Питома тепломісткість: для чого вона потрібна і в чому її сенс?

Питома тепломісткість: для чого вона потрібна і в чому її сенс?

Фізика і теплові явища - це досить великий розділ, який ґрунтовно вивчається в шкільному курсі. Не останнє місце в цій теорії відводиться питомим величинам. Перша з них - питома тепломісткість.

Однак тлумаченню слова "питома" зазвичай приділяється недостатньо уваги. Учні просто запам 'ятовують його як даність. А що воно означає?

Якщо заглянути в словник Ожегова, то можна прочитати, що така величина визначається як відношення. Причому воно може бути виконане до маси, обсягу або енергії. Всі ці величини обов 'язково покладається брати рівними одиниці. Ставлення до чого задається в питомій тепломісткості?

До твору маси і температури. Причому їх значення обов 'язково повинні бути рівними одиниці. Тобто в ділнику буде стояти число 1, але його розмірність буде поєднувати кілограм і градус Цельсія. Це обов 'язково враховується при формулюванні визначення питомої тепломісткості, яке дано трохи нижче. Там же знаходиться формула, з якої видно, що в знаменнику стоять саме ці дві величини.

Що це таке?

Питома тепломісткість речовини вводиться в той момент, коли розглядається ситуація з її нагріванням. Без нього неможливо дізнатися, яка кількість теплоти (або енергії) буде потрібно витратити на цей процес. А також обчислити її значення при охолодженні тіла. До речі, ці дві кількості теплоти дорівнюють один одному за модулем. Але мають різні знаки. Так, у першому випадку вона позитивна, тому що енергію потрібно витратити і вона передається тілу. Друга ситуація з охолодженням дає негативне число, тому що тепло виділяється, і внутрішня енергія тіла зменшується.

Позначається ця фізична величина латинською буквою c. Визначається вона як деяка кількість теплоти, необхідна для нагрівання одного кілограма речовини на один градус. У курсі шкільної фізики в якості цього градуса виступає той, що береться за шкалою Цельсія.

Як її порахувати?

Якщо потрібно дізнатися, чому дорівнює питома тепломісткість, формула виглядає так:

з = Q/( m * (t2 - t1)), де Q - кількість теплоти, m - маса речовини, t2 - температура, яку тіло придбало в результаті теплообміну, t1 - початкова температура речовини. Це формула № 1.

Виходячи з цієї формули, одиниця вимірювання цієї величини в міжнародній системі одиниць (СІ) виявляється Дж/( кг * ºС).

Як знайти інші величини з цієї рівності?

По-перше, кількість теплоти. Формула виглядатиме таким чином: Q = с * m * (t2 - t1). Тільки в неї необхідно підставляти величини в одиницях, що входять до СІ. Тобто маса в кілограмах, температура - в градусах Цельсія. Це формула № 2.

По-друге, масу речовини, яка остигає або нагрівається. Формула для неї буде такою: m = Q / (c * (t2 – t1)). Це формула під № 3.

По-третє, зміна температури ^ t = t2 - t1 = (Q/c * m). Знак "^" читається як "дельта" і позначає зміну величини, в даному випадку температури. Формула № 4.

По-четверте, початкову і кінцеву температури речовини. Формули, справедливі для нагрівання речовини, виглядають таким чином: t1 = t2 - (Q / c * m), t2 = t1 + (Q / c * m). Ці формули мають № 5 і 6. Якщо в завданні йдеться про охолодження речовини, то формули такі: t1 = t2 + (Q / c * m), t2 = t1 - (Q / c * m). Ці формули мають № 7 і 8.

Які значення вона може мати?

Експериментальним шляхом встановлено, які вона має значення у кожної конкретної речовини. Тому створена спеціальна таблиця питомої тепломісткості. Найчастіше в ній дані, які справедливі за нормальних умов.

Речовина

Питома тепломісткість, Дж/( кг. *. С)

алюміній

920

вода

4200

графіт

750

залізо

460

золото

130

латунь

400

лід

2100

мідь

400

олово

230

свинець

140

сталь

500

скло лабораторне

840

чавун

540

У чому полягає лабораторна робота з вимірювання питомої тепломісткості?

У шкільному курсі фізики її визначають для твердого тіла. Причому його тепломісткість вираховується завдяки порівнянні з тією, яка відома. Найпростіше це реалізується з водою.

У процесі виконання роботи потрібно виміряти початкові температури води і нагрітого твердого тіла. Потім опустити його в рідину і дочекатися теплової рівноваги. Весь експеримент проводиться в калориметрі, тому втратами енергії можна знехтувати.

