Количество тепла: Количество теплоты

Количество теплоты

Внутренняя энергия тела может изменяться за счет работы внешних сил. Для характеристики изменения внутренней энергии при теплообмене вводится величина, называемая количеством теплоты и обозначаемая Q.

Количество теплоты – это физическая величина, показывающая, какая энергия передана телу в результате теплообмена.

В международной системе единицей количества теплоты, также как работы и энергии, является джоуль: [Q] = [A] = [E] = 1 Дж.

На практике еще иногда применяется внесистемная единица количества теплоты – калория. 1 кал. = 4,2 Дж.

Следует отметить, что термин «количество теплоты» неудачен. Он был введен в то время, когда считалось, что в телах содержится некая невесомая, неуловимая жидкость – теплород. Процесс теплообмена, якобы, заключается в том, что теплород, переливаясь из одного тела в другое, переносит с собой и некоторое количество теплоты. Сейчас, зная основы молекулярно-кинетической теории строения вещества, мы понимаем, что теплорода в телах нет, механизм изменения внутренней энергии тела иной. Однако, сила традиций велика и мы продолжаем пользоваться термином, введенным на основе неверных представлений о природе теплоты. Вместе с тем, понимая природу теплообмена, не следует полностью игнорировать неверные представления о нем. Напротив, проводя аналогию между потоком тепла и потоком гипотетической жидкости теплорода, количеством теплоты и количеством теплорода, можно при решении некоторых классов задач наглядно представить протекающие процессы и верно решить задачи. В конце-концов, верные уравнения, описывающие процессы теплообмена, были в свое время получены на основе неверных представлений о теплороде, как носителе теплоты.

Количество теплоты, передаваемое от одного тела к другому, может идти на нагревание тела, плавление, парообразование, либо выделяться при противоположных процессах – остывании тела, кристаллизации, конденсации. Теплота выделяется при сгорании топлива.

Рассмотрим более подробно процессы, которые могут протекать в результате теплообмена.

Нальем в пробирку немного воды и закроем ее пробкой. Подвесим пробирку к стержню, закрепленному в штативе, и подведем под нее открытое пламя. От пламени пробирка получает некоторое количество теплоты и температура жидкости, находящейся в ней, повышается. При повышении температуры внутренняя энергия жидкости увеличивается. Происходит интенсивный процесс ее парообразования. Расширяющиеся пары жидкости совершают механическую работу по выталкиванию пробки из пробирки.

Проведем еще один опыт с моделью пушки, изготовленной из отрезка латунной трубки, которая укреплена на тележке. С одной стороны трубка плотно закрыта эбонитовой пробкой, сквозь которую пропущена шпилька. К шпильке и трубке припаяны провода, оканчивающиеся клеммами, на которые может подаваться напряжение от осветительной сети. Модель пушки, таким образом, представляет собой разновидность электрического кипятильника.

Нальем в ствол пушки немного воды и закроем трубку резиновой пробкой. Подключим пушку к источнику тока. Электрический ток, проходя через воду, нагревает ее. Вода закипает, что приводит к ее интенсивному парообразованию. Давление водяных паров растет и, наконец, они совершают работу по выталкиванию пробки из ствола пушки.

Пушка, вследствие отдачи, откатывается в сторону, противоположную вылету пробки.

Оба опыта объединяют следующие обстоятельства. В процессе нагревания жидкости различными способами, температура жидкости и, соответственно, ее внутренняя энергия увеличивались. Для того, чтобы жидкость кипела и интенсивно испарялась, необходимо было продолжать ее нагревание.

Пары жидкости за счет своей внутренней энергии совершили механическую работу.

Исследуем зависимость количества теплоты, необходимой для нагревания тела, от его массы, изменения температуры и рода вещества. Для исследования данных зависимостей будем использовать воду и масло. (Для измерения температуры в опыте применяется электрический термометр, изготовленный из термопары, подключенной к зеркальному гальванометру. Один спай термопары опущен в сосуд с холодной водой для обеспечения постоянства его температуры. Другой спай термопары измеряет температуру исследуемой жидкости).

Опыт состоит из трех серий. В первой серии исследуется для постоянной массы конкретной жидкости (в нашем случае – воды) зависимость количества теплоты, необходимого для ее нагревания, от изменения температуры. О количестве теплоты, полученной жидкостью от нагревателя (электрической плитки), будем судить по времени нагревания, предполагая, что между ними существует прямо пропорциональная зависимость. Чтобы результат эксперимента соответствовал этому предположению, необходимо обеспечить стационарный поток тепла от электроплитки к нагреваемому телу. Для этого электроплитка была включена в сеть заранее, так чтобы к началу опыта температура ее поверхности перестала изменяться. Для более равномерного нагрева жидкости во время опыта, будем помешивать ее при помощи самой термопары.

Будем фиксировать показания термометра через равные промежутки времени до тех пор, пока световой зайчик не дойдет до края шкалы.

Сделаем вывод: между количеством теплоты, необходимым для нагревания тела и изменением его температуры, существует прямая пропорциональная зависимость.

Во второй серии опытов будем сравнивать количества теплоты, необходимые для нагревания одинаковых жидкостей разной массы при изменении их температуры на одну и ту же величину.

Для удобства сравнения получаемых величин массу воды для второго опыта возьмем в два раза меньше, чем в первом опыте.

Вновь будем фиксировать показания термометра через равные промежутки времени.

Сравнивая результаты первого и второго опытов можно сделать следующие выводы.

Между массой вещества и количеством теплоты, необходимым для его нагревания, существует прямая пропорциональная зависимость.

В третьей серии опытов будем сравнивать количества теплоты, необходимые для нагревания равных масс различных жидкостей, при изменении их температуры на одну и ту же величину.

Будем нагревать на электроплитке масло, масса которого равна массе воды в первом опыте. Будем фиксировать показания термометра через равные промежутки времени.

Результат опыта подтверждает вывод о том, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, прямо пропорционально изменению его температуры и, кроме того, свидетельствует о зависимости этого количества теплоты от рода вещества.

Поскольку в опыте использовалось масло, плотность которого меньше плотности воды и для нагревания масла до некоторой температуры потребовалось меньшее количество теплоты, чем для нагревания воды, можно предположить, что количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от его плотности.

Чтобы проверить это предположение, будем одновременно нагревать на нагревателе постоянной мощности одинаковые массы воды, парафина и меди.

Через одно и то же время температура меди оказывается примерно в 10 раз, а парафина примерно в 2 раза выше температуры воды.

Но медь имеет большую, а парафин меньшую плотность, чем вода.

Опыт показывает, что величиной, характеризующей скорость изменения температуры веществ, из которых изготовлены тела, участвующие в теплообмене, является не плотность. Эта величина называется удельной теплоемкостью вещества и обозначается буквой c.

Для сравнения удельных теплоемкостей различных веществ служит специальный прибор. Прибор состоит из стоек, в которых крепится тонкая парафиновая пластинка и планка с пропущенными сквозь нее стержнями. На концах стержней укреплены алюминиевый, стальной и латунный цилиндры равной массы.

