§ 7. Кількість теплоти. Питома теплоємність речовини

Для кількісного опису властивостей теплообміну застосовують спеціаль-ні фізичні величини, однією з яких є кількість теплоти.

Кількість теплоти показує, яка кінетична енергія хаотичного (безладного) руху молекул передалася від одного тіла до іншого під час теплообміну, у результаті чого змінилася внутрішня енергія обох тіл, що були в тепловому контакті.

Від яких умов теплообміну залежить кількість теплоти?

Усім вам, мабуть, доводилося нагрівати воду, і ви добре знаєте, що для нагрівання чайника, ущерть заповненого водою, потрібна більша кількість теплоти, ніж для такого самого чайника, наповненого до половини. Звідси випливає: що більша маса тіла, то більшу кількість теплоти потрібно затратити, щоб змінити його температуру на одну й ту саму кількість градусів.

Дослід I. На однакові нагрівники поставимо однакові посудини, в одній з яких налито 200 г води (мал. 48, а), a в другій - 400 г (мал. 48, б). Виміряємо початкову температуру води - вона однакова в обох посудинах.

Нагріваючи воду до певної температури, побачимо, що посудину з водою масою 400 г потрібно гріти вдвічі довше, ніж посудину з водою масою 200 г, тобто їй слід надати удвічі більшої кількості теплоти. Кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла, залежить від маси цього тіла.

Що більша маса тіла, то більшу кількість теплоти треба надати йому, щоб нагріти до певної температури.

У той самий час тіло, яке охолоджується, передає навколишньому середовищу тим більше кількості теплоти, чим більша його маса. Наприклад, якщо залишити холонути посудини з попереднього досліду, то посудина, у якій маса води дорівнює 400 г, набуде кімнатної температури за час, удвічі більший, ніж та, у якій води 200 г, а отже, поверне і вдвічі більшу кількість теплоти.

Дослід 2. Поставимо тепер посудину з водою кімнатної температури на нагрівник і нагріємо воду, наприклад, на 10 ^cC. Процес нагрівання триватиме деякий час, за який тілу буде передано певну кількість теплоти. Якщо ми вирішимо підвищити температуру води ще на 10 ^lC, то процес нагрівання треба буде продовжити, і він триватиме такий самий час, який знадобився в першій частині досліду. Зрозуміло, що при цьому воді буде передано додатково таку саму кількість теплоти, що й раніше. Отже, що більша різниця кінцевої і початкової температур тіла під час нагрівання, то більшої кількості теплоти йому треба надати.

Що більша різниця кінцевої і початкової температур тіла, то більшу кількість теплоти йому буде передано під час нагрівання.

Дослід 3. Візьмемо дві однакові посудини, перша з яких містить 400 г води (мал. 49, а), а друга - 400 г олії (мал. 49, б) кімнатної температури і поставимо їх на однакові нагрівники. Отже, маси обох рідин однакові й нагріватимемо їх до однакової температури, наприклад до 40 ^cC.

Спостерігаючи за показами термометрів, занурених у кожну з рідин, побачимо, що олія набуде заданої температури першою. Щоб температура води зрівнялася з температурою олії, нагрівання води треба продовжити і надати їй додаткової кількості теплоти.

Кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла до певної температури, залежить від того, з якої речовини виготовлено тіло.

Дослід 4. Нагріємо залізне та алюмінієве тіла однакової маси до певної температури, наприклад до 40 ^wC (мал. 50). Зануримо кожне з тіл в окремі посудини з однаковою кількістю води кімнатної температури в кожній. Через певний час побачимо, що вода, у яку помістили алюмінієве тіло, нагрілася більше, ніж вода, у яку поклали залізне тіло.

Тіла з різних речовин однакової маси і температури, охолоджуючись, виділяють різну кількість теплоти.

Кількість теплоти — це теплова енергія, яку одержує або втрачає тіло під час теплообміну. Вона залежить від речовини, з якої виготовлено тіло, маси цього тіла та різниці ного кінцевої і початкової температур.

Кількість теплоти позначають великою латинською літерою Q. Одиницею кількості теплоти, як і енергії, є один джоуль (1 Дж). Використовують також кратні одиниці кількості теплоти: один кілоджоуль (1 кДж) і один мегаджоуль (1 МДж).

1 кДж = 1000 Дж; 1 МДж = 1 000 000 Дж.

Щоб підвищити температуру води масою 1 кг на I ^cC, треба надати їй кількість теплоти, що дорівнює 4200 Дж; якщо нагрівати 1 кг золота на I ^cC, то потрібна кількість теплоти, яка дорівнює лише 130 Дж. Отже, кожна речовина масою 1 кг для нагрівання на I ^cC потребує певної кількості теплоти. Під час охолодження цих речовин масою 1 кг на I ^tC, виділятимуться такі самі кількості теплоти.

