Как вы думаете, что быстрее нагревается на плите: литр воды в кастрюльке или же сама кастрюлька массой 1 килограмм? Масса тел одинакова, можно предположить, что нагревание будет происходить с одинаковой скоростью.

А не тут-то было! Можете проделать эксперимент - поставьте пустую кастрюльку на огонь на несколько секунд, только не спалите, и запомните, до какой температуры она нагрелась. А потом налейте в кастрюлю воды ровно такого же веса, как и вес кастрюли. По идее, вода должна нагреться до такой же температуры, что и пустая кастрюля за вдвое большее время, так как в данном случае нагреваются они обе - и вода, и кастрюля.

Однако, даже если вы выждете втрое большее время, то убедитесь, что вода нагрелась все равно меньше. Воде потребуется почти в десять раз большее время, чтобы нагреться до такой же температуры, что и кастрюля того же веса. Почему это происходит? Что мешает воде нагреваться? Почему мы должны тратить лишний газ на подогрев воды при приготовлении пищи? Потому что существует физическая величина, называемая удельной теплоемкостью вещества.

Удельная теплоемкость вещества

Эта величина показывает, какое количество теплоты надо передать телу массой один килограмм, чтобы его температура увеличилась на один градус Цельсия. Измеряется в Дж/(кг * ˚С). Существует эта величина не по собственной прихоти, а по причине разности свойств различных веществ.

Удельная теплоемкость воды примерно в десять раз выше удельной теплоемкости железа, поэтому кастрюля нагреется в десять раз быстрее воды в ней. Любопытно, что удельная теплоемкость льда в два раза меньше теплоемкости воды. Поэтому лед будет нагреваться в два раза быстрее воды. Растопить лед проще, чем нагреть воду. Как ни странно звучит, но это факт.

Расчет количества теплоты

Обозначается удельная теплоемкость буквой c и применяется в формуле для расчета количества теплоты:

Q = c*m*(t2 - t1),

где Q - это количество теплоты,
c - удельная теплоемкость,
m - масса тела,
t2 и t1 - соответственно, конечная и начальная температуры тела.

Формула удельной теплоемкости: c = Q / m*(t2 - t1)

Также из этой формулы можно выразить:

m = Q / c*(t2-t1) - массу тела
t1 = t2 - (Q / c*m) - начальную температуру тела
t2 = t1 + (Q / c*m) - конечную температуру тела
Δt = t2 - t1 = (Q / c*m) - разницу температур (дельта t)

А что насчет удельной теплоемкости газов? Тут все запутанней. С твердыми веществами и жидкостями дело обстоит намного проще. Их удельная теплоемкость - величина постоянная, известная, легко рассчитываемая. А что касается удельной теплоемкости газов, то величина эта очень различна в разных ситуациях. Возьмем для примера воздух. Удельная теплоемкость воздуха зависит от состава, влажности, атмосферного давления.

При этом, при увеличении температуры, газ увеличивается в объеме, и нам надо ввести еще одно значение - постоянного или переменного объема, что тоже повлияет на теплоемкость. Поэтому при расчетах количества теплоты для воздуха и других газов пользуются специальными графиками величин удельной теплоемкости газов в зависимости от различных факторов и условий.

На сегодняшнем уроке мы введем такое физическое понятие как удельнаятеплоемкость вещества. Узнаем, что она зависит от химических свойств вещества, а ее значение, которое можно найти в таблицах, различно для различных веществ. Затем выясним единицы измерения и формулу нахождения удельной теплоемкости, а также научимся анализировать тепловые свойства веществ по значению их удельной теплоемкости.

Калориметр (от лат. calor – тепло и metor – измерять) – прибор для измерения количества теплоты , выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе. Термин «калориметр» был предложен А. Лавуазье и П. Лапласом.

Состоит калориметр из крышки, внутреннего и внешнего стакана. Очень важным в конструкции калориметра является то, что между меньшим и большим сосудами существует прослойка воздуха, которая обеспечивает из-за низкой теплопроводности плохую теплопередачу между содержимым и внешней средой. Такая конструкция позволяет рассматривать калориметр как своеобразный термос и практически избавиться от воздействий внешней среды на протекание процессов теплообмена внутри калориметра.