Нагреем цилиндры до одинаковой температуры, погрузив их в сосуд с водой, стоящий на горячей электроплитке. Закрепим горячие цилиндры на стойках и освободим их от крепления. Цилиндры одновременно прикасаются к парафиновой пластине и, плавя парафин, начинают погружаться в нее. Глубина погружения цилиндров одинаковой массы в парафиновую пластину, при изменении их температуры на одну и ту же величину, оказывается разной.

Опыт свидетельствует о том, что удельные теплоемкости алюминия, стали и латуни различны.

Проделав соответствующие опыты с плавлением твердых тел, парообразованием жидкостей, сгоранием топлива получаем следующие количественные зависимости.

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяющееся при его охлаждении, прямо пропорционально массе тела и изменению его температуры.

Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар или выделяющееся при его конденсации, прямо пропорционально массе жидкости.

Количество теплоты, необходимое для плавления тела или выделяющееся при его кристаллизации, прямо пропорционально массе этого тела.

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива, прямо пропорционально его массе.

Во всех формулах, позволяющих рассчитывать количество теплоты для различных тепловых процессов, стоят коэффициенты пропорциональности, называемые удельными величинами, то есть приходящимися на единицу других величин. Удельные величины являются характеристиками веществ, а не тел.

Удельная теплоемкость вещества показывает, чему равно количество теплоты, необходимое для нагревания или выделяющееся при охлаждении 1 кг вещества на 1 К.

Удельные теплоты парообразования, плавления, сгорания показывают, какое количество теплоты требуется для парообразования, плавления или выделяется при конденсации, кристаллизации, сгорании 1 кг вещества.

Чтобы получить единицы удельных величин, их надо выразить из соответствующих формул и в полученные выражения подставить единицы теплоты – 1 Дж, массы – 1 кг, а для удельной теплоемкости – и 1 К.

Получаем единицы: удельной теплоемкости – 1 Дж/кг·К, остальных удельных теплот: 1 Дж/кг.

Количество теплоты

Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин. Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние.

Внутренняя энергия тела может изменяться за счет работы внешних сил. Для характеристики изменения внутренней энергии при теплообмене вводится величина, называемая количеством теплоты и обозначаемая Q. В международной системе единицей количества теплоты, также как работы и энергии, является джоуль: [Q] = [A] = [E] = 1 Дж. На практике еще иногда применяется внесистемная единица количества теплоты – калория. 1 кал. = 4,2 Дж.

Количество теплоты, передаваемое от одного тела к другому, может идти на нагревание тела, плавление, парообразование, либо выделяться при противоположных процессах – остывании тела, кристаллизации, конденсации. Теплота выделяется при сгорании топлива. Между массой вещества и количеством теплоты, необходимым для его нагревания, существует прямая пропорциональная зависимость.

• Количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяющееся при его охлаждении, прямо пропорционально массе тела и изменению его температуры:

Q = cmΔT, где с — удельная теплоемкость [Дж/кг·К], m — масса тела [кг], ΔT — изменение температуры [К]

• Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар или выделяющееся при его конденсации, прямо пропорционально массе жидкости:
Q = Lm, где L — удельная теплота парообразования [Дж/кг], m — масса тела [кг]

• Количество теплоты, необходимое для плавления тела или выделяющееся при его кристаллизации, прямо пропорционально массе этого тела:
Q = λm, где λ (лямбда) — удельная теплота плавления [Дж/кг], m — масса тела [кг]

• Количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива, прямо пропорционально его массе:
Q = qm, где q — удельная теплота сгорания [Дж/кг], m — масса тела [кг]

Удельная теплоемкость вещества показывает, чему равно количество теплоты, необходимое для нагревания или выделяющееся при охлаждении 1 кг вещества на 1 К.

Удельные теплоты парообразования, плавления, сгорания показывают, какое количество теплоты требуется для парообразования, плавления или выделяется при конденсации, кристаллизации, сгорании 1 кг вещества.

---

Другие заметки по физике

Количество теплоты: нагревание, охлаждение, плавление, кристаллизация, парообразование, конденсация, горение. Термодинамическая система

Тестирование онлайн

• Количество теплоты. Основные понятия

• Количество теплоты

Термодинамика

Раздел молекулярной физики, который изучает передачу энергии, закономерности превращения одних видов энергии в другие. В отличие от молекулярно-кинетической теории, в термодинамике не учитывается внутреннее строение веществ и микропараметры.

Термодинамическая система

Это совокупность тел, которые обмениваются энергией (в форме работы или теплоты) друг с другом или с окружающей средой. Например, вода в чайнике остывает, происходит обмен теплотой воды с чайником и чайника с окружающей средой. Цилиндр с газом под поршнем: поршень выполняет работу, в результате чего, газ получает энергию, и изменяются его макропараметры.

Количество теплоты

Это энергия, которую получает или отдает система в процессе теплообмена. Обозначается символом Q, измеряется, как любая энергия, в Джоулях.

В результате различных процессов теплообмена энергия, которая передается, определяется по-своему.

Нагревание и охлаждение

Этот процесс характеризуется изменением температуры системы. Количество теплоты определяется по формуле

Удельная теплоемкость вещества с измеряется количеством теплоты, которое необходимо для нагревания единицы массы данного вещества на 1К. Для нагревания 1кг стекла или 1кг воды требуется различное количество энергии. Удельная теплоемкость — известная, уже вычисленная для всех веществ величина, значение смотреть в физических таблицах.

Теплоемкость вещества С — это количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела без учета его массы на 1К.

Плавление и кристаллизация

Плавление — переход вещества из твердого состояния в жидкое. Обратный переход называется кристаллизацией.

Энергия, которая тратится на разрушение кристаллической решетки вещества, определяется по формуле

Удельная теплота плавления известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Парообразование (испарение или кипение) и конденсация

Парообразование — это переход вещества из жидкого (твердого) состояния в газообразное. Обратный процесс называется конденсацией.

Удельная теплота парообразования известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Горение

Количество теплоты, которое выделяется при сгорании вещества

Удельная теплота сгорания известная для каждого вещества величина, значение смотреть в физических таблицах.

Для замкнутой и адиабатически изолированной системы тел выполняется уравнение теплового баланса. Алгебраическая сумма количеств теплоты, отданных и полученных всеми телами, участвующим в теплообмене, равна нулю:

Q₁+Q₂+…+Q_n=0

2. Расчёт количества теплоты, необходимого для нагревания тела

На практике часто приходится проводить различные тепловые расчёты. Например, при строительстве зданий необходимо учитывать, какое количество теплоты должна отдавать зданию вся система отопления, и какое количество теплоты будет уходить в окружающее пространство через окна, стены, двери.

 

Выведем формулу для расчёта количества теплоты, необходимого для нагревания некоторого вещества массой m на разность температур Δt=tконечная−tначальная.

 

Чтобы нагреть некоторое вещество массой \(1\) кг на \(1\)°C, необходимо затратить количество теплоты, равное удельной теплоёмкости \(с\) данного вещества, то есть в данном случае:

 

Q=c.

 

Если масса нагреваемого вещества в m раз больше, то и необходимое количество теплоты также в m раз больше:

 

Q=cm.

