Конспект уроку: Кількість теплоти. Питома теплоємність речовини. Розв’язування задач

Кількість теплоти

Під час теплообміну більш нагріті тіла передають менш нагрітим теплоту. При цьому змінюється внутрішня енергія як тіла, що віддає теплоту, так і тіла, що її отримує. Ці зміни оцінюють кількістю теплоти Q. Тобто, зміна внутрішньої енергії тіла ∆U дорівнює кількості теплоти, котру воно отримало або віддало під час теплообміну:

∆U = Q.

Таким чином, ми з'ясували, що кількість теплоти безпосередньо пов'язана зі зміною внутрішньої енергії тіла, яка, в свою чергу, пропорційна зміні його температури. Тоді:

∆U ~ ∆t

Кількість теплоти, яку отримує тіло під час нагрівання буде тим більшою, чим вища температура t₂, до якої нагрілося тіло, порівняно з його початковою температурою t₁. Відповідно, тіло віддає тим більшу загальну кількість теплоти, чим менша його кінцева температура, порівняно з початковою.

Рис. 1. Кількість теплоти.
Під час теплообміну більш нагріті тіла передають менш нагрітим теплоту. Кількість теплоти, отримана тілом під час нагрівання або віддана під час охолодження, пропорційна зміні температури тіла.

Отже, кількість теплоти, отримана тілом під час нагрівання або віддана під час охолодження, пропорційна зміні температури ∆t=t₂ - t₁:

Q ~ ∆t

Введемо коефіцієнт пропорційності С:

Q = C • ∆t

Коефіцієнт пропорційності С називають теплоємністю тіла.

Теплоємністю тіла називається фізична величина, яка показує, котра кількість теплоти потрібна, для зміни температури тіла на 1 С.

Оскільки кількість теплоти, яку віддає або втрачає тіло, характеризує зміну його внутрішньої енергії, то за одиницю кількості теплоти прийнято джоуль (Дж).

Реальні теплові процеси проходять із значним виділенням або поглинанням теплоти. Так, щоб перемінити температуру 1 кг води на 1 °С потрібно витратити біля 4000 Дж теплоти. Саме тому для практичних потреб для обчислення кількості теплоти використовують кратні одиниці вимірювання кількості теплоти:

кілоджоуль (1 кДж = 1000 Дж = 103 Дж)

мегаджоуль (1 МДж = 1000000 Дж = 106 Дж).

Теплоємність вимірюється в джоулях, поділених на градус (Дж / С).

Питома теплоємність речовини

Від яких величин, що характеризують теплообмін між тілами (крім температури), залежить кількість теплоти?

Для нагрівання чайника, вщерть заповненого водою, потрібно більше теплоти, ніж для нагрівання того самого чайника, наповненого водою лише наполовину. Остигаючи, тіло з більшою масою віддає навколишньому середовищу більше теплоти, ніж тіло з меншою масою. Наприклад, чим більше секцій має радіатор водяного опалення, тим більше він віддає тепла і тим швидше нагрівається кімната. Тобто, кількість теплоти, потрібна для нагрівання тіла, залежнавід його маси: чим більша маса тіла, тим більшу кількість теплоти слід витрати, щоб змінити його температуру на одне й те саме число градусів.

Так, кількість теплоти Q, віддана або отримана тілом, пропорційна його масі m.

Q ~ m.

Різні речовини по-різному вбирають і віддають теплоту. Тобто, кількість теплоти залежна від роду речовини. Звернемось до досліду. Наллємо у дві однакові колби рівні маси: в одну - води, у другу - гліцерину. Помістимо в них термометри для спостережень зміни температури, а колби - в кювету з водою, яку підігріємо спиртівкою.

Будемо спостерігати за зміною температури води та гліцерину під час їхнього нагрівання за однакових умов. Помітимо, що температура гліцерину зростатиме значно швидше, ніж температура води. Це значить, що для нагрівання одиниці маси гліцерину на 1 С потрібна менша кількість теплоти, ніж для нагрівання води.

Досліди показують те, що для нагрівання тіл однакової маси, взятих при однаковій температурі, необхідна різна кількість теплоти. Так, в нашому досліді для нагріву 1 кг води на 1 С потрібно 4200 Дж теплоти, а для нагріву 1 кг гліцерину на 1 °С - тільки 2400 Дж.

Кількість теплоти, отримана чи витрачена тілом, залежить від його маси, роду речовини, із котрої воно виготовлене та різниці початкової і кінцевої температур.

