Количество теплоты

В тепловых процессах происходит изменение внутренней энергии. Как же количественно оценить, на сколько внутренняя энергия увеличилась или уменьшилась?

Мерой изменения внутренней энергии является физическая величина – количество теплоты.

От чего же зависит количество теплоты?

Для того, чтобы понять, от чего зависит количество теплоты, как мера изменения внутренней энергии, давайте проведем   следующие опыты.

Первый опыт. Нальём в два одинаковых  прозрачных стеклянных стакана по 100г воды комнатной температуры (20  градусов Цельсия), стаканы берем тонкостенные, закаленные, потерей тепла на нагревание самих стаканов мы пренебрегаем. Затем  помещаем на штативах в одинаковых условиях оба стакана в них вставляем термометры и нагреваем на спиртовке или таблетке сухого спирта. Воду в первом  стакане  нагреваем до 25 градусов, а во втором - до 30 градусов, т.е. в  первом стакане воду нагреваем  на 5 градусов, а во втором - на 10 градусов (в 2 раза больше). Во время опыта мы засекаем время по секундомеру: сколько времени греется вода в первом стакане и сколько во втором. Должно получиться, что время нагревания (горения спирта) во втором случае  будет в два раза больше (может быть небольшая разница, так как не учтено нагревание самих стаканов, поэтому надо показать на секундомере точно в 2 раза большее время).  По времени горения мы судим о подводимой энергии для нагревания одинаковых масс одинаковых веществ, из которых состоят тела (медь, алюминий, железо, вода, керосин). По результатам первого опыта делаем вывод: количество теплоты, пошедшее на нагревания тел прямо пропорционально увеличению температуры.

Второй опыт.  Нальём в два тонкостенных стакана  одинаковой начальной температуры (20 градусов): в первый – 50 г воды, во второй – 100 г воды. Будем нагревать на одинаковое количество градусов – на 10 (до 30 градусов).   В результате опыта мы получаем, что нагревание воды во втором стакане потребовало больше времени в 2 раза Можем сделать  вывод: количество теплоты, пошедшее на нагревание тел, прямо пропорционально массе тел. А зависит ли количество теплоты от рода вещества? Для выяснения этой зависимости проделаем третий опыт. Теперь нальём в тонкостенные стаканы с одинаковой начальной температурой (20 градусов) одинаковой массы (по 100 г) : в первый – воды, во второй – керосина. На этих же установках нагреем  до одинаковой температуры (30 или 25 градусов), засекая время нагревания, а значит  -подводимой энергии от сгораемого топлива, а значит, можем оценить необходимое количество теплоты (по крайней мере: больше понадобилось или меньше - по времени нагревания (сгорания топлива)). Мы видим, что для нагревания одинаковой массы воды на одинаковое число градусов потребовалось больше количества теплоты, чем для нагревания керосина.

Можем сделать вывод: для нагревания одинаковых масс тел на одинаковое количество градусов необходимо РАЗНОЕ количество теплоты, т.е. количество теплоты, необходимое для нагревания тел, зависит от вещества, из которого состоят тела. И делаем окончательный вывод: количество теплоты, необходимое для нагревания тела прямо пропорционально массе тела, разности конечной и начальной температуры и зависит от рода вещества, из которого сделаны тела.

Если через Q обозначим количество теплоты, m – массу тела, t₁- начальную температуру, t₂ – конечную температуру, с – некоторый коэффициент, характеризующий вещество, из которого состоит тело, то формула для подсчета количества теплоты будет выглядеть так:
                                    Q = c*m*(t₂-t₁)

В системе СИ ( Международной системе) физические величины измеряются:  количество теплоты (Q) в джоулях  (Дж), масса тела (m) – в килограммах (кг), температура (t) – в градусах, расчет ведут по шкале Цельсия. И вот теперь мы можем раскрыть физический смысл коэффициента «с».

с = Q/ m*(t(2)-t(1))

с – это удельная теплоемкость вещества

Удельной теплоемкостью вещества называется физическая величина, равная количеству теплоты, необходимого для изменения температуры на 1 градус 1 кг вещества.

Измеряется в Дж/кг*К или Дж/кг* градус. Удельные теплоемкости различных веществ даются в таблицах, в конце сборников задач и упражнений (или в учебнике). Например: для воды – 4200 Дж/кг* град, для меди – 400 Дж/кг* град, для стали – 500 Дж/кг* град. Физический смысл удельной теплоемкости: она  численно равна количеству теплоты (внутренней энергии), которое необходимо предать, чтобы 1 кг этого вещества нагрелся на 1 градус (Цельсия или Кельвина). Если спросят:  для воды с = 4200 Дж/кг* град, что это означает? Это означает, чтобы нагреть 1 кг воды на 1 градус Цельсия (Кельвина), надо передать ей 4200 Дж теплоты (увеличить внутреннюю энергию). Иногда используют понятие «теплоемкость»  тела и обозначают большой буквой «С». Это величина, характеризующая нагревание не 1 кг, а всего тела сразу (т.е. произведение удельной теплоемкости на массу тела). Это встречается в задачах, когда  исследуемое тело (например, вода) греется в кастрюле, массой которой нельзя пренебречь. Тогда говорится: теплоемкость кастрюли равна (и указывается число с наименованием Дж/град).

Решение задач рассматривается в другой работе.