 

Аналогично, если разность температур вещества не \(1\)°C, а в Δt=tконечная−tначальная раз больше, то и теплоты понадобится в Δt=tконечная−tначальная раз больше.

 

Количество теплоты, получаемое веществом при нагревании, прямо пропорционально удельной теплоёмкости вещества, его массе и разности температур, то есть:

 

Q=cmΔt

 

или

 

Q=cmtкон−tнач.

Обрати внимание!

Данная формула даёт возможность найти и выделяемую при охлаждении вещества теплоту.

Чтобы рассчитать количество теплоты, необходимое для нагревания вещества (или выделяемое им при охлаждении), следует удельную теплоёмкость вещества умножить на его массу и на разность между конечной и начальной температурой вещества.

Так как конечная температура остывающего вещества меньше его начальной температуры:

 

tкон<tнач,

 

то изменение температуры оказывается отрицательным числом:

 

tкон−tнач<0.

 

Значит, и выделяемое веществом количество теплоты выражается отрицательным числом:

 

Qотданное<0.

 

Последний факт обозначает не рост, а убыль внутренней энергии вещества.

Источники:

 

Пёрышкин А.В. Физика, 8 кл.: учебник. — М.: Дрофа, 2013. — 237 с.

Исаченкова Л.А. Физика, 8 кл.: учебник. — Мн.: Народная асвета, 2015. — 183 с.

Количество теплоты, удельная теплоемкость

От чего зависит количество теплоты

Внутренняя энергия тела изменяется при совершении работы или теплопередаче. При явлении теплопередачи внутренняя энергия передается теплопроводностью, конвекцией или излучением.

Каждое тело при нагревании или охлаждении (при теплопередаче) получает или теряет какое-то количество энергии. Исходя из этого, принято это количество энергии назвать количеством теплоты.

Итак, количество теплоты — это та энергия, которую отдает или получает тело в процессе теплопередачи.

Какое количество теплоты необходимо для нагревания воды? На простом примере можно понять, что для нагревания разного количества воды потребуется разное количество теплоты. Допустим, возьмем две пробирки с 1 литром воды и с 2-мя литрами воды. В каком случае потребуется большее количество теплоты? Во втором, там, где в пробирке 2 литра воды. Вторая пробирка будет нагреваться дольше, если мы подогреваем их одинаковым источником огня.

Таким образом, количество теплоты зависит от массы тела. Чем больше масса, тем большее количество теплоты требуется для нагрева и, соответственно, на охлаждение тела требуется большее время.

От чего еще зависит количество теплоты? Естественно, от разности температур тел. Но это еще не все. Ведь если мы попытаемся нагреть воду или молоко, то нам потребуется разное количество времени. Т.е получается, что количество теплоты зависит от вещества, из которого состоит тело.

В итоге получается, что количество теплоты, которое нужно для нагревания или количество теплоты, которое выделяется при остывании тела, зависит от его массы, от изменения температуры и от вида вещества, из которого состоит тело.

В чем измеряется количество теплоты

За единицу количества теплоты принято считать 1 Джоуль. До появления единицы измерения энергии ученые считали количество теплоты калориями. Сокращенно эту единицу измерения принято писать — “Дж”

Калория — это количество теплоты, которое необходимо для того, чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 градус Цельсия. Сокращенно единицу измерения калории принято писать — “кал”.

1 кал = 4,19 Дж.

Обратите внимание, что в этих единицах энергии принято отмечать пищевую ценность продуктов питания кДж и ккал.

1 ккал = 1000 кал.

1 кДж = 1000 Дж

1 ккал = 4190 Дж = 4,19 кДж

Что такое удельная теплоемкость

Каждое вещество в природе имеет свои свойства, и для нагрева каждого отдельного вещества требуется разное количество энергии, т. е. количества теплоты.

Удельная теплоемкость вещества — это величина, равная количеству теплоты, которое нужно передать телу с массой 1 килограмм, чтобы нагреть его на температуру 1 ⁰C

Удельная теплоемкость обозначается буквой c и имеет величину измерения Дж/кг*

Например, удельная теплоемкость воды равна 4200 Дж/кг*⁰C.   То есть это то количество теплоты, которое нужно передать 1 кг воды, чтобы нагреть ее на 1 ⁰C

Следует помнить, что удельная теплоемкость веществ в разных агрегатных состояниях различна. То есть для нагревания льда на 1 ⁰C потребуется другое количество теплоты.

Как рассчитать количество теплоты для нагревания тела

Например, необходимо рассчитать количество теплоты, которое нужно потратить для того, чтобы нагреть 3 кг воды с температуры 15 ⁰С до температуры 85 ⁰С. Нам известна удельная теплоемкость воды, то есть количество энергии, которое нужно для того, чтобы нагреть 1 кг воды на 1 градус. То есть для того, чтобы узнать количество теплоты в нашем случае, нужно умножить удельную теплоемкость воды на 3 и на то количество градусов, на которое нужно увеличить температуры воды. Итак, это 4200*3*(85-15) = 882 000.

В скобках мы рассчитываем точное количество градусов, отнимая от конечного необходимого результата начальное

Итак, для того, чтобы нагреть 3 кг воды с 15 до 85 ⁰С, нам потребуется 882 000 Дж количества теплоты.

Количество  теплоты обозначается буквой Q, формула для его расчета выглядит следующим образом:

Q=c*m*(t₂-t₁).

Разбор и решение задач

 

Задача 1. Какое количество теплоты потребуется для нагрева 0,5 кг воды с 20 до 50 ⁰С

Дано:

m = 0,5 кг.,

с = 4200 Дж/кг*⁰С,

t1 = 20 ⁰С,

t2 = 50 ⁰С.

Величину удельной теплоемкость мы определили из таблицы.

Решение:

количество теплоты определяется по формуле Q=c*m*(t₂-t₁).

Подставляем значения:

Q=4200*0,5*(50-20) = 63 000 Дж = 63 кДж.

Ответ: Q=63 кДж.

Задача 2. Какое количество теплоты потребуется для нагревания алюминиевого бруска массой 0,5 кг на 85 ⁰С?

Дано:

m = 0,5 кг.,

с = 920 Дж/кг*⁰С,

t1 = 0 ⁰С,

t2 = 85 ⁰С.

Решение:

количество теплоты определяется по формуле Q=c*m*(t₂-t₁).

Подставляем значения:

Q=920*0,5*(85-0) = 39 100 Дж = 39,1 кДж.

Ответ: Q= 39,1 кДж.

Единицы теплоты

 

“…- Сколько попугаев в тебе поместится, такой у тебя рост.
– Очень надо! Я не стану глотать столько попугаев!…”

Из м/ф “38 попугаев”

В соответствии с международными правилами СИ (международная система единиц измерения) количество тепловой энергии или количество тепла измеряется в Джоулях [Дж], также существуют кратные единицы килоДжоуль [кДж] = 1000 Дж., МегаДжоуль [МДж] = 1 000 000 Дж, ГигаДжоуль [ГДж] = 1 000 000 000 Дж. и пр. Эта единица измерения тепловой энергии является основной международной единицей и наиболее часто используется при проведении научных и научно-технических расчётов.

