв’язування задач.

Запитання для самоперевірки

1. Що називають тепловим балансом?

2. Наведіть приклади теплоізольованої системи.

3. Для розв’язування яких фізичних задач доцільно використовувати рівняння теплового балансу?

4. Запишіть рівняння теплового балансу. У чому полягає його зміст?

5. За яких умов рівняння теплового балансу є справедливим?

Задачі

1. Два учні одержали завдання визначити теплоємність твердого тіла. Один учень узяв зібраний калориметр і налив у нього води при кімнатній температурі. Другий учень скористався лише внутрішньою посудиною калориметра і налив туди води такої самої маси. Обидва учні опустили у воду однакові тіла, нагріті до однакової температури. Хто точніше виконав завдання? Чому?

2. Яка питома теплоємність речовини, якщо для нагрівання 10 кг цієї речовини на 20 °С слід витратити 184 кДж енергії? Скористайтеся таблицею питомих теплоємностей і встановіть, що це за речовина.

3. На скільки градусів підвищиться температура алюмінієвої ложки масою 30 г, якщо на її нагрівання витратиться кількість теплоти, виділена при охолодженні 40 г води від 70°С до 10°С?

4. У відро налито 5 л води при температурі 10 °С. Скільки окропу необхідно долити у відро, щоб температура води стала дорівнювати 25 °С? Енергією на нагрівання відра і навколишнього середовища знехтувати. 

5. Металеву деталь масою 300 г нагріли в окропі, а потім опустили у воду масою 600 г, що має температуру 22 °С. Через певний час температура води і деталі стала дорівнювати 25 °С. Визначте питому теплоємність речовини, з якої було виготовлено деталь. Тепловими втратами знехтувати. 

6. У холодну воду масою 0,8 кг долили окріп масою 0,2 кг. Температура отриманої суміші дорівнює 40 °С. Визначте температуру холодної води до її нагрівання. Тепловими втратами знехтувати.