Потім потрібно записати формулу кількості теплоти, яка отримує вода при нагріванні від твердого тіла. Другий вираз описує енергію, яку віддає тіло при остиганні. Ці два значення рівні. Шляхом математичних обчислень залишається визначити питому тепломісткість речовини, з якої складається тверде тіло.

Найчастіше її пропонується порівняти з табличними значеннями, щоб спробувати вгадати, з якої речовини зроблено вивчене тіло.

Завдання № 1

Умова. Температура металу змінюється від 20 до 24 градусів Цельсія. При цьому його внутрішня енергія збільшилася на 152 Дж. Чому дорівнює питома теплоємність металу, якщо його маса дорівнює 100 грамам?

Рішення. Для знаходження відповіді потрібно скористатися формулою, записаною під номером 1. Всі величини, необхідні для розрахунків, є. Тільки спочатку необхідно перевести масу в кілограми, інакше відповідь вийде неправильна. Тому що всі величини повинні бути такими, які прийняті в СІ.

В одному кілограмі 1000 грамів. Значить, 100 грамів потрібно розділити на 1000, вийде 0,1 кілограма.

Підстановка всіх величин дає такий вираз: з = 152/( 0,1 * (24 - 20)). Обчислення не становлять особливої труднощі. Результатом усіх дій є число 380.

Відповідь: з = 380 Дж/( кг * ºС).

Завдання № 2

Умова. Визначити кінцеву температуру, до якої охолоне вода об 'ємом 5 літрів, якщо вона була взята при 100 ºС і виділила в навколишнє середовище 1680 кДж тепла.

Рішення. Почати варто з того, що енергія дана в несистемній одиниці. Кілоджоулі потрібно перевести в джоулі: 1680 кДж = 1680000 Дж.

Для пошуку відповіді необхідно скористатися формулою під номером 8. Однак у ній фігурує маса, а в завданні вона невідома. Зате дано обсяг рідини. Отже, можна скористатися формулою, відомою як m = * V. Щільність води дорівнює 1000 кг/м3. Але тут обсяг потрібно буде підставляти в кубічних метрах. Щоб перевести їх з літрів, необхідно розділити на 1000. Таким чином, обсяг води дорівнює 0,005 м3.

Підстановка значень у формулу маси дає такий вираз: 1000 * 0,005 = 5 кг. Питому тепломісткість потрібно подивитися в таблиці. Тепер можна переходити до формули 8: t2 = 100 + (1680000 / 4200 * 5).

Першою дією належить виконати множення: 4200 * 5. Результат дорівнює 21000. Друге - поділ. 1680000 : 21000 = 80. Останнє - віднімання: 100 - 80 = 20.

Відповідь. t2 = 20 ºC.

Завдання № 3

Умова. Є хімічна склянка масою 100 г. У неї налито 50 г води. Початкова температура води зі склянкою дорівнює 0 градусам Цельсія. Яка кількість теплоти потрібна для того, щоб довести воду до кипіння?

Рішення. Почати варто з того, щоб ввести відповідне позначення. Нехай дані, що відносяться до склянки, будуть мати індекс 1, а до води - індекс 2. У таблиці необхідно знайти питомі тепломісткості. Хімічна склянка зроблена з лабораторного скла, тому її значення с1 = 840 Дж/( кг * ºС). Дані для води такі: с2 = 4200 Дж/( кг * ºС).

Їх маси дані в грамах. Потрібно перевести їх у кілограми. Маси цих речовин будуть позначені так: m1 = 0,1 кг, m2 = 0,05 кг.

Початкова температура дана: t1 = 0, C. Про кінцеву відомо, що вона відповідає тій, при якій вода кипить. Це t2 = 100 ºC.

Оскільки склянка нагрівається разом з водою, то шукана кількість теплоти буде складатися з двох. Першою, яка потрібна для нагрівання скла (Q1), і другою, що йде на нагрівання води (Q2). Для їхнього виразу потрібна друга формула. Її необхідно записати два рази з різними індексами, а потім скласти їх суму.

Виходить, що Q = с1 * m1 * (t2 - t1) + с2 * m2 * (t2 - t1). Загальний множник (t2 - t1) можна винести за дужку, щоб було зручніше рахувати. Тоді формула, яка буде потрібна для розрахунку кількості теплоти, прийме такий вид: Q = (с1 * m1 + с2 * m2) * (t2 - t1). Тепер можна підставити відомі в завданні величини і порахувати результат.

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

Відповідь. Q = 29400 Дж = 29,4 кДж.