Однако, все из нас знают или хотя бы раз слышали и другую единицу измерения количества теплоты (или просто тепла) это калория, а также килокалория, Мегакалория и Гигакалория, что означают приставки кило, Гига и Мега, смотреть пример с Джоулями выше. В нашей стране исторически сложилось так, что при расчёте тарифов за отопление,  будь то отопление электроэнергией, газовыми или пеллетными котлами принято считать стоимость именно одной Гигакалории тепловой энергии.

Так что же такое Гигакалория, килоВатт, килоВатт*час или килоВатт/час и Джоули и как они связаны между собой?, вы узнаете в этой статье.

Итак, основная единица тепловой энергии это, как уже было сказано, Джоуль. Но прежде чем говорить об единицах измерения необходимо в принципе на бытовом уровне разъяснить что такое тепловая энергия и как и для чего её измерять.

Всем нам с детства известно, чтобы согреться (получить тепловую энергию) нужно что-то поджечь, поэтому все мы жгли костры, традиционное топливо для костра – это дрова.  Таким образом, очевидно, при горении топлива (любого: дрова, уголь, пеллеты, природный газ, солярка) выделяется тепловая энергия (тепло).  Но, чтобы нагреть, к примеру, различные объёмы воды требуется разное количество дров (или иного топлива). Ясно, что для нагрева двух литров воды достаточно нескольких пален в костре, а чтобы приготовить полведра супа на весь лагерь, нужно запастись несколькими вязанками дров. Чтобы не измерять такие строгие технические величины, как количество теплоты и теплота сгорания топлива вязанками дров и вёдрами с супом, теплотехники решили внести ясность и порядок и договорились выдумать единицу количества теплоты. Чтобы эта единица была везде одинаковая её определили так: для нагрева одного килограмма воды на один градус при нормальных условиях (атмосферном давлении) требуется 4 190 калорий, или 4,19 килокалории, следовательно, чтобы нагреть один грамм воды будет достаточно в тысячу раз меньше теплоты – 4,19 калории.

Калория связана с международной единицей тепловой энергии – Джоулем следующим соотношением:

1 калория = 4,19 Джоуля.

Таким образом, для нагрева 1 грамма воды на один градус потребуется 4,19 Джоуля тепловой энергии, а для нагрева одного килограмма воды 4 190 Джоулей тепла.

В технике, наряду с единицей измерения тепловой (и всякой другой) энергии существует единица мощности и, в соответствии с международной системой (СИ) это Ватт. Понятие мощности также применимо и к нагревательным приборам. Если нагревательный прибор способен отдать за 1 секунду 1 Джоуль тепловой энергии, то его мощность равна 1 Ватт.   Мощность, это способность прибора производить (создавать) определённое количество энергии (в нашем случае тепловой энергии) в единицу времени. Вернёмся к нашему примеру с водой, чтобы нагреть один килограмм (или один литр, в случае с водой килограмм равен литру) воды на один градус Цельсия (или Кельвина, без разницы) нам потребуется мощность  1 килокалория или 4 190 Дж. тепловой энергии. Чтобы нагреть один килограмм воды за 1 секунду времени на 1 грдус нам нужен прибор следующей мощности:

4190 Дж./1 с. = 4 190 Вт. или 4,19 кВт.

Если мы хотим нагреть наш килограмм воды на 25 градусов за ту же секунду, то нам потребуется мощность в двадцать пять раз больше т.е.

4,19*25 =104,75 кВт.

Таким образом, можно сделать вывод, что пеллетный котёл мощностью 104,75 кВт. нагревает 1 литр воды на 25 градусов за одну секунду.

Раз мы добрались до Ватт и килоВатт, следует и о них словечко замолвить. Как уже было сказано Ватт – это единица мощности, в том числе и тепловой мощности котла, но ведь кроме пеллетных котлов и газовых котлов человечеству знакомы и электрокотлы, мощность которых измеряется, разумеется, в тех же килоВаттах и потребляют они не пеллеты и не газ, а электроэнергию,  количество которой измеряется в килоВатт часах. Правильное написание единицы энергии килоВатт*час (именно, килоВатт умножить на час, а не разделить), запись кВт/час – является ошибкой!

В электрокотлах электрическая энергия преобразуется в тепловую (так называемое, Джоулево тепло), и , если котёл потребил 1 кВт*час электроэнергии, то сколько же он выработал тепла? Чтобы ответить на это простой вопрос, нужно выполнить простой расчёт.

Преобразуем килоВатты  в  килоДжоули/секунды (килоДжоуль в секунду), а часы в секунды: в одном часе 3 600 секунд, получим:

1 кВт*час =[ 1 кДж/с]*3600 c.=1 000 Дж *3600 с = 3 600 000 Джоулей или 3,6 МДж.

Итак,

1 кВт*час = 3,6 МДж.

В свою очередь, 3,6 МДж/4,19 = 0,859 Мкал = 859 ккал = 859 000 кал. Энергии (тепловой).

Теперь перейдём к Гигакалории, цену которой на различных видах топлива любят считать теплотехники.

1 Гкал = 1 000 000 000 кал.

1 000 000 000 кал. = 4,19*1 000 000 000 = 4 190 000 000 Дж.= 4 190 МДж. = 4,19 ГДж.

Или зная, что 1 кВт*час = 3,6 МДж пересчитаем 1 Гигакалорию на килоВатт*часы:

1 Гкал =  4190 МДж/3,6 МДж = 1 163 кВт*часов!

 

Если прочитав данную статью вы решили, проконсультироваться со специалистом нашей компании по любому вопросу, связанному с теплоснабжением, то вам Сюда!

 

 

 

 

Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества :: Класс!ная физика

КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ

При теплопередаче (теплообмене) внутренняя энергия одних тел уменьшается, а других – увеличивается, без изменения механической энергии тел и без совершения работы.
При этом уменьшается внутренняя энергия тела-нагревателя, а внутренняя энергия нагреваемого тела увеличивается .

Процесс теплопередачи характеризуется количеством теплоты.
Количеством теплоты (Q) называется изменение внутренней энергии тела, происходящее в результате теплопередачи.

Количество теплоты измеряется в системе СИ в джоулях.
[Q] = 1Дж.
Кроме того, для измерения количества теплоты (вне системы СИ) используется единица, называемая калорией (кал).
1 калория равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 г воды на 1 градус С.
Опытным путем было установлено, что для нагревания 1 г воды на 1 градус требуется
совершить работу в 4,18 Дж, следовательно 1кал = 4,18Дж.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА

Удельная теплоемкость вещества показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы изменить температуру единицы массы данного вещества на 1°С.
Единица удельной теплоемкости в системе СИ :
[c] = 1Дж/кг·градусС.

Удельную теплоемкость данного вещества можно приближенно считать постоянной величиной.
У разных веществ удельная теплоемкость имеет разные значения.

Если одинаковым по массе телам из разных веществ передать одно и то же количество  теплоты, то они нагреются до разной температуры. Вещество с меньшей теплоемкостью нагреется сильнее,
а вещество с большей теплоемкостью — слабее.

КНИЖНАЯ ПОЛКА

Глобальное потепление. Ведет ли оно к катастрофе?