Фізичну величину, що показує, яка кількість теплоти потрібна для зміни температури речовини масою 1 кг на 1 °С, називають питомою теплоємністю речовини.

Питому теплоємність речовини позначають малою латинською літерою с. Одиницею питомої теплоємності речовини є один джоуль, поділений на один кілограм і один градус Цельсія (1 ДжДкг · °С)).

У таблиці 2 наведено значення питомої теплоємності для багатьох речовин, що використовуються у промисловості й побуті.

Питома теплоємність речовин    Таблиця 2

Що означає вислів «питома теплоємність срібла дорівнює 250 ДжДкг °С)»? Цей вислів означає, що для нагрівання 1 кг срібла на 1 °С потрібно затратити кількість теплоти, що дорівнює 250 Дж, або під час охолодження 1 кг срібла на 1 °С виділяється кількість теплоти, що дорівнює 250 Дж.

Аналізуючи таблицю 2, бачимо, що вода має дуже велику питому теплоємність. Тому вода в морях і океанах, нагріваючись улітку, вбирає велику кількість теплоти, і в місцях поблизу великих водойм улітку не буває так жарко, як у місцях, віддалених від води. Узимку вода охолоджується й віддає значну кількість теплоти, через те зима в цих місцях не така люта. Завдяки великій питомій теплоємності воду широко використовують у системах водяного опалення, для охолодження двигунів.

Раніше з результатів дослідів було зроблено висновок, що для нагрівання будь-якого тіла потрібно затратити певну кількість теплоти, яка пропорційна масі тіла, різниці його кінцевої і початкової температур та залежить від роду речовини, з якої воно виготовлене.

Як обчислити кількість теплоти, коли задано певні значення всіх цих величин? Наприклад, треба обчислити, яку кількість теплоти одержала під час нагрівання мідна деталь масою 5 кг, якщо її температура збільшилася від 20 до 520 ^cC. У таблиці 2 знаходимо значення питомої теплоємності міді: вона дорівнює 380 Дж/(кг ♦ ^cC). Це означає, що для нагрівання міді масою 1 кг на I ^cC потрібно 380 Дж, а для нагрівання міді масою 5 кг на I ^cC потрібна в 5 разів більша кількість теплоти, тобто 380 Дж · 5 - 1900 Дж. Для нагрівання міді масою 5 кг на 500 ^cC потрібна ще в 500 разів більша кількість теплоти, тобто

1900 Дж · 500 = 950 000 Дж = 950 кДж.

Щоб обчислити кількість теплоти, яка потрібна для нагрівання тіла, або кількість теплоти, яку виділяє тіло під час охолодження, треба питому теплоємність речовини помножити на масу тіла та на різницю кінцевої і початкової температур тіла.

Математично це правило записують у вигляді такої формули:

Q = cm(l₂ - І),

де Q - кількість теплоти; с - питома теплоємність речовини; т маса тіла; t, - початкова температура тіла; I₂ - кінцева температура тіла.

Щоб визначити масу тіла, яке нагрівається або охолоджується, потрібно кількість теплоти поділити на питому теплоємність речовини й на різницю кінцевої і початкової температур тіла:

Щоб визначити питому теплоємність речовини, з якої виготовлено тіло, потрібно кількість теплоти поділити на масу тіла й на різницю його кінцевої і початкової температур:

Щоб визначити, на скільки градусів змінилася температура тіла, потрібно кількість теплоти поділити на питому теплоємність речовини й на масу тіла:

ЦЕ ЦІКАВО ЗНАТИ

•    Одиницею кількості теплоти з давніх-давен була особлива одиниця - калорія (з лат. calor - тепло, жар).

•    Калорія (кал) - це кількість теплоти, яку треба передати 1 г води для нагрівання її на 1 ^cC. Можна сказати також, що калорія - це кількість теплоти, яку втрачає 1 г води, охолоджуючись на 1 ^ГС.

•    Користуються також більшою одиницею кількості теплоти кілокалорією (це можна побачити в написах на консервах та інших продуктах харчування):

1 ккал = 1000 кал; 1 кал = 4,19 Дж.

В ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Що таке кількість теплоти?

2. Від яких фізичних величин залежить кількість теплоти, потрібна для нагрівання тіла?

3. Назвіть одиниці кількості теплоти.

4. Що таке питома теплоємність речовини? Що вона показує?

Це матеріал з підручника фізика 8 клас Сиротюк