§ 7. Кількість теплоти. Питома теплоємність речовини

Для кількісного опису властивостей теплообміну застосовують спеціальні 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 1. На однакові нагрівники поставимо однакові посудини, в одній з яких налито 200 г води (мал. 48, а), а в другій – 400 г (мал. 48, б). Виміряємо початкову температуру води – вона однакова в обох посудинах.

Мал. 48

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 °С. Процес нагрівання триватиме деякий час, за який тілу буде передано певну кількість теплоти. Якщо ми вирішимо підвищити температуру води ще на 10 °С, 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 °С.

Мал. 49

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 °С (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.

Мал. 50

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

Кількість теплоти — це внутрішня енергія, яку одержує або втрачає тіло під час теплообміну. Вона залежить від речовини, з якої виготовлено тіло, маси цього тіла та різниці його 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 1 °С, треба надати їй кількість теплоти, що дорівнює 4200 Дж; якщо нагрівати 1 кг золота на 1 °С, то потрібна кількість теплоти, яка дорівнює лише 130 Дж. Отже, кожна речовина масою 1 кг для нагрівання на 1 °С потребує певної кількості теплоти. Під час охолодження цих речовин масою 1 кг на 1 °С, 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 Дж/(кг • °С)).

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

Питома теплоємність речовин

Речовина

Питома теплоємність речовини, Дж/(кг • °С)

Речовина

Питома теплоємність речовини, Дж/(кг • °С)

Маса тіла – що це і як її знаходять?

Маса – звичне поняття, яке ми так чи інакше використовуємо щодня. Ми визначаємо масу власного тіла, масу побутових предметів. Часто замість слова «маса» ми використовуємо слово «вага», вважаючи, що вони однакові по суті.

Чи так це насправді, і чому є маса з точки зору класичної фізики?

Визначення і суть маси

Маса – це кількість речовини в певному тілі чи об’єкті. Часто можна побачити термін «інертна маса» – позначає він те ж саме, просто іншими словами, оскільки маса визначає ще й інерцію, здатність тіла пручатися зовнішньому впливу.

Масі притаманні такі характерні властивості:

• на її величину не впливає ні положення тіла, ні напрямок його руху або відсутність руху, ні зовнішні впливи інших тіл;
• загальна маса якоїсь системи тіл не змінюється з часом – це випливає з закону збереження маси.

Очевидно, що від ваги маса відрізняється принципово. Перш за все, вага нерозривно пов’язаний з тяжінням і має певний напрям, або вектор. Що стосується маси, вона скалярна – тобто, не змінюється під зовнішніми впливами і напрямки не має.

Вимірюють масу найчастіше в кілограмах. Якщо мова йде про дуже маленьких і легких об’єктах, то використовуються грами, якщо про великих і важких – тонни. У формулах маса позначається латинською маленькою літерою m, а сама формула знаходження маси виглядає так: m = P/g. Іншими словами, щоб знайти масу тіла, потрібно дізнатися його вага і розділити на прискорення вільного падіння.

Як ще можна знайти масу?

Маса тіла залежить не тільки від його ваги. Вона безпосередньо пов’язана ще і з щільністю – концентрацією речовини на певній ділянці простору. Чим більше щільність, тим вище маса, і чим менше щільність, тим меншу масу має об’єкт.

З цього випливає, що знайти масу для будь-якого тіла можна, знаючи показники його щільності і об’єму. У вигляді формули це виглядає так: m = p * V. Відповідно, знаючи масу і об’єм, можна розрахувати щільність, а при відомих щільності і масі – знайти об’єм.

Уміння розрахувати масу тіла необхідно не тільки на уроках фізики – воно може стати в нагоді в повсякденному житті. Наприклад, визначивши масу предмета при його покупці, ми можемо зрозуміти, чи вийде самостійно донести його до будинку, і чи є сенс ставити цей предмет на певне місце – на досить крихкий столик або підвіконня.

У чому вимірюється маса? Одиниці виміру

Основна одиниця вимірювання маси – це кілограми. Але в деяких випадках, якщо маса тіла занадто маленька або занадто велика, можуть бути використані і інші одиниці вимірювання …