ИНТЕРЕСНО 

…что в пустынях днем очень жарко, а ночью температура падает ниже 0°С. Это происходит потому,
что песок обладает малой удельной теплоемкостью, поэтому быстро нагревается и охлаждается.

Устали? — Отдыхаем!

Тепло — Химия LibreTexts

Тепло — это количество энергии , которое передается от одной системы к ее окружению из-за разницы температур.

История теплопередачи

В 1822 году Жан-Батист Жозеф Фурье основал закон теплопередачи Фурье. Он смог прийти к этому закону с помощью математических выражений и показал, как теплопроводность в телах может быть проанализирована с помощью математических рядов. Закон Фурье теплопередачи гласит, что скорость передачи тепла через тело пропорциональна отрицательному градиенту температуры в теле.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики, также известный как закон сохранения Ene rgy , гласит, что полная энергия остается постоянной между взаимодействиями системы и ее окружения. По сути, энергии не может быть создано или уничтожено . Математическая модель этого приведена ниже.

\ [q_ {System} + q_ {Surroundings} = 0 \]

Когда две системы или тела соединяются, тепло как энергия передается от более горячего тела к более холодному телу .В результате молекулы более горячего тела теряют кинетическую энергию более холодного тела. Затем это приводит к потоку тепла между телами, более холодное тело будет иметь повышенную температуру, а более горячее тело понизится.

Факторы, от которых зависит количество тепла, необходимое для изменения температуры вещества:

1. Величина изменения температуры
2. Количество вещества
3. Тип вещества
   1. Компоненты: тип атомов / молекул

Смена фаз и нагрев

Во-первых, тепло вызывает разницы в температуре , когда тепло течет от одного тела к другому.Теплообмен может также вызвать изменение состояния вещества . Например, нагревание H ₂ O _(s) (лед) заставит молекулы двигаться с большей скоростью. Увеличение скорости нарушило бы межмолекулярные силы и заставило бы твердое тело превратить фазу в жидкость, где межмолекулярные силы не такие сильные и ограничивающие, как в твердом теле.

Можно также посмотреть на фазовые диаграммы, чтобы увидеть, как тепло и давление влияют на изменения фаз.Фазовая диаграмма — это графическое представление условий температуры и давления, при которых твердые тела, жидкости и газы существуют либо в виде отдельных фаз, либо состояний вещества, либо в виде двух или более фаз, находящихся в равновесии друг с другом. На следующем рисунке показан пример фазовой диаграммы:

Можно также посмотреть на кривые нагрева, чтобы увидеть изменение температуры по мере добавления тепла. Ниже приведен пример кривой нагрева. Обратите внимание, что при изменении фазы температура не меняется.

Тепл. Ед.

калорий — это количество тепла, необходимое для изменения температуры 1 г воды на 1 градус Цельсия. килокалорий (1 кКал = 1000 кал) — это единица тепла, с которой мы обычно сталкиваемся в повседневной жизни, например, на обратной стороне коробки с хлопьями. Обратите внимание, что калории обозначаются строчной буквой «c», а килокалории обозначаются заглавной буквой «C».

Калория также связана с единицей энергии СИ, джоулей .

1 кал = 4,184 джоулей

Британская тепловая единица (БТЕ) ​​также используется для определения количества тепла, необходимого для подъема одного фунта воды на один градус по Фаренгейту.

1 БТЕ = 252 калории = 1055 джоулей

Тепловая мощность

Теплоемкость — это количество тепла, обычно выражаемое в Джоулях или калориях, необходимое для изменения системы на 1 градус Цельсия. Удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для подъема 1 грамма вещества на 1 градус Цельсия.

Например, удельная теплоемкость H ₂ O _(л) составляет 4,18 Дж / г ° C.

• \ (C_p \) обозначает удельную теплоемкость для удельной теплоемкости при постоянном давлении.
• \ (C_v \) обозначает удельную теплоемкость для удельной теплоемкости при постоянном объеме.

Расчет количества тепла

Чтобы рассчитать количество тепла, необходимое для подъема чего-либо при определенном изменении температуры, нам потребуется определенная информация.

• Изменение температуры
• Количество вещества (только для использования с C _p или C _v )
  • Обычно дается в граммах или молях вещества.
• Удельная теплоемкость или теплоемкость

Теперь мы можем использовать следующую формулу для определения количества необходимого тепла.

\ [q = m \, C_p \, \ Delta {T} \]

или

\ [q = C_p \ Delta {T} \]

Где,

• \ (q \) = Количество тепла
• \ (m \) = Масса вещества
• \ (\ Delta {T} \) = Изменение температуры
• \ (C_p \) = удельная / молярная теплоемкость
• \ (C \) = Теплоемкость (не зависит от массы)

Помните, что вам не всегда нужно использовать удельную или молярную теплоемкость. Для нахождения энергии можно использовать обычную теплоемкость, и в этом случае количество вещества не является необходимой информацией. Это когда вы использовали бы второе уравнение.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Учитывая 500 г H ₂ O _(л) , сколько тепла требуется для повышения температуры H ₂ O _(л) с 8 ^° C до 88 ^° C?

Ответ

Ответы находятся в разделе прикрепленных файлов.

Список литературы

• Биндель, Т. Х., Фочи, Дж. К. «Управляемое открытие: закон удельной теплоты». J. Chem. Educ. 1997 : 74, 955.
• Кимбро, Дорис Р. «Теплоемкость, температура тела и гипотермия». J. Chem. Educ. 1998 : 75, 48.
• Петруччи и др. Общие принципы химии и современные приложения . 9 изд. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Pearson Prentice Hall, 2007
• Engel, et al. Физическая химия для наук о жизни . Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси: Pearson Prentice Hall, 2008
• Смит, Э. Брайан. Основы химической термодинамики . 5-е изд. Лондон: Imperial College Press, 2004
• Stolen, et al. Химическая термодинамика материалов макроскопические и микроскопические аспекты . Западный Суссекс, Англия: John Wiley & Sons Ltd, 2004
• «тепло». Британская энциклопедия. 2008. Британская энциклопедия онлайн. 31 мая 2008 г.,
• «удельная теплоемкость.»Encyclopdia Britannica. 2008. Encyclopdia Britannica Online. 31 мая 2008 г.
• «Британская тепловая единица». Британская энциклопедия. 2008. Британская энциклопедия онлайн. 31 мая 2008 г.,
• «Теплопередача», Интернет-энциклопедия Microsoft® Encarta® 2008 uk.encarta.msn.com © 1997-2008
• AP HS Chemistry . Интернет. 11 марта 2010 г. http://aphschem.blogspot.com/2009/10. ..curve-lab.html Unit Operations in Food Processing — R. L. Earle. NZIFST — Новозеландский институт пищевых наук и технологий .Интернет. 11 марта 2010 г.

Как рассчитать количество выделяемого тепла

Обновлено 12 февраля 2020 г.

Клэр Гиллеспи

Проверено: Lana Bandoim, B.S.

Некоторые химические реакции выделяют энергию за счет тепла. Другими словами, они передают тепло своему окружению. Они известны как экзотермических реакций: «Экзо» относится к внешним или внешним, а «термический» означает тепло.