Предназначен калориметр для более точных, чем указано в таблице, измерений удельных теплоемкостей и других тепловых параметров тел.

Замечание. Важно отметить, что такое понятие, как количество теплоты, которым мы очень часто пользуемся, нельзя путать с внутренней энергией тела. Количество теплоты определяет именно изменение внутренней энергии, а не его конкретное значение.

Отметим, что удельная теплоемкость у разных веществ разная, что можно увидеть по таблице (рис. 3). Например, у золота удельная теплоемкость . Как мы уже указывали ранее, физический смысл такого значения удельной теплоемкости означает, что для нагревания 1 кг золота на 1 °С ему необходимо сообщить 130 Дж теплоты (рис. 5).

Рис. 5. Удельная теплоемкость золота

На следующем уроке мы обсудим вычисление значения количества теплоты.

Список литературы

Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

Интернет-портал «vactekh-holod.ru» ()

Домашнее задание

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер паропроницаемости и скорости переноса пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Исходная величина

Преобразованная величина

джоуль на килограмм на кельвин джоуль на килограмм на °C джоуль на грамм на °C килоджоуль на килограмм на кельвин килоджоуль на килограмм на °C калория (межд.) на грамм на °C калория (межд.) на грамм на °F калория (терм.) на грамм на °C килокалория (межд.) на кг на °C калория (терм.) на кг на °C килокалория (межд.) на кг на кельвин килокалория (терм.) на кг на кельвин кгс-метр на килограмм на кельвин фунт-сила фут на фунт на °Ранкина BTU (межд.) на фунт на °F BTU (терм.) на фунт на °F BTU (межд.) на фунт на °Ранкина BTU (терм.) на фунт на °Ранкина BTU (межд.) на фунт на °C стоградусная тепл. ед. на фунт на °C

Массовая концентрация в растворе

Подробнее об удельной теплоемкости

Общие сведения

Молекулы движутся под воздействием тепла - это движение называется молекулярной диффузией . Чем выше температура вещества, тем быстрее молекулы движутся и тем более интенсивно происходит диффузия. На движение молекул влияет не только температура, но и давление, вязкость вещества и его концентрация, сопротивление диффузии, расстояние, которое проходят молекулы при их перемещениях, и их масса. Например, если сравнить как происходит процесс диффузии в воде и в мёде, когда все другие переменные, кроме вязкости, равны, то очевидно, что молекулы в воде движутся и диффундируют быстрее, чем в мёде, так как у мёда более высокая вязкость.

Для движения молекулам необходима энергия, и чем быстрее они движутся, тем больше энергии им требуется. Тепло - один из видов энергии, используемой в этом случае. То есть, если поддерживать в веществе определенную температуру, то молекулы будут двигаться, а если температуру увеличить, то и движение ускорится. Энергию в форме тепла получают, сжигая топливо, например природный газ, уголь, или древесину. Если нагреть несколько веществ, используя одинаковое количество энергии, то некоторые вещества, скорее всего, будут нагреваться быстрее, чем остальные, из-за более интенсивной диффузии. Теплоемкость и удельная теплоемкость описывают как раз эти свойства веществ.

Удельная теплоемкость определяет какое количество энергии (то есть, тепла) требуется, чтобы изменить температуру тела или вещества определенной массы на определенную величину. Это свойство отличается от теплоемкости , которая определяет количество энергии, необходимое чтобы изменить температуру всего тела или вещества на определенную температуру. В вычислениях теплоемкости, в отличие от удельной теплоемкости, не учитывают массу. Теплоемкость и удельную теплоемкость вычисляют только для веществ и тел в устойчивом агрегатном состоянии, например для твердых тел. В этой статье рассматриваются оба эти понятия, так как они взаимосвязаны.

Теплоемкость и удельная теплоемкость материалов и веществ

Металлы

У металлов очень прочная молекулярная структура, так как расстояние между молекулами в металлах и других твердых телах намного меньше, чем в жидкостях и газах. Благодаря этому, молекулы могут двигаться только на очень маленькие расстояния, и, соответственно, для того чтобы заставить их двигаться с большей скоростью необходимо намного меньше энергии, чем для молекул жидкостей и газов. Благодаря этому свойству, их удельная теплоемкость мала. Это значит, что температуру металла поднять очень легко.