На практиці зручніше користуватись не теплоємністю тіла, а питомою теплоємністю, тобто теплоємністю речовини, віднесеною до одиниці її маси.

Питомою теплоємністю речовини називають фізичну величину, яка показує, що кількість теплоти необхідна для зміни температури речовини з масою 1 кг на 1 °С.

Питому теплоємність речовини позначають літерою c’ (читається “це”) і обчислюють за формулою:

Найменування одиниці питомої теплоємності: 1 Дж/кг С.

Обчислення кількості теплоти

На практиці часто використовують розрахунки отриманої чи відданої тілом (тілами) теплоти. Наприклад, при спорудженні будинків необхідно знати, яку кількість теплоти має віддавати будинку вся система опалення. Слід також знати, яка кількість теплоти переходитиме в оточуюче середовище через вікна та стіни.

Щоб обчислити кількість теплоти, котра необхідна для нагрівання тіла, чи кількість теплоти, яку виділяє тіло під час охолодження, необхідно питому теплоємність речовини помножити на масу тіла й на зміну його температури:

З цієї формули можна отримати формулидля обчислення теплоємності тіла:

для обчислення різниці температур:

Питома теплоємність речовини у різних агрегатних станах - рідкому, твердому, газоподібному - різна. Приклад цьому - вода: її питома теплоємність 4200 Дж/кг С, питома теплоємність льоду - вдвічі менша і становить 2100 Дж/кг°С

Завдяки великій теплоємності вода в морях, озерах, річках, нагріваючись, вбирає значну кількість сонячної енергії і довго її зберігає. Тому біля водних масивів не так жарко влітку. В холодну пору року вода охолоджується, віддаючи у навколишній простір значну кількість тепла, тим самим пом'якшуючи клімат.

Через її велику теплоємність воду використовують як теплоносій у системах водяного опалення, охолодження ядерних реакторів, автомобільних двигунів тощо.

Розв’язування задач з фізики з теми: Теплоємність речовини.

Приклад № 1

Яку кількість теплоти отримало тіло теплоємністю 2000 Дж/С, якщо воно нагрілося від температури 20 °С до температури 80 °С.

Розв’язок задачі:

Приклад № 2.

Визначити теплоємність тіла, яке, остигнувши на 50 °С, віддало 15кДж теплоти.

Розв’язок задачі:

Приклад № 3.

Яка кількість теплоти виділиться під час охолодження 1 кг свинцю від 80 °С до 20 °С? Питома теплоємність свинцю с = 140 Дж/кг С.

Початковий рівень

Задача 1.

Алюмінієва деталь масою 1 кг охолоджується на 1 °С. Яка кількість теплоти виділяється при охолодженні деталі?

Задача 2.

Щоб підвищити температуру олова масою 1 кг на 1 °С необхідно передати йому 250 Дж. Яка питома теплоємність олова?

Задача 3.

Наскільки більше кількості теплоти потрібно витратити для нагрівання на 1 °С бідона води об’ємом 50 л порівняно з нагріванням на таку ж саму температуру стакана води (200 мл)?

Середній рівень

Задача1.

Яку саме кількість теплоти необхідно затратити на нагрівання 0,4 кг свинцю від 20 °С до 62°С Питома теплоємність свинцю С = 140 Дж/кг С

Задача 2.

Яка маса залізної деталі, коли на її нагрівання від 20 °С до 250°С затрачено 27,4 кДж теплоти? Питома теплоємність речовини, із якої виготовлено деталь, С = 460 Дж/кг °С

Задача 3.

Злиток срібла масою 120 г при охолодженні від 66 °С до 16 °С передав оточуючому середовищу 1,5 кДж теплоти. Яка теплоємність срібла?

Достатній рівень

Задача 1.

Виточену з латуні деталь, що має температуру 120 °С, охолоджують 540 г води, яка знаходиться при кімнатній температурі (20 °С). Визначити масу деталі, якщо відомо, що в процесі теплообміну вода нагрілась до 24 °С.

Задача 2.

У алюмінієвий калориметр з масою 140 г налили 250 г води температурою 15 °С. Після того, як бруски із свинцю масою 100 г нагріли до 100 °С і помістили у калориметр із водою, в ньому встановилась температура 16 °С. Визначіть питому теплоємність свинцю.

Задача 3.

При охолодженні мідного паяльника до 20 °С виділилось 30,4 кДж енергії. До котрої температури було нагріто паяльник, коли його маса 200 г ?