Некоторые примеры экзотермических реакций включают горение (горение), реакции окисления (ржавление) и реакции нейтрализации между кислотами и щелочами. Многие предметы повседневного обихода, такие как грелки для рук и самонагревающиеся банки для кофе и других горячих напитков, подвергаются экзотермическим реакциям.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Для расчета количества тепла, выделяемого в химической реакции, используйте уравнение Q = mc ΔT , где Q — тепловая энергия перенесенная (в джоулях), м — масса нагреваемой жидкости (в килограммах), c — удельная теплоемкость жидкости (джоуль на килограмм градусов Цельсия), а ΔT — изменение температуры жидкости (градусы Цельсия).

Разница между теплом и температурой

Важно помнить, что температура и тепло — это не одно и то же. Температура — это мера того, насколько что-то горячее, измеряется в градусах Цельсия или Фаренгейта, а тепла — это мера тепловой энергии, содержащейся в объекте, измеряется в джоулях.

Когда тепловая энергия передается объекту, его повышение температуры зависит от:

• массы объекта
• вещества, из которого сделан объект
• количества энергии, приложенной к объекту

Чем больше тепловой энергии переносится на объект, тем больше увеличивается его температура.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость ( c ) вещества — это количество энергии, необходимое для изменения температуры 1 кг вещества на 1 единицу температуры. Различные вещества имеют разную удельную теплоемкость, например, вода имеет удельную теплоемкость 4 181 джоулей / кг градусов C, кислород имеет удельную теплоемкость 918 джоулей / кг градусов C, а свинец имеет удельную теплоемкость 128 джоулей / кг градусов C.

Калькулятор тепловой энергии

Для расчета энергии, необходимой для повышения температуры вещества с известной массой, используется формула удельной теплоемкости:

Q — переданная энергия в джоулях, м — масса веществ в кг, c — удельная теплоемкость в Дж / кг градусов C, а ΔT — изменение температуры в градусах C в формуле удельной теплоемкости.

Калькулятор тепловыделения

Представьте, что 100 г кислоты были смешаны со 100 г щелочи, в результате чего температура повысилась с 24 до 32 градусов Цельсия.

Уравнение реакции нейтрализации между кислотой и щелочью может быть уменьшено до:

H ⁺ + OH ^— -> h3O

Используемая формула: Q = mc ∆T

Масса = м = 100 г + 100 г / 1000 г на кг = 0,2 г (одно значащее число)

Удельная теплоемкость воды = c = 4,186 Дж / кг градусов C
Изменение температуры = ΔT = 24 градуса C — 32 градуса C = -8 градусов C

Q = (0.2 кг) (4,186 Дж / кг ° C) (-8 ° C)
Q = -6,688 Дж, что означает выделение 6688 джоулей тепла.

Удельная теплоемкость | Безграничная физика

Тепловая мощность

Теплоемкость измеряет количество тепла, необходимое для повышения температуры объекта или системы на один градус Цельсия.

Цели обучения

Объясните энтальпию в системе с постоянным объемом и давлением

Основные выводы

Ключевые моменты

• Теплоемкость — это измеримая физическая величина, которая характеризует количество тепла, необходимое для изменения температуры вещества на заданную величину.Он измеряется в джоулях на Кельвин и выражается в.
• Теплоемкость — это обширное свойство, которое зависит от размера системы.
• Теплоемкость большинства систем непостоянна (хотя ее часто можно рассматривать как таковую). Это зависит от температуры, давления и объема рассматриваемой системы.

Ключевые термины

• теплоемкость : количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры объекта или единицы вещества на один градус Цельсия; в джоулях на кельвин (Дж / К).
• энтальпия : общее количество энергии в системе, включая внутреннюю энергию и энергию, необходимую для вытеснения окружающей среды

Тепловая мощность

Теплоемкость (обычно обозначается заглавной буквой C, часто с индексами) или теплоемкость — это измеримая физическая величина, которая характеризует количество тепла, необходимое для изменения температуры вещества на заданную величину. В единицах СИ теплоемкость выражается в джоулях на кельвин (Дж / К).

Теплоемкость объекта (обозначение C ) определяется как отношение количества тепловой энергии, переданной объекту, к результирующему увеличению температуры объекта.

[латекс] \ displaystyle {\ text {C} = \ frac {\ text {Q}} {\ Delta \ text {T}}.} [/ Latex]

Теплоемкость — это обширное свойство, поэтому она масштабируется в зависимости от размера системы. Образец, содержащий в два раза больше вещества, чем другой образец, требует передачи вдвое большего количества тепла (Q) для достижения такого же изменения температуры (ΔT).Например, если для нагрева блока железа требуется 1000 Дж, то для нагрева второго блока железа, масса которого в два раза больше массы первого, потребуется 2000 Дж.

Измерение теплоемкости

Тепловая мощность большинства систем непостоянна. Скорее, это зависит от переменных состояния исследуемой термодинамической системы. В частности, это зависит от самой температуры, а также от давления и объема системы, а также от способов изменения давлений и объемов при переходе системы от одной температуры к другой.Причина этого заключается в том, что работа давления и объема, выполняемая в системе, повышает ее температуру с помощью механизма, отличного от нагрева, в то время как работа объема давления, выполняемая системой, поглощает тепло, не повышая температуру системы. (Температурная зависимость объясняет, почему определение калории — это формально энергия, необходимая для нагрева 1 г воды с 14,5 до 15,5 ° C вместо обычно на 1 ° C.)

Таким образом, можно выполнять различные измерения теплоемкости, чаще всего при постоянном давлении и постоянном объеме.Измеренные таким образом значения обычно имеют нижний индекс (соответственно p и V) для обозначения определения. Газы и жидкости обычно также измеряются при постоянном объеме. Измерения при постоянном давлении дают большие значения, чем при постоянном объеме, потому что значения постоянного давления также включают тепловую энергию, которая используется для выполнения работы по расширению вещества против постоянного давления при повышении его температуры. Эта разница особенно заметна для газов, где значения при постоянном давлении обычно составляют от 30% до 66.На 7% больше, чем при постоянной громкости.

Термодинамические соотношения и определение теплоемкости

Внутренняя энергия замкнутой системы изменяется либо за счет добавления тепла в систему, либо из-за того, что система выполняет работу. Вспоминая первый закон термодинамики,

.

[латекс] \ text {dU} = \ delta \ text {Q} — \ delta \ text {W} [/ latex].

За работу в результате увеличения объема системы можем написать:

[латекс] \ text {dU} = \ delta \ text {Q} — \ text {PdV} [/ latex].

Если тепло добавляется при постоянном объеме, то второй член этого соотношения исчезает и легко получается

[латекс] \ displaystyle {\ left (\ frac {\ partial \ text {U}} {\ partial \ text {T}} \ right) _ {\ text {V}} = \ left (\ frac {\ partial \ text {Q}} {\ partial \ text {T}} \ right) _ {\ text {V}} = \ text {C} _ {\ text {V}}} [/ latex].