Вода

С другой стороны, у воды очень высокая удельная теплоемкость, даже по сравнению с другими жидкостями, поэтому нужно намного больше энергии, чтобы нагреть одну единицу массы воды на один градус, по сравнению с веществами, удельная теплоемкость которых ниже. Вода имеет высокую теплоемкость благодаря прочным связям между атомами водорода в молекуле воды.

Вода - один из главных составляющих всех живых организмов и растений на Земле, поэтому ее удельная теплоемкость играет большую роль для жизни на нашей планете. Благодаря высокой удельной теплоемкости воды, температура жидкости в растениях и температура полостной жидкости в организме животных мало изменяется даже в очень холодные или очень жаркие дни.

Вода обеспечивает систему поддержания теплового режима как у животных и растений, так и на поверхности Земле в целом. Огромная часть нашей планеты покрыта водой, поэтому именно вода играет большую роль в регулировании погоды и климата. Даже при большом количестве тепла, поступающем в результате воздействия солнечного излучения на поверхность Земли, температура воды в океанах, морях и других водоемах увеличивается постепенно, и окружающая температура тоже меняется медленно. С другой стороны, влияние на температуру интенсивности тепла от солнечного излучения велико на планетах, где нет больших поверхностей, покрытых водой, таких как Земля, или в районах Земли, где мало воды. Это особенно заметно, если посмотреть на разность дневных и ночных температур. Так, например, вблизи океана разница между дневной и ночной температурами невелика, но в пустыне она огромна.

Высокая теплоемкость воды также означает, что вода не только медленно нагревается, но и медленно остывает. Благодаря этому свойству воду часто используют как хладагент, то есть, как охлаждающую жидкость. К тому же, использовать воду выгодно благодаря ее низкой цене. В странах с холодным климатом горячая вода циркулирует в трубах для обогрева. В смеси с этиленгликолем ее используют в радиаторах автомобилей для охлаждения двигателя. Такие жидкости называют антифризом. Теплоемкость этиленгликоля ниже, чем теплоемкость воды, поэтому теплоемкость такой смеси тоже ниже, а значит эффективность системы охлаждения с антифризом также ниже, чем системы с водой. Но с этим приходится мириться, так как этиленгликоль не дает воде замерзнуть зимой и повредить каналы системы охлаждения автомобиля. В охлаждающие жидкости, предназначенные для более холодного климата, добавляют больше этиленгликоля.

Теплоемкость в повседневной жизни

При прочих равных условиях, теплоемкость материалов определяет, как быстро они нагреваются. Чем выше теплоемкость, тем больше энергии необходимо, чтобы нагреть этот материал. То есть, если два материала с разной теплоемкостью нагревать одинаковым количеством тепла и в одинаковых условиях, то вещество с меньшей теплоемкостью будет быстрее нагреваться. Материалы с высокой теплоемкостью, наоборот, нагреваются и отдают тепло назад в окружающую среду медленнее.

Кухонные принадлежности и посуда

Чаще всего мы выбираем материалы для посуды и кухонных принадлежностей, основываясь на их теплоемкости. Это в основном касается предметов, которые напрямую контактируют с теплом, например кастрюль, тарелок, форм для выпекания, и другой аналогичной посуды. Например, для кастрюль и сковородок лучше использовать материалы с низкой теплоемкостью, например металлы. Это помогает теплу легче и быстрее передаваться от нагревателя через кастрюлю к продуктам питания и ускоряет процесс приготовления пищи.

С другой стороны, так как материалы с высокой теплоемкостью долго держат тепло, их хорошо использовать для изоляции, то есть когда необходимо сохранить тепло продуктов, и не дать ему уйти в окружающую среду или, наоборот, не дать теплу помещения нагреть охлажденные продукты. Чаще всего такие материалы используют для тарелок и чашек, в которых подают горячую или, наоборот, очень холодную еду и напитки. Они помогают не только сохранить температуру продукта, но и не дают людям обжечься. Посуда из керамики и вспененного полистирола - хорошие примеры использования таких материалов.

