Количество теплоты. Удельная теплоёмкость вещества

На прошлых уроках мы говорили о том, что изменить состояние термодинамической системы можно двумя способами.  Первый характеризуется передачей энергии в процессе механического взаимодействия тел. Такую форму передачи энергии в термодинамике (как и в механике) называют работой.

Второй способ передачи энергии осуществляется при непосредственном обмене энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел. Если, например, привести в соприкосновение два тела с разными температурами, то частицы более нагретого тела будут передавать часть своей энергии частицам более холодного тела. В результате внутренняя энергия первого тела уменьшается, а второго — увеличивается.

Давайте вспомним, что скалярная физическая величина, равная изменению внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения механической работы, называется количеством теплоты (Q).

Основное отличие работы от количества теплоты состоит в том, что работа характеризует процесс изменения внутренней энергии системы, сопровождающийся превращением энергии из одного вида в другой. Количество теплоты же характеризует процесс передачи внутренней энергии от одних тел к другим (от более нагретых к менее нагретым), не сопровождающийся превращениями энергии.

Единицей измерения количества теплоты в СИ является джоуль (Дж). Однако вы слышали и о такой внесистемной единице измерения теплоты, как калория или килокалория.

Одна калория — это количество теплоты, которое необходимо затратить, чтобы нагреть 1 г воды с 19,5 °С до 20,5 °С при нормальном атмосферном давлении:

1 кал = 4,1868 Дж.

Ранее калория широко использовалась для измерения энергии, работы и теплоты. В настоящее время, несмотря на переход в систему СИ, в теплоэнергетике, системах отопления, коммунальном хозяйстве часто используется кратная единица измерения количества тепловой энергии — гигакалория (Гкал).

Кроме того, калория применяется при оценках энергетической ценности («калорийности») пищевых продуктов и, обычно, указывается в килокалориях (ккал).

А теперь давайте с вами вспомним от чего зависит количество теплоты. Для этого давайте проведём серию простых экспериментов. Итак, вот у нас есть два совершенно одинаковых сосуда которых находится разное количество подкрашенной воды. Убедимся в том, что температура воды в сосудах одинаковая.  Теперь при помощи электрической плитки начнём подводить к сосудам одинаковое количество теплоты.

Спустя несколько минут мы с вами заметим, что вода в левом сосуде (то есть тот, в котором воды меньше) нагрелась сильнее. Значит можно утверждать, что чем больше масса тела, тем большее количество теплоты требуется к нему подвести для нагревания на одно и тоже число градусов. Соответственно, если тело охлаждается, то оно будет отдавать тем больше теплоты, чем больше его масса. Конечно же в данном случае речь идёт о телах из одного и того же вещества, которые нагреваются или остывают на одно и то же число градусов.

Следовательно, количество теплоты, которое необходимо затратить на нагревание тела, прямо пропорционально массе этого тела.

Продолжаем эксперименты. Возьмём те же сосуды, но с равным количеством воды при одинаковой температуре. Будем теперь нагревать воду, например в левом сосуде, на 15 ^оС, а в правом — на 60 ^оС.

Включим секундомеры одновременно с плитками и немного подождём. Не трудно увидеть, что на нагревание воды на 15 ^оС тратится почти в четыре раза меньше времени, чем на нагревание такой же массы воды, но на 60 ^оС. Значит и количество теплоты, подведённое к левому сосуду с водой, меньше, чем количество теплоты, которое подвели к правому сосуду. Вывод: количество теплоты прямо пропорционально изменению температуры тела.

И вновь вернёмся к опыту. Опять берём два одинаковых сосуда в одном из которых находится вода, а во втором — такое же количество оливкового масла. Теперь при помощи электрической плитки начнём подводить к сосудам теплоту. Спустя несколько минут мы с вами заметим, что получив за одинаковый промежуток времени от нагревателя равное с водой количество теплоты, масло нагрелось сильнее.

Значит, количество теплоты, которое необходимо затратить для увеличения температуры тела, зависит и от рода вещества, из которого это тело сделано. Эта зависимость характеризуется величиной, которая называется удельной теплоёмкостью вещества.

Удельная теплоёмкость вещества — это физическая скалярная величина, равная количеству теплоты, которое нужно сообщить телу массой 1 кг для его нагревания на 1 ^оС (или на 1 К, так изменение температуры в этих шкалах совпадают).

Следует помнить о том, что такое же количество теплоты отдаёт тело массой один килограмм при своём охлаждении на тот же один градус Цельсия.

Из определения следует, что единицей удельной теплоёмкости является

Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально. Некоторые из них приведены в таблице.

Самую большую удельную теплоёмкость, из приведённых в таблице веществ, имеет вода. Обратите внимание, что на нагревание всего 1 кг воды лишь на 1 °С необходимо затратить 4200 Дж теплоты.

Итак, какой же важный вывод мы с вами можем сделать, на основании проведённых опытов? Правильно, количество теплоты, которое затрачивается на нагревание тела, зависит от трёх факторов: рода вещества, из которого изготовлено тело, массы тела и разности температур тела в конечном и начальном состояниях.

Эта же формула позволит нам рассчитать и количество теплоты, которое выделяет тело при своём охлаждении. Но так как конечная температура остывшего тела меньше его начальной температуры, то выделяемое телом количество теплоты будет выражаться отрицательным числом. Но не забывайте о том, что знак «минус» лишь указывает нам на то, что внутренняя энергия тела уменьшилась.

Следует помнить, что формула, которую мы получили для определения количества теплоты, справедлива только в том случае, если процесс теплопередачи НЕ сопровождается изменением агрегатного состояния вещества.

В заключение нашего урока отметим, что при теплообмене двух или нескольких тел абсолютное значение количества теплоты, которое отдало более нагретое тело, равно количеству теплоты, которое было получено более холодным телом:

Учитывая, что отданное количество теплоты считается отрицательным, а полученное — положительным, получается, что при теплообмене между телами, образующими теплоизолированную систему, суммарное количество теплоты, полученное ими, равняется нулю:

Записанное равенство справедливо при отсутствии потерь теплоты и называется уравнением теплового баланса.