§ 9. Кількість теплоти.

ПИТОМА ТЕПЛОЄМНІСТЬ РЕЧОВИНИ

Підсумовуючи все, що було сказано про теплопередачу та її види, зазначимо, що в природі теплота чи енергія не передається від одного тіла до іншого. Адже і теплота (тепло), і енергія (внутрішня чи механічна) — це фізичні поняття. Вони визначають певні властивості, притаманні тілам, які перебувають у тому чи іншому стані. Ці властивості зумовлені особливостями руху тіл або частинок, з яких вони складаються.

Взаємодія між тілами та між частинками, з яких складаються тіла, може відбуватися по-різному. В одних випадках змінюються швидкості самих тіл, які взаємодіють, наприклад,

коли стикаються дві кулі під час гри в більярд, або коли тіло падає з певної висоти. Тоді вже йдеться про зміну їхньої механічної енергії і виконання механічної роботи. В інших випадках унаслідок взаємодії змінюються лише швидкості частинок (молекул, атомів, іонів, електронів), з яких складаються тіла. У таких випадках відбувається зміна їхньої внутрішньої енергії — тіла нагріваються та охолоджуються, й ми кажемо про теплообмін між ними. Приклад такої взаємодії — нагрівання чайної ложки в склянці щойно налитого чаю й остигання самого чаю.

Унаслідок взаємодії може одночасно змінюватися і внутрішня, і механічна енергії тіл. Так, у момент удару ковальського молота по розпеченій металевій заготовці змінюються його швидкість і кінетична енергія. Водночас унаслідок взаємодії із заготовкою змінюється її форма, нагріваються молот і сама заготовка. Водяна пара, що утворилася під час кипіння води завдяки збільшенню внутрішньої енергії, піднімає кришку чайника і примушує її підстрибувати, тобто виконує роботу. Можуть змінюватися й інші характеристики стану тіла: об’єм, тиск, густина.

Історично так склалося, що процеси нагрівання одних і охолодження інших тіл, що мають різну температуру, внаслідок їх контакту у фізиці називають передачею теплоти. Поняття “теплота” як кількість особливої речовини — “теплецю” з’явилося значно раніше, ніж поняття “енергія”. І хоч теплецю в природі не існує, а під передачею теплоти ми розуміємо зміну внутрішньої енергії тіла внаслідок теплообміну з іншими тілами, користуватися поняттям теплоти виявилось досить зручно. Тому цей термін продовжують використовувати для опису теплових процесів. Коли говорять: “тіло отримує теплоту”, то розуміємо, що внаслідок взаємодії з іншими тілами одне з них нагрівається і його температура підвищується. Навпаки, якщо тіло віддає теплоту, то воно охолоджується, його внутрішня енергія зменшується.

Щоб визначити, як змінився стан тіла унаслідок теплообміну, і характеризувати його результати, необхідно знати, скільки теплоти тіло отримало чи віддало внаслідок теплопередачі. Для кількісної характеристики процесу теплообміну (зміни внутрішньої енергії унаслідок теплопередачі) використовують фізичну величину, яку називають кількість теплоти.

Якщо зміна внутрішньої енергії тіла відбувається лише унаслідок теплообміну і механічний стан тіла не змінюється (тіло не виконує роботу проти зовнішніх сил), то вважають: кількість теплоти передана тілу чисельно дорівнює зміні його внутрішньої енергії.

Кількість теплоти позначають великою літерою Q. Оскільки кількість теплоти, отримана або віддана тілом унаслідок теплопередачі, чисельно дорівнює зміні його внутрішньої енергії, то її одиницею у CI є джоуль(1 Дж).

Від чого і як залежить кількість теплоти, яку тіло отримує під час нагрівання чи охолодження?

Про те, що тіло отримало або віддало якусь кількість теплоти, свідчить зміна його температури: чим більше змінилася температура, тим більшою є зміна його внутрішньої енергії, а отже, і кількість переданої (втраченої) теплоти. Це підтверджує і наш повсякденний досвід. Якщо ми хочемо нагріти воду до вищої температури, ми маємо довше тримати її над вогнем або іншим нагрівником.

Тілу потрібно передати тим більшу кількість теплоти, ч-им на більше градусів ми хочемо його нагріти.

Внутрішня енергія тіла визначається не лише його температурою. Пригадайте, внутрішня енергія — це сумарна (кінетична і потенціальна) енергія тіла, яку мають його молекули. Чим більша кількість молекул у тілі, тим більшу кількість теплоти потрібно передати, щоб змінити їх швидкість. Чим більше молекул, тим більша маса тіла. Дійсно, результати досліду свідчать, що для нагрівання 200 г води потрібно вдвічі більше теплоти, ніж для нагрівання 100 г до тієї самої температури.