Это определяет теплоемкость при постоянном объеме , C _V . Еще одна полезная величина — теплоемкость при постоянном давлении , C _P .При энтальпии системы, заданной

[латекс] \ text {H} = \ text {U} + \ text {PV} [/ latex],

наше уравнение для d U меняется на

[латекс] \ text {dH} = \ delta \ text {Q} + \ text {VdP} [/ latex],

и, следовательно, при постоянном давлении имеем

[латекс] (\ frac {\ partial \ text {H}} {\ partial \ text {T}}) _ {\ text {P}} = (\ frac {\ partial \ text {Q}} {\ partial \ text {T}}) _ {\ text {P}} = \ text {C} _ {\ text {P}} [/ latex].

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость — это интенсивное свойство, которое описывает, сколько тепла необходимо добавить к определенному веществу, чтобы повысить его температуру.

Цели обучения

Обобщите количественную взаимосвязь между теплопередачей и изменением температуры

Основные выводы

Ключевые моменты

• В отличие от общей теплоемкости, удельная теплоемкость не зависит от массы или объема. Он описывает, сколько тепла необходимо добавить к единице массы данного вещества, чтобы повысить его температуру на один градус Цельсия. Единицы измерения удельной теплоемкости — Дж / (кг ° C) или эквивалентно Дж / (кг · K).
• Теплоемкость и удельная теплоемкость связаны соотношением C = см или c = C / м.
• Масса m, удельная теплоемкость c, изменение температуры ΔT и добавленное (или вычитаемое) тепло Q связаны уравнением: Q = mcΔT.
• Значения удельной теплоемкости зависят от свойств и фазы данного вещества. Поскольку их нелегко рассчитать, они измеряются эмпирическим путем и доступны для справки в таблицах.

Ключевые термины

• удельная теплоемкость : Количество тепла, которое должно быть добавлено (или удалено) из единицы массы вещества, чтобы изменить его температуру на один градус Цельсия.Это интенсивное свойство.

Удельная теплоемкость

Теплоемкость — это обширное свойство, которое описывает, сколько тепловой энергии требуется для повышения температуры данной системы. Однако было бы довольно неудобно измерять теплоемкость каждой единицы вещества. Нам нужно интенсивное свойство, которое зависит только от типа и фазы вещества и может быть применено к системам произвольного размера. Эта величина известна как удельная теплоемкость (или просто удельная теплоемкость), которая представляет собой теплоемкость на единицу массы материала.Эксперименты показывают, что передаваемое тепло зависит от трех факторов: (1) изменения температуры, (2) массы системы и (3) вещества и фазы вещества. Последние два фактора заключены в значении удельной теплоемкости.

Теплопередача и удельная теплоемкость : Тепло Q, передаваемое для изменения температуры, зависит от величины изменения температуры, массы системы, а также от вещества и фазы. (а) Количество переданного тепла прямо пропорционально изменению температуры.Чтобы удвоить изменение температуры массы m, вам нужно добавить в два раза больше тепла. (б) Количество передаваемого тепла также прямо пропорционально массе. Чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в удвоенной массе, вам нужно добавить в два раза больше тепла. (c) Количество передаваемого тепла зависит от вещества и его фазы. Если требуется количество тепла Q, чтобы вызвать изменение температуры ΔT в данной массе меди, потребуется в 10,8 раз больше тепла, чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в той же массе воды, при условии отсутствия фазовых изменений ни в одном из веществ.

Удельная теплоемкость : В этом уроке тепло связано с изменением температуры. Мы обсуждаем, как количество тепла, необходимое для изменения температуры, зависит от массы и задействованного вещества, и эта взаимосвязь представлена ​​удельной теплоемкостью вещества C.

Зависимость от изменения температуры и массы легко понять. Поскольку (средняя) кинетическая энергия атома или молекулы пропорциональна абсолютной температуре, внутренняя энергия системы пропорциональна абсолютной температуре и количеству атомов или молекул.Поскольку переданное тепло равно изменению внутренней энергии, тепло пропорционально массе вещества и изменению температуры. Передаваемое тепло также зависит от вещества, так что, например, количество тепла, необходимое для повышения температуры, меньше для спирта, чем для воды. Для одного и того же вещества передаваемое тепло также зависит от фазы (газ, жидкость или твердое тело).

Количественная связь между теплопередачей и изменением температуры включает все три фактора:

[латекс] \ text {Q} = \ text {mc} \ Delta \ text {T} [/ latex],

где Q — символ теплопередачи, m — масса вещества, а ΔT — изменение температуры.Символ c обозначает удельную теплоемкость и зависит от материала и фазы.

Удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для изменения температуры 1,00 кг массы на 1,00 ° C. Удельная теплоемкость c — это свойство вещества; его единица СИ — Дж / (кг⋅К) или Дж / (кг⋅К). Напомним, что изменение температуры (ΔT) одинаково в единицах кельвина и градусов Цельсия. Обратите внимание, что общая теплоемкость C — это просто произведение удельной теплоемкости c и массы вещества m, i.е.,

[латекс] \ text {C} = \ text {mc} [/ latex] или [латекс] \ text {c} = \ frac {\ text {C}} {\ text {m}} = \ frac {\ текст {C}} {\ rho \ text {V}} [/ latex],

где ϱ — плотность вещества, V — его объем.

Значения удельной теплоемкости обычно нужно искать в таблицах, потому что нет простого способа их вычислить. Вместо этого они измеряются эмпирически. Как правило, удельная теплоемкость также зависит от температуры. В таблице ниже приведены типичные значения теплоемкости для различных веществ.За исключением газов, температурная и объемная зависимость удельной теплоемкости большинства веществ слабая. Удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла, и в десять раз больше, чем у железа, что означает, что требуется в пять раз больше тепла, чтобы поднять температуру воды на такое же количество, что и у стекла, и в десять раз больше тепла, чтобы поднять температуру. воды как для железа. Фактически, вода имеет одну из самых высоких удельной теплоемкости из всех материалов, что важно для поддержания жизни на Земле.

Удельная теплоемкость : Указана удельная теплоемкость различных веществ.Эти значения идентичны в единицах кал / (г⋅C) .3. cv при постоянном объеме и 20,0 ° C, если не указано иное, и среднем давлении 1,00 атм. В скобках указаны значения cp при постоянном давлении 1,00 атм.

Калориметрия

Калориметрия — это измерение теплоты химических реакций или физических изменений.

Цели обучения

Проанализировать взаимосвязь между газовой постоянной для получения идеального газа и объемом

Основные выводы

Ключевые моменты

• Калориметр используется для измерения тепла, выделяемого (или поглощаемого) в результате физических изменений или химической реакции.Наука об измерении этих изменений известна как калориметрия.
• Для проведения калориметрии очень важно знать удельную теплоемкость измеряемых веществ.
• Калориметрия может выполняться при постоянном объеме или постоянном давлении. Тип выполняемого расчета зависит от условий эксперимента.

Ключевые термины

• калориметр постоянного давления : прибор, используемый для измерения тепла, выделяемого во время изменений, не связанных с изменениями давления.
• калориметр : Устройство для измерения тепла, выделяемого или поглощаемого в результате химической реакции, изменения фазы или какого-либо другого физического изменения.
• калориметр постоянного объема : прибор, используемый для измерения тепла, выделяемого во время изменений, не связанных с изменением объема.