Теплоизолирующие продукты питания

В зависимости от ряда факторов, например содержания воды и жира в продуктах, их теплоемкость и удельная теплоемкость бывает разной. В кулинарии знания о теплоемкости продуктов дают возможность использовать некоторые продукты для изоляции. Если теплоизолирующими продуктами накрыть другую еду, то они помогут этой еде под ними дольше сохранить тепло. Если у блюд под этими теплоизолирующими продуктами высокая теплоемкость, то они и так медленно отдают тепло в окружающую среду. После того, как они хорошо прогреются, они теряют тепло и воду еще медленнее благодаря изолирующим продуктам сверху. Поэтому они дольше остаются горячими.

Пример теплоизолирующего продукта - сыр, особенно на пицце и других похожих блюдах. Пока он не расплавился, он пропускает водяные пары, что позволяет продуктам под ним быстро остыть, так как содержащаяся в них вода испаряется и при этом охлаждает содержащие ее продукты. Растаявший же сыр покрывает поверхность блюда и изолирует продукты под ним. Часто под сыром оказываются продукты с высоким содержанием воды, например соусы и овощи. Благодаря этому у них высокая теплоемкость, и они долго держат тепло, особенно потому, что находятся под расплавленным сыром, который не выпускает наружу водяные пары. Именно поэтому пицца из духовки настолько горяча, что можно легко обжечься соусом или овощами, даже когда тесто по краям уже остыло. Поверхность пиццы под сыром долго не остывает, что делает возможным доставку пиццы на дом в хорошо изолированной термо-сумке.

В некоторых рецептах соусы используют так же, как и сыр, для теплоизоляции продуктов под ним. Чем больше содержание жира в соусе, тем лучше он изолирует продукты - особенно хороши в этом случае соусы, основанные на масле или сливках. Это опять связано с тем, что жир препятствует испарению воды и, следовательно, отбору тепла, требуемого для испарения.

В кулинарии для термоизоляции иногда используют также материалы, не пригодные в пищу. Повара в странах Центральной Америке, на Филиппинах, в Индии, Таиланде, Вьетнаме и во многих других странах часто используют в этих целях листья банана. Их можно не только собрать в саду, но и купить в магазине или на рынке - их даже импортируют для этих целей в страны, где не выращивают бананы. Иногда в целях изоляции используют алюминиевую фольгу. Она не только предотвращает испарение воды, но и помогает сохранить тепло внутри за счет предотвращения теплопередачи в форме излучения. Если обернуть в фольгу крылышки и другие выступающие части птицы при ее запекании, то фольга не даст им перегреться и сгореть.

Приготовление пищи

У продуктов с высоким содержанием жира, например у сыра, низкая теплоёмкость. Они сильнее нагреваются при меньшем количестве энергии, по сравнению с продуктами с высокой теплоёмкостью, и достигают температур, достаточно высоких для того, чтобы произошла реакция Майяра. Реакция Майяра - это химическая реакция, которая происходит между сахарами и аминокислотами, и изменяет вкус и внешний вид продуктов. Эта реакция важна в некоторых способах приготовления пищи, например для выпечки хлеба и кондитерских изделий из муки, запекания продуктов в духовом шкафу, а также для жарения. Чтобы увеличить температуру продуктов до температуры, при которой протекает эта реакция, в кулинарии используют продукты с высоким содержанием жира.

Сахар в кулинарии

Удельная теплоемкость сахара еще ниже, чем у жира. Так как сахар быстро нагревается до температур более высоких, чем температура кипения воды, работа с ним на кухне требует соблюдения правил безопасности, особенно во время приготовления карамели или конфет. Необходимо быть предельно осторожным, расплавляя сахар, и не пролить его на незащищенную кожу, так как температура сахара достигает 175° C (350° F) и ожог от расплавленного сахара будет очень серьезный. В некоторых случаях необходимо проверить консистенцию сахара, но этого ни в коем случае нельзя делать голыми руками, если сахар нагрет. Часто люди забывают, как быстро и насколько сильно сахар может нагреться, поэтому и получают ожоги. В зависимости от того, для чего нужен расплавленный сахар, его консистенцию и температуру можно проверить, используя холодную воду, как описано ниже.

Свойства сахара и сахарного сиропа изменяются в зависимости от того, при какой температуре его готовить. Горячий сахарный сироп может быть жидким, как самый жидкий мед, густым, или где-то между жидким и густым. В рецептах конфет, карамели и сладких соусов обычно указана не только температура, до которой должен быть нагрет сахар или сироп, но и стадия твердости сахара, например стадия «мягкого шара» или стадия «твердого шара». Название каждой стадии соответствует консистенции сахара. Чтобы определить консистенцию кондитер капает несколько капель сиропа в ледяную воду, охлаждая их. После этого консистенцию проверяют на ощупь. Так, например, если охлажденный сироп загустел, но не затвердел, а остается мягким и из него можно слепить шарик, то считается, что сироп в стадии «мягкого шара». Если форму застывшего сиропа очень трудно, но все же можно изменить руками, то он в стадии «твердого шара». Кондитеры часто используют пищевой термометр а также проверяют консистенцию сахара вручную.

Пищевая безопасность

Зная теплоемкость продуктов, можно определить, как долго их нужно охлаждать или нагревать, чтобы достичь температуры, при которой они не будет портиться, и при которой погибают вредные для организма бактерии. Например, чтобы достичь определенной температуры, продукты с более высокой теплоемкостью охлаждают или нагревают дольше, чем продукты с низкой теплоемкостью. То есть, продолжительность приготовления блюда зависит от того, какие в него входят продукты, а также - насколько быстро из него испаряется вода. Испарение важно, так как оно требует больших затрат энергии. Часто, чтобы проверить, до какой температуры нагрелось блюдо или продукты в нем, используют пищевой термометр. Особенно удобно использовать его во время приготовления рыбы, мяса и птицы.

Микроволновые печи

То, насколько эффективно нагревается еда в микроволновой печи, зависит, кроме других факторов, от удельной теплоемкости продуктов. Микроволновое излучение, вырабатываемое магнетроном микроволновой печи, заставляет молекулы воды, жира и некоторых других веществ двигаться быстрее, в результате чего еда нагревается. Молекулы жира легко заставить двигаться благодаря их низкой теплоемкости, и поэтому жирная еда нагревается до более высоких температур, чем еда, содержащая много воды. Достигнутая температура может быть настолько высока, что ее достаточно для реакции Майяра. Продукты с высоким содержанием воды не достигают таких температур из-за высокой теплоемкости воды, поэтому и реакция Майяра в них не протекает.

Высокие температуры, которых достигает жир в микроволновой печи, позволяют получить жареную корочку у некоторых продуктов, например бекона, но эти температуры могут представлять опасность при использовании микроволновых печей, особенно если не следовать правилам пользования печью, описанными в инструкции по эксплуатации. Например, когда в печи разогревают или готовят блюда из жирных продуктов, то не следует использовать пластмассовую посуду, так как даже посуда для микроволновых печей не рассчитана на температуры, которых достигает жир. Также следует не забывать, что жирная еда очень горяча, и есть ее осторожно, чтобы не обжечься.

Удельная теплоемкость материалов, используемых в быту

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Физика и тепловые явления - это довольно обширный раздел, который основательно изучается в школьном курсе. Не последнее место в этой теории отводится удельным величинам. Первая из них — удельная теплоемкость.

Однако толкованию слова «удельный» обычно уделяется недостаточно внимания. Учащиеся просто запоминают его как данность. А что оно значит?

Если заглянуть в словарь Ожегова, то можно прочесть, что такая величина определяется как отношение. Причем оно может быть выполнено к массе, объему или энергии. Все эти величины обязательно полагается брать равными единице. Отношение к чему задается в удельной теплоемкости?

К произведению массы и температуры. Причем их значения обязательно должны быть равными единице. То есть в делителе будет стоять число 1, но его размерность будет сочетать килограмм и градус Цельсия. Это обязательно учитывается при формулировке определения удельной теплоемкости, которое дано немного ниже. Там же находится формула, из которой видно, что в знаменателе стоят именно эти две величины.

Что это такое?

Удельная теплоемкость вещества вводится в тот момент, когда рассматривается ситуация с его нагреванием. Без него невозможно узнать, какое количество теплоты (или энергии) потребуется затратить на этот процесс. А также вычислить ее значение при охлаждении тела. Кстати, эти два количества теплоты равны друг другу по модулю. Но имеют разные знаки. Так, в первом случае она положительная, потому что энергию нужно затратить и она передается телу. Вторая ситуация с охлаждением дает отрицательное число, потому что тепло выделяется, и внутренняя энергия тела уменьшается.

Обозначается эта физическая величина латинской буквой c. Определяется она как некоторое количество теплоты, необходимое для нагревания одного килограмма вещества на один градус. В курсе школьной физики в качестве этого градуса выступает тот, что берется по шкале Цельсия.

Как ее сосчитать?

Если требуется узнать, чему равна удельная теплоемкость, формула выглядит так:

с = Q / (m * (t 2 - t 1)), где Q — количество теплоты, m — масса вещества, t 2 - температура, которую тело приобрело в результате теплообмена, t 1 — начальная температура вещества. Это формула № 1.

Исходя из этой формулы, единица измерения этой величины в международной системе единиц (СИ) оказывается Дж/(кг*ºС).

Как найти другие величины из этого равенства?

Во-первых, количество теплоты. Формула будет выглядеть таким образом: Q = с * m * (t 2 - t 1). Только в нее необходимо подставлять величины в единицах, входящих в СИ. То есть масса в килограммах, температура — в градусах Цельсия. Это формула № 2.

Во-вторых, массу вещества, которое остывает или нагревается. Формула для нее будет такой: m = Q / (c * (t 2 - t 1)). Это формула под № 3.

В-третьих, изменение температуры Δt = t 2 - t 1 = (Q / c * m). Знак «Δ» читается как «дельта» и обозначает изменение величины, в данном случае температуры. Формула № 4.

В-четвертых, начальную и конечную температуры вещества. Формулы, справедливые для нагревания вещества, выглядят таким образом: t 1 = t 2 - (Q / c * m), t 2 = t 1 + (Q / c * m). Эти формулы имеют № 5 и 6. Если в задаче идет речь об охлаждении вещества, то формулы такие: t 1 = t 2 + (Q / c * m), t 2 = t 1 - (Q / c * m). Эти формулы имеют № 7 и 8.

Какие значения она может иметь?

Экспериментальным путем установлено, какие она имеет значения у каждого конкретного вещества. Поэтому создана специальная таблица удельной теплоемкости. Чаще всего в ней даны данные, которые справедливы при нормальных условиях.

В чем заключается лабораторная работа по измерению удельной теплоемкости?

В школьном курсе физики ее определяют для твердого тела. Причем его теплоемкость высчитывается благодаря сравнению с той, которая известна. Проще всего это реализуется с водой.

В процессе выполнения работы требуется измерить начальные температуры воды и нагретого твердого тела. Потом опустить его в жидкость и дождаться теплового равновесия. Весь эксперимент проводится в калориметре, поэтому потерями энергии можно пренебречь.

Потом требуется записать формулу количества теплоты, которое получает вода при нагревании от твердого тела. Второе выражение описывает энергию, которую отдает тело при остывании. Эти два значения равны. Путем математических вычислений остается определить удельную теплоемкость вещества, из которого состоит твердое тело.

Чаще всего ее предлагается сравнить с табличными значениями, чтобы попытаться угадать, из какого вещества сделано изучаемое тело.

Задача № 1

Условие. Температура металла изменяется от 20 до 24 градусов Цельсия. При этом его внутренняя энергия увеличилась на 152 Дж. Чему равна удельная теплоемкость металла, если его масса равна 100 граммам?

Решение. Для нахождения ответа потребуется воспользоваться формулой, записанной под номером 1. Все величины, необходимые для расчетов, есть. Только сначала необходимо перевести массу в килограммы, иначе ответ получится неправильный. Потому что все величины должны быть такими, которые приняты в СИ.

В одном килограмме 1000 граммов. Значит, 100 граммов нужно разделить на 1000, получится 0,1 килограмма.

Подстановка всех величин дает такое выражение: с = 152 / (0,1 * (24 - 20)). Вычисления не представляют особой трудности. Результатом всех действий является число 380.

Ответ: с = 380 Дж/(кг * ºС).

Задача № 2

Условие. Определить конечную температуру, до которой остынет вода объемом 5 литров, если она была взята при 100 ºС и выделила в окружающую среду 1680 кДж тепла.

Решение. Начать стоит с того, что энергия дана в несистемной единице. Килоджоули нужно перевести в джоули: 1680 кДж = 1680000 Дж.

Для поиска ответа необходимо воспользоваться формулой под номером 8. Однако в ней фигурирует масса, а в задаче она неизвестна. Зато дан объем жидкости. Значит, можно воспользоваться формулой, известной как m = ρ * V. Плотность воды равна 1000 кг/ м 3 . Но здесь объем потребуется подставлять в кубических метрах. Чтобы перевести их из литров, необходимо разделить на 1000. Таким образом, объем воды равен 0,005 м 3 .

Подстановка значений в формулу массы дает такое выражение: 1000 * 0,005 = 5 кг. Удельную теплоемкость потребуется посмотреть в таблице. Теперь можно переходить к формуле 8: t 2 = 100 + (1680000 / 4200 * 5).

Первым действием полагается выполнить умножение: 4200 * 5. Результат равен 21000. Второе — деление. 1680000: 21000 = 80. Последнее — вычитание: 100 - 80 = 20.

Ответ. t 2 = 20 ºС.

Задача № 3

Условие. Имеется химический стакан массой 100 г. В него налито 50 г воды. Начальная температура воды со стаканом равна 0 градусам Цельсия. Какое количество теплоты потребуется для того, чтобы довести воду до кипения?

Решение. Начать стоит с того, чтобы ввести подходящее обозначение. Пусть данные, относящиеся к стакану, будут иметь индекс 1, а к воде — индекс 2. В таблице необходимо найти удельные теплоемкости. Химический стакан сделан из лабораторного стекла, поэтому его значение с 1 = 840 Дж/ (кг * ºС). Данные для воды такие: с 2 = 4200 Дж/ (кг * ºС).

Их массы даны в граммах. Требуется перевести их в килограммы. Массы этих веществ будут обозначены так: m 1 = 0,1 кг, m 2 = 0,05 кг.

Начальная температура дана: t 1 = 0 ºС. О конечной известно, что она соответствует той, при которой вода кипит. Это t 2 = 100 ºС.

Поскольку стакан нагревается вместе с водой, то искомое количество теплоты будет складываться из двух. Первой, которая требуется для нагревания стекла (Q 1), и второй, идущей на нагревание воды (Q 2). Для их выражения потребуется вторая формула. Ее необходимо записать два раза с разными индексами, а потом составить их сумму.

Получается, что Q = с 1 * m 1 * (t 2 - t 1) + с 2 * m 2 * (t 2 - t 1). Общий множитель (t 2 - t 1) можно вынести за скобку, чтобы было удобнее считать. Тогда формула, которая потребуется для расчета количества теплоты, примет такой вид: Q = (с 1 * m 1 + с 2 * m 2) * (t 2 - t 1). Теперь можно подставить известные в задаче величины и сосчитать результат.

Q = (840 * 0,1 + 4200 * 0,05) * (100 - 0) = (84 + 210) * 100 = 294 * 100 = 29400 (Дж).

Ответ. Q = 29400 Дж = 29,4 кДж.

05.04.2019, 01:47

Удельная теплоемкость

Теплоемкость - это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус.

Теплоемкость тела обозначается заглавной латинской буквой С.

От чего зависит теплоемкость тела? Прежде всего, от его массы. Ясно, что для нагрева, например, 1 килограмма воды потребуется больше тепла, чем для нагрева 200 граммов.

А от рода вещества? Проделаем опыт. Возьмем два одинаковых сосуда и, налив в один из них воду массой 400 г, а в другой - растительное масло массой 400 г, начнем их нагревать с помощью одинаковых горелок. Наблюдая за показаниями термометров, мы увидим, что масло нагревается быстрее. Чтобы нагреть воду и масло до одной и той же температуры, воду следует нагревать дольше. Но чем дольше мы нагреваем воду, тем большее количество теплоты она получает от горелки.

Таким образом, для нагревания одной и той же массы разных веществ до одинаковой температуры требуется разное количество теплоты. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела и, следовательно, его теплоемкость зависят от рода вещества, из которого состоит это тело.

Так, например, чтобы увеличить на 1 °С температуру воды массой 1 кг, требуется количество теплоты, равное 4200 Дж, а для нагревания на 1 °С такой же массы подсолнечного масла необходимо количество теплоты, равное 1700 Дж.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для нагревания 1 кг вещества на 1 °С, называется удельной теплоемкостью этого вещества.

У каждого вещества своя удельная теплоемкость, которая обозначается латинской буквой с и измеряется в джоулях на килограмм-градус (Дж/(кг·K)).

Удельная теплоемкость одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном) различна. Например, удельная теплоемкость воды равна 4200 Дж/(кг·K) , а удельная теплоемкость льда Дж/(кг·K) ; алюминий в твердом состоянии имеет удельную теплоемкость, равную 920 Дж/(кг·K) , а в жидком - Дж/(кг·K) .

Заметим, что вода имеет очень большую удельную теплоемкость. Поэтому вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из воздуха большое количество тепла. Благодаря этому в тех местах, которые расположены вблизи больших водоемов, лето не бывает таким жарким, как в местах, удаленных от воды.

Удельная теплоемкость твердых веществ

В таблице приведены средние значения удельной теплоемкости веществ в интервале температур от 0 до 10°С(если не указана другая температура)

Вещество	Удельная теплоемкость, кДж/(кг·K)
Азот твердый(при t=-250 °С)	0,46
Бетон (при t=20 °С)	0,88
Бумага (при t=20 °С)	1,50
Воздух твердый (при t=-193 °С)	2,0
Графит	0,75
Дерево дуб	2,40
Дерево сосна, ель	2,70
Каменная соль	0,92
Камень	0,84
Кирпич (при t=0 °С)	0,88

Удельная теплоемкость жидкостей

Вещество	Температура,°C
Бензин (Б-70)	20	2,05
Вода	1-100	4,19
Глицерин	0-100	2,43
Керосин	0-100	2,09
Масло машинное	0-100	1,67
Масло подсолнечное	20	1,76
Мед	20	2,43
Молоко	20	3,94
Нефть	0-100	1,67-2,09
Ртуть	0-300	0,138
Спирт	20	2,47
Эфир	18	3,34

Удельная теплоемкость металлов и сплавов

Вещество	Температура,°C	Удельная теплоемкость,к Дж/(кг·K)
Алюминий	0-200	0,92
Вольфрам	0-1600	0,15
Железо	0-100	0,46
Железо	0-500	0,54
Золото	0-500	0,13
Иридий	0-1000	0,15
Магний	0-500	1,10
Медь	0-500	0,40
Никель	0-300	0,50
Олово	0-200	0,23
Платина	0-500	0,14
Свинец	0-300	0,14
Серебро	0-500	0,25
Сталь	50-300	0,50
Цинк	0-300	0,40
Чугун	0-200	0,54

Удельная теплоемкость расплавленных металлов и сжиженных сплавов

Вещество	Температура,°C	Удельная теплоемкость,к Дж/(кг·K)
Азот	-200,4	2,01
Алюминий	660-1000	1,09
Водород	-257,4	7,41
Воздух	-193,0	1,97
Гелий	-269,0	4,19
Золото	1065-1300	0,14
Кислород	-200,3	1,63
Натрий	100	1,34
Олово	250	0,25
Свинец	327	0,16
Серебро	960-1300	0,29

Удельная теплоемкость газов и паров

при нормальном атмосферном давлении

Вещество	Температура,°C	Удельная теплоемкость,к Дж/(кг·K)
Азот	0-200	1,0
Водород	0-200	14,2
Водяной пар	100-500	2,0
Воздух	0-400	1,0
Гелий	0-600	5,2
Кислород	20-440	0,92
Оксид углерода(II)	26-200	1,0
Оксид углерода(IV)	0-600	1,0
Пары спирта	40-100	1,2
Хлор	13-200	0,50