Кількість теплоти, яку потрібно передати тілу для його нагрівання до певної температури, тим більша, чим більша маса тіла.

Пригадайте дослід зі стрижнями з різного матеріалу, які нагрівали одночасно з одного кінця на тому самому полум’ї. Першими відпали цвяшки, закріплені на мідному стрижні, а потім — на алюмінієвому. Отже, алюмінієвому стрижню потрібно було передати більше теплоти, щоб нагріти його до температури, коли віск починає плавитися, хоч його маса найменша. Мідний стрижень з найбільшою масою нагрівся швидше, йому для нагрівання до тієї самої температури потрібно передати меншу кількість теплоти. Отже, кількість теплоти, яку отримує чи втрачає тіло під час теплопередачі, залежить від речовини, з якої воно складається.

Перевірити цей висновок можна за допомогою ще одного простого досліду. Візьміть дві однакові невеликі посудини і налийте в них воду: в одну 100 г, а в іншу 200 г. Опустіть у першу посудину сталеву гирьку масою теж 100 г. Загальна маса обох посудин однакова. Вставте у посудини термометри і переконайтеся, що вони показують однакову температуру. Поставте посудини на однакові пальники, а краще — на одну й ту саму електричну плитку, щоб за однаковий час до них надходила однакова кількість теплоти. Вже за кілька десятків секунд ви помітите, що в посудині з гирькою температура підвищуватиметься швидше. Щоб нагріти, наприклад, на 20 °С посудину зі сталевою гирькою, потрібно менше часу, ніж для нагрівання на таку саму температуру посудину з самою водою.

Із власного досвіду ми знаємо: щоб нагріти навіть однакові кількості різних речовин до однієї й тієї самої температури, потрібно надати їм різну кількість теплоти. Тому за однакової маси молоко закипає швидше, ніж вода.

Для порівняння теплових властивостей різних речовин у фізиці використовують величину, яку називають питома теплоємність.

Питома теплоємність — це фізична величина, що чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати 1 кг речовини, щоб нагріти її на 1 °С.

Питому теплоємність позначають маленькою латинською літерою с. Одиниця питомої теплоємності

Питомі теплоємності усіх відомих речовин визначено експериментально, їхні значення можна знайти в довідниках. Теплоємності деяких речовин подано в табл. 1.1.

Зверніть увагу!

Для того щоб нагріти 1 кг води на 1 K (або 1 °С), необхідно передати їй 4200 Дж теплоти, а для такого самого нагрівання 1 кг гасу потрібно в два рази меншу кількість теплоти. Пригадайте: зміна температури на 1 K відповідає зміні температури на 1 °С, а у CI одиницею температури є кельвін.

Під час охолодження внутрішня енергія тіла зменшується, воно передає теплоту навколишньому середовищу. Очевидно, що скільки теплоти потрібно передати 1 кг певної речовини, щоб нагріти її на 1 °С, стільки само теплоти кожен кілограм цієї речовини віддасть під час охолодження на 1 °С.

Питома теплоємність показує на скільки змінюється (зростає унаслідок нагрівання або зменшується при охолодженні) внутрішня енергія речовини, маса якої 1 кг, унаслідок її нагрівання або охолодження на1 °С.

Те, що для нагрівання різних тіл на одне й те саме число градусів (до однакової температури) їм потрібно передавати різну кількість теплоти, помітили ще давні вчені. Передачу теплоти вони пояснювали переливанням теплецю від більш нагрітого тіла до менш нагрітого доти, поки їхні температури не зрівняються, подібно до рівнів рідини в сполучених посудинах. Здатність тіла прийняти більше теплецю при нагріванні до однакової темпера-

тури уявляли так само, як здатність більшої за місткістю (об’ємом) посудини вмістити більше рідини. Звідси й увійшло у фізику поняття “теплоємність” — здатність вміщувати більшу чи меншу кількість теплоти (теплецю) при нагріванні до однієї й тієї самої температури.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Яку фізичну величину називають кількістю теплоти?

2.    Що прийнято за одиницю кількості теплоти в CI?

3.    Як пов’язані між собою кількість теплоти, передана тілу під час теплообміну, і його внутрішня енергія?

4.    Від чого і як залежить кількість теплоти, яку тіло віддає або отримує під час теплопередачі?

5.    Що називають питомою теплоємністю речовини?

6.    Що показує питома теплоємність речовини?

7.    Питома теплоємність води становить 4 200 Дж/(кг · °С). Що це означає?

8.    Поблизу великих водойм клімат більш м’який. Чому близькість великих водойм впливає на температуру повітря в місцевості?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко