Понятие о количестве теплоты сформировалось на ранних стадиях развития современной физики, когда еще не существовало внятных представлений о внутреннем строении вещества, о том, что такое энергия, о том какие формы энергии существуют в природе и об энергии, как форме движения и превращения материи.
Под количеством теплоты понимается физическая величина эквивалентная переданной материальному телу энергии в процессе теплового обмена.
Устаревшей единицей количества теплоты является калория, равная 4.2 Дж, сегодня данная единица практически не применяется, а ее место занял джоуль.
Изначально предполагалось, что переносчиком тепловой энергии является некая совершенно невесомая среда, имеющая свойства жидкости. Многочисленные физические задачи теплопереноса решались и до сих пор решаются исходя из такой предпосылки. Существование гипотетического теплорода было положено в основу множества правильных в сущности построений. Считалось, что теплород выделяется и поглощается в явлениях нагрева и остывания, плавления и кристаллизации. Верные уравнения процессов теплообмена были получены исходя из неверных физических концепций. Известен закон, согласно которому количество теплоты прямо пропорционально массе тела, участвующего в теплообмене, и градиенту температуры:
Где Q – количество теплоты, m масса тела, а коэффициент с – величина, получившая название удельной теплоемкости. Удельная теплоемкость – есть характеристика вещества участвующего в процессе.
Работа в термодинамике
В результат тепловых процессов может совершаться чисто механическая работа. Например, нагреваясь, газ увеличивает свой объем. Возьмем ситуацию, как на рисунке ниже:
В данном случае механическая работа окажется равной силе давления газа на поршень умноженной на путь, проделанный поршнем под давлением. Разумеется, это простейший случай. Но даже в нем можно заметить одну сложность: сила давления будет зависеть от объема газа, а, значит, мы имеем дело не с константами, а с переменными величинами. Поскольку все три переменные: давление, температура и объем связаны друг с другом, то подсчет работы существенно усложняется. Выделяют некоторые идеальные, бесконечно-медленные процессы: изобарный, изотермический, адиабатный и изохорный – для которых такие расчеты можно выполнить относительно просто. Строится график зависимости давления от объема и работа вычисляется как интеграл вида.
«Физика - 10 класс»
В каких процессах происходят агрегатные превращения вещества?
Как можно изменить агрегатное состояние вещества?
Изменить внутреннюю энергию любого тела можно, совершая работу, нагревая или, наоборот, охлаждая его.
Так, при ковке металла совершается работа, и он разогревается, в то же время металл можно разогреть над горящим пламенем.
Также если закрепить поршень (рис. 13.5), то объём газа при нагревании не меняется и работа не совершается. Но температура газа, а следовательно, и его внутренняя энергия возрастают.
Внутренняя энергия может увеличиваться и уменьшаться, поэтому количество теплоты может быть положительным и отрицательным.
Процесс передачи энергии от одного тела другому без совершения работы называют теплообменом .
Количественную меру изменения внутренней энергии при теплообмене называют количеством теплоты .
Молекулярная картина теплообмена.
При теплообмене на границе между телами происходит взаимодействие медленно движущихся молекул холодного тела с быстро движущимися молекулами горячего тела. В результате кинетические энергии молекул выравниваются и скорости молекул холодного тела увеличиваются, а горячего уменьшаются.
При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую, часть внутренней энергии более нагретого тела передаётся менее нагретому телу.
Количество теплоты и теплоёмкость.
Вам уже известно, что для нагревания тела массой т от температуры t 1 до температуры t 2 необходимо передать ему количество теплоты:
Q = cm(t 2 - t 1) = cm Δt. (13.5)
При остывании тела его конечная температура t 2 оказывается меньше начальной температуры t 1 и количество теплоты, отдаваемой телом, отрицательно.
Коэффициент с в формуле (13.5) называют удельной теплоёмкостью вещества.
Удельная теплоёмкость - это величина, численно равная количеству теплоты, которую получает или отдаёт вещество массой 1 кг при изменении его температуры на 1 К.
Удельная теплоёмкость газов зависит от того, при каком процессе осуществляется теплопередача. Если нагревать газ при постоянном давлении, то он будет расширяться и совершать работу. Для нагревания газа на 1 °С при постоянном давлении ему нужно передать большее количество теплоты, чем для нагревания его при постоянном объёме, когда газ будет только нагреваться.
Жидкие и твёрдые тела расширяются при нагревании незначительно. Их удельные теплоёмкости при постоянном объёме и постоянном давлении мало различаются.
Удельная теплота парообразования.
Для превращения жидкости в пар в процессе кипения необходима передача ей определённого количества теплоты. Температура жидкости при кипении не меняется. Превращение жидкости в пар при постоянной температуре не ведёт к увеличению кинетической энергии молекул, но сопровождается увеличением потенциальной энергии их взаимодействия. Ведь среднее расстояние между молекулами газа много больше, чем между молекулами жидкости.
Величину, численно равную количеству теплоты, необходимой для превращения при постоянной температуре жидкости массой 1 кг в пар, называют удельной теплотой парообразования .
Процесс испарения жидкости происходит при любой температуре, при этом жидкость покидают самые быстрые молекулы, и она при испарении охлаждается. Удельная теплота испарения равна удельной теплоте парообразования.
Эту величину обозначают буквой r и выражают в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Очень велика удельная теплота парообразования воды: r Н20 = 2,256 10 6 Дж/кг при температуре 100 °С. У других жидкостей, например у спирта, эфира, ртути, керосина, удельная теплота парообразования меньше в 3-10 раз, чем у воды.
Для превращения жидкости массой m в пар требуется количество теплоты, равное:
Q п = rm. (13.6)
При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:
Q к = -rm. (13.7)
Удельная теплота плавления.
При плавлении кристаллического тела всё подводимое к нему тепло идёт на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул. Кинетическая энергия молекул не меняется, так как плавление происходит при постоянной температуре.
Величину, численно равную количеству теплоты, необходимой для превращения кристаллического вещества массой 1 кг при температуре плавления в жидкость, называют удельной теплотой плавления и обозначают буквой λ.
При кристаллизации вещества массой 1 кг выделяется точно такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении.
Удельная теплота плавления льда довольно велика: 3,34 10 5 Дж/кг.
«Если бы лёд не обладал большой теплотой плавления, то тогда весной вся масса льда должна была бы растаять в несколько минут или секунд, так как теплота непрерывно передаётся льду из воздуха. Последствия этого были бы ужасны; ведь и при существующем положении возникают большие наводнения и сильные потоки воды при таянии больших масс льда или снега». Р. Блек, XVIII в.
Для того чтобы расплавить кристаллическое тело массой m, необходимо количество теплоты, равное:
Q пл = λm. (13.8)
Количество теплоты, выделяемой при кристаллизации тела, равно:
Q кр = -λm (13.9)
Уравнение теплового баланса.
Рассмотрим теплообмен внутри системы, состоящей из нескольких тел, имеющих первоначально различные температуры, например теплообмен между водой в сосуде и опущенным в воду горячим железным шариком. Согласно закону сохранения энергии количество теплоты, отданной одним телом, численно равно количеству теплоты, полученной другим.
Отданное количество теплоты считается отрицательным, полученное количество теплоты - положительным. Поэтому суммарное количество теплоты Q1 + Q2 = 0.
Если в изолированной системе происходит теплообмен между несколькими телами, то
Q 1 + Q 2 + Q 3 + ... = 0. (13.10)
Уравнение (13.10) называется уравнением теплового баланса .
Здесь Q 1 Q 2 , Q 3 - количества теплоты, полученной или отданной телами. Эти количества теплоты выражаются формулой (13.5) или формулами (13.6)-(13.9), если в процессе теплообмена происходят различные фазовые превращения вещества (плавление, кристаллизация, парообразование, конденсация).
В данном уроке мы научимся рассчитывать количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении. Для этого мы обобщим те знания, которые были получены на предыдущих уроках.
Кроме того, мы научимся с помощью формулы для количества теплоты выражать остальные величины из этой формулы и рассчитывать их, зная другие величины. Также будет рассмотрен пример задачи с решением на вычисление количества теплоты.
Данный урок посвящен вычислению количества теплоты при нагревании тела или выделяемого им при охлаждении.
Умение вычислять необходимое количество теплоты является очень важным. Это может понадобиться, к примеру, при вычислении количества теплоты, которое необходимо сообщить воде для обогрева помещения.
Рис. 1. Количество теплоты, которое необходимо сообщить воде для обогрева помещения
Или для вычисления количества теплоты, которое выделяется при сжигании топлива в различных двигателях:
Рис. 2. Количество теплоты, которое выделяется при сжигании топлива в двигателе
Также эти знания нужны, например, чтобы определить количество теплоты, которое выделяется Солнцем и попадает на Землю:
Рис. 3. Количество теплоты, выделяемое Солнцем и попадающее на Землю
Для вычисления количества теплоты необходимо знать три вещи (рис. 4):
- массу тела (которую, обычно, можно измерить с помощью весов);
- разность температур, на которую необходимо нагреть тело или охладить его (обычно измеряется с помощью термометра);
- удельную теплоемкость тела (которую можно определить по таблице).
Рис. 4. Что необходимо знать для определения
Формула, по которой вычисляется количество теплоты, выглядит так:
В этой формуле фигурируют следующие величины:
Количество теплоты, измеряется в джоулях (Дж);
Удельная теплоемкость вещества, измеряется в ;
- разность температур, измеряется в градусах Цельсия ().
Рассмотрим задачу на вычисление количества теплоты.
Задача
В медном стакане массой грамм находится вода объемом литра при температуре . Какое количество теплоты необходимо передать стакану с водой, чтобы его температура стала равна ?
Рис. 5. Иллюстрация условия задачи
Сначала запишем краткое условие (Дано ) и переведем все величины в систему интернационал (СИ).
|
Дано: |
СИ |
|
|
Найти: |
Решение:
Сначала определи, какие еще величины потребуются нам для решения данной задачи. По таблице удельной теплоемкости (табл. 1) находим (удельная теплоемкость меди, так как по условию стакан медный), (удельная теплоемкость воды, так как по условию в стакане находится вода). Кроме того, мы знаем, что для вычисления количества теплоты нам понадобится масса воды. По условию нам дан лишь объем. Поэтому из таблицы возьмем плотность воды: (табл. 2).
Табл. 1. Удельная теплоемкость некоторых веществ,
Табл. 2. Плотности некоторых жидкостей
Теперь у нас есть все необходимое для решения данной задачи.
Заметим, что итоговое количество теплоты будет состоять из суммы количества теплоты, необходимого для нагревания медного стакана и количества теплоты, необходимого для нагревания воды в нем:
Рассчитаем сначала количество теплоты, необходимое для нагревания медного стакана:
Прежде чем вычислить количество теплоты, необходимое для нагревания воды, рассчитаем массу воды по формуле, хорошо знакомой нам из 7 класса:
Теперь можем вычислить:
Тогда можем вычислить:
Напомним, что означает: килоджоули. Приставка «кило» означает , то есть 
.
Ответ: .
Для удобства решения задач на нахождение количества теплоты (так называемые прямые задачи) и связанных с этим понятием величин можно пользоваться следующей таблицей.
|
Искомая величина |
Обозначение |
Единицы измерения |
Основная формула |
Формула для величины |
|
Количество теплоты |
Внутреннюю энергию термодинамической системы можно изменить двумя способами:
- совершая над системой работу,
- при помощи теплового взаимодействия.
Передача тепла телу не связана с совершением над телом макроскопической работы. В данном случае изменение внутренней энергии вызвано тем, что отдельные молекулы тела с большей температурой совершают работу над некоторыми молекулами тела, которое имеет меньшую температуру. В этом случае тепловое взаимодействие реализуется за счет теплопроводности. Передача энергии также возможна при помощи излучения. Система микроскопических процессов (относящихся не ко всему телу, а к отдельным молекулам) называется теплопередачей. Количество энергии, которое передается от одного тела к другому в результате теплопередачи, определяется количеством теплоты, которое предано от одного тела другому.
Определение
Теплотой называют энергию, которая получается (или отдается) телом в процессе теплообмена с окружающими телами (средой). Обозначается теплота, обычно буквой Q.
Это одна из основных величин в термодинамике. Теплота включена в математические выражения первого и второго начал термодинамики. Говорят, что теплота – это энергия в форме молекулярного движения.
Теплота может сообщаться системе (телу), а может забираться от нее. Считают, что если тепло сообщается системе, то оно положительно.
Формула расчета теплоты при изменении температуры
Элементарное количество теплоты обозначим как . Обратим внимание, что элемент тепла, которое получает (отдает) система при малом изменении ее состояния не является полным дифференциалом. Причина этого состоит в том, что теплота является функцией процесса изменения состояния системы.
Элементарное количество тепла, которое сообщается системе, и температура при этом меняется от Tдо T+dT, равно:
где C – теплоемкость тела. Если рассматриваемое тело однородно, то формулу (1) для количества теплоты можно представить как:
где – удельная теплоемкость тела, m – масса тела, - молярная теплоемкость, – молярная масса вещества, – число молей вещества.
Если тело однородно, а теплоемкость считают независимой от температуры, то количество теплоты (), которое получает тело при увеличении его температуры на величину можно вычислить как:
где t 2 , t 1 температуры тела до нагрева и после. Обратите внимание, что температуры при нахождении разности () в расчетах можно подставлять как в градусах Цельсия, так и в кельвинах.
Формула количества теплоты при фазовых переходах
Переход от одной фазы вещества в другую сопровождается поглощением или выделением некоторого количества теплоты, которая носит название теплоты фазового перехода.
Так, для перевода элемента вещества из состояния твердого тела в жидкость ему следует сообщить количество теплоты () равное:
где – удельная теплота плавления, dm – элемент массы тела. При этом следует учесть, что тело должно иметь температуру, равную температуре плавления рассматриваемого вещества. При кристаллизации происходит выделение тепла равного (4).
Количество теплоты (теплота испарения), которое необходимо для перевода жидкости в пар можно найти как:
где r – удельная теплота испарения. При конденсации пара теплота выделяется. Теплота испарения равна теплоте конденсации одинаковых масс вещества.
Единицы измерения количества теплоты
Основной единицей измерения количества теплоты в системе СИ является: [Q]=Дж
Внесистемная единица теплоты, которая часто встречается в технических расчетах. [Q]=кал (калория). 1 кал=4,1868 Дж.
Примеры решения задач
Пример
Задание. Какие объемы воды следует смешать, чтобы получить 200 л воды при температуре t=40С, если температура одной массы воды t 1 =10С, второй массы воды t 2 =60С?
Решение. Запишем уравнение теплового баланса в виде:
где Q=cmt – количество теплоты приготовленной после смешивания воды; Q 1 =cm 1 t 1 - количество теплоты части воды температурой t 1 и массой m 1 ; Q 2 =cm 2 t 2 - количество теплоты части воды температурой t 2 и массой m 2 .
Из уравнения (1.1) следует:
При объединении холодной (V 1) и горячей (V 2) частей воды в единый объем (V) можно принять то, что:
Так, мы получаем систему уравнений:
Решив ее получим:
Изменить внутреннюю энергию газа в цилиндре можно не только совершая работу, но и нагревая газ (рис. 43). Если закрепить поршень, то объем газа не будет изменяться, но температура, а следовательно, и внутренняя энергия будут возрастать.
Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называют теплообменом или теплопередачей.
Энергию, переданную телу в результате теплообмена, называют количеством теплоты. Количеством теплоты называют также энергию, которую тело отдает в процессе теплообмена.
Молекулярная картина теплообмена. При теплообмене на границе между телами происходит взаимодействие медленно движущихся молекул холодного тела с более быстро движущимися молекулами горячего тела. В результате кинетические энергии молекул выравниваются и скорости молекул холодного тела увеличиваются, а горячего уменьшаются.
При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую: часть внутренней энергии горячего тела передается холодному телу.
Количество теплоты и теплоемкость. Из курса физики VII класса известно, что для нагревания тела массой m от температуры t 1 до температуры t 2 необходимо сообщить ему количество теплоты
Q = cm(t 2 – t 1) = cmΔt. (4.5)
При остывании тела его извечная температура t
2 меньше начальной t
1 и количество теплоты, отдаваемое телом, отрицательно.
Коэффициент c
в формуле (4.5) называют удельной теплоемкостью
. Удельная теплоемкость – это количество теплоты, которое получает или отдает 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 К.
Удельную теплоемкость выражают в джоулях, деленных на килограмм, умноженный на кельвин. Различным телам требуется неодинаковое количество энергии для увеличения температуры на 1 К. Так, удельная теплоемкость воды 4190 Дж/(кг · К), а меди 380 Дж/(кг · К).
Удельная теплоемкость зависит не только от свойств вещества, но и от того, при каком процессе осуществляется теплопередача. Если нагревать газ при постоянном давлении, то он будет расширяться и совершать работу. Для нагревания газа на 1°C при постоянном давлении ему нужно будет передать большее количество теплоты, чем для нагревания его при постоянном объеме.
Жидкие и твердые тела расширяются при нагревании незначительно, и их удельные теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении мало различаются.
Удельная теплота парообразования. Для превращения жидкости в пар необходима передача ей определенного количества теплоты. Температура жидкости при этом превращении не меняется. Превращение жидкости в пар при постоянной температуре не ведет к увеличению кинетической энергии молекул, но сопровождается увеличением их потенциальной энергии. Ведь среднее расстояние между молекулами газа во много раз больше, чем между молекулами жидкости. Кроме того, увеличение объема при переходе вещества из жидкого состояния в газообразное требует совершения работы против сил внешнего давления.
Количество теплоты, необходимое для превращения при настоянной температуре 1 кг жидкости в пар, называют удельной теплотой парообразования. Обозначают эту величину буквой r и выражают в джоулях на килограмм.
Очень велика удельная теплота парообразования воды: 2,256 · 10 6 Дж/кг при температуре 100°C. У других жидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосин и др.) удельная теплота парообразования меньше в 3-10 раз.
Для превращения в пар жидкости массой m требуется количество теплоты, равное:
При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты
Q k = –rm. (4.7)
Удельная теплота плавления. При плавлении кристаллического тела вся подводимая к нему теплота идет на увеличение потенциальной энергии молекул. Кинетическая энергия молекул не меняется, так как плавление происходит при постоянной температуре.
Количество теплоты λ (лямбда), необходимое для превращения 1 кг кристаллического вещества при температуре плавления в жидкость той же температуры, называют удельной теплотой плавления.
При кристаллизации 1 кг вещества выделяется точно такое же количество теплоты. Удельная теплота плавления льда довольно велика: 3,4 · 10 5 Дж/кг.
Для того чтобы расплавить кристаллическое тело массой m, необходимо количество теплоты, равное:
Q пл = λm. (4.8)
Количество теплоты, выделяемое при кристаллизации тела, равно:
Q кр = – λm. (4.9)
1. Что называют количеством теплоты? 2. От чего зависит удельная теплоемкость веществ? 3. Что называют удельной теплотой парообразования? 4. Что называют удельной теплотой плавления? 5. В каких случаях количество переданной теплоты отрицательно?