Калориметрия

Обзор

Калориметрия — это наука об измерении теплоты химических реакций или физических изменений. Калориметрия выполняется калориметром.Простой калориметр состоит из термометра, прикрепленного к металлическому контейнеру с водой, подвешенному над камерой сгорания. Слово калориметрия происходит от латинского слова calor , что означает тепло. Шотландский врач и ученый Джозеф Блэк, который первым осознал разницу между теплом и температурой, считается основоположником калориметрии.

Калориметрия требует, чтобы нагреваемый материал имел известные тепловые свойства, то есть удельную теплоемкость.Классическое правило, признанное Клаузиусом и Кельвином, состоит в том, что давление, оказываемое калориметрическим материалом, полностью и быстро определяется исключительно его температурой и объемом; это правило применяется для изменений, не связанных с фазовым переходом, таких как таяние льда. Есть много материалов, которые не соответствуют этому правилу, и для них требуются более сложные уравнения, чем приведенные ниже.

Ледяной калориметр : первый в мире ледяной калориметр, использованный зимой 1782-83 гг. Антуаном Лавуазье и Пьером-Симоном Лапласом для определения тепла, выделяющегося при различных химических изменениях; расчеты, основанные на предыдущем открытии скрытой теплоты Джозефом Блэком.Эти эксперименты составляют основу термохимии.

Базовая калориметрия при постоянном значении

Калориметрия постоянного объема — это калориметрия, выполняемая при постоянном объеме. Это предполагает использование калориметра постоянного объема (один из типов называется калориметром бомбы). Для калориметрии постоянного объема:

[латекс] \ delta \ text {Q} = \ text {C} _ {\ text {V}} \ Delta \ text {T} = \ text {mc} _ {\ text {V}} \ Delta \ text {T} [/ латекс]

, где δQ — приращение тепла, полученного образцом, C _V — теплоемкость при постоянном объеме, c _v — удельная теплоемкость при постоянном объеме, а ΔT — изменение температуры.

Измерение изменения энтальпии

Чтобы найти изменение энтальпии на массу (или на моль) вещества A в реакции между двумя веществами A и B, эти вещества добавляют в калориметр и определяют начальную и конечную температуры (до начала реакции и после ее завершения. ) отмечены. Умножение изменения температуры на массу и удельную теплоемкость веществ дает значение энергии, выделяемой или поглощаемой во время реакции:

[латекс] \ delta \ text {Q} = \ Delta \ text {T} (\ text {m} _ {\ text {A}} \ text {c} _ {\ text {A}} + \ text { m} _ {\ text {B}} \ text {c} _ {\ text {B}}) [/ latex]

Разделение изменения энергии на количество присутствующих граммов (или молей) A дает изменение энтальпии реакции.Этот метод используется в основном в академическом обучении, поскольку он описывает теорию калориметрии. Он не учитывает потери тепла через контейнер или теплоемкость термометра и самого контейнера. Кроме того, объект, помещенный внутри калориметра, показывает, что объекты передают свое тепло калориметру и жидкости, а тепло, поглощаемое калориметром и жидкостью, равно теплу, отдаваемому металлами.

Калориметрия постоянного давления

Калориметр постоянного давления измеряет изменение энтальпии реакции, протекающей в растворе, в течение которой атмосферное давление остается постоянным.Примером может служить калориметр кофейной чашки, который состоит из двух вложенных друг в друга чашек из пенополистирола и крышки с двумя отверстиями, в которую можно вставить термометр и стержень для перемешивания. Внутренняя чашка содержит известное количество растворенного вещества, обычно воды, которое поглощает тепло от реакции. Когда происходит реакция, внешняя чашка обеспечивает изоляцию. Тогда

[латекс] \ text {C} _ {\ text {P}} = \ frac {\ text {W} \ Delta \ text {H}} {\ text {M} \ Delta \ text {T}} [/ латекс]

, где C _p — удельная теплоемкость при постоянном давлении, ΔH — энтальпия раствора, ΔT — изменение температуры, W — масса растворенного вещества, а M — молекулярная масса растворенного вещества.Измерение тепла с помощью простого калориметра, такого как калориметр для кофейной чашки, является примером калориметрии постоянного давления, поскольку давление (атмосферное давление) остается постоянным во время процесса. Калориметрия постоянного давления используется для определения изменений энтальпии, происходящих в растворе. В этих условиях изменение энтальпии равно теплоте (Q = ΔH).

Удельная теплоемкость идеального газа при постоянном давлении и объеме

Идеальный газ имеет различную удельную теплоемкость при постоянном объеме или постоянном давлении.

Цели обучения

Объясните, как рассчитать индекс адиабаты

Основные выводы

Ключевые моменты

• Удельная теплоемкость газа при постоянном объеме задается как [латекс] (\ frac {\ partial \ text {U}} {\ partial \ text {T}}) _ {\ text {V}} = \ text {c} _ {\ text {v}} [/ latex].
• Удельная теплоемкость идеального газа при постоянном давлении определяется как [latex] (\ frac {\ partial \ text {H}} {\ partial \ text {T}}) _ {\ text {V}} = \ text {c} _ {\ text {p}} = \ text {c} _ {\ text {v}} + \ text {R} [/ latex].
• Коэффициент теплоемкости (или индекс адиабаты) — это отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

Ключевые термины

• Фундаментальное термодинамическое соотношение : В термодинамике фундаментальное термодинамическое соотношение выражает бесконечно малое изменение внутренней энергии в терминах бесконечно малых изменений энтропии и объема для замкнутой системы, находящейся в тепловом равновесии, следующим образом: dU = TdS-PdV. Здесь U — внутренняя энергия, T — абсолютная температура, S — энтропия, P — давление, V — объем.
• Индекс адиабаты : Отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.
• удельная теплоемкость : Отношение количества тепла, необходимого для повышения температуры единицы массы вещества на единицу градуса, к количеству тепла, необходимому для повышения температуры той же массы воды на такое же количество.

Удельная теплоемкость идеального газа при постоянном давлении и объеме

Теплоемкость при постоянном объеме nR = 1 Дж · К ⁻¹ любого газа, включая идеальный газ, составляет:

[латекс] (\ frac {\ partial \ text {U}} {\ partial \ text {T}}) _ {\ text {V}} = \ text {c} _ {\ text {v}} [/ латекс]

Это безразмерная теплоемкость при постоянном объеме; обычно это функция температуры из-за межмолекулярных сил.Для умеренных температур постоянная для одноатомного газа c _v = 3/2, а для двухатомного газа c _v = 5/2 (см.). Макроскопические измерения теплоемкости дают информацию о микроскопической структуре молекул.

Молекулярные внутренние колебания : Когда газ нагревается, поступательная киентная энергия молекул в газе увеличивается. Кроме того, молекулы газа могут улавливать множество характерных внутренних колебаний. Потенциальная энергия, хранящаяся в этих внутренних степенях свободы, вносит вклад в удельную теплоемкость газа.

Теплоемкость при постоянном давлении 1 Дж · К ⁻¹ идеальный газ составляет:

[латекс] (\ frac {\ partial \ text {H}} {\ partial \ text {T}}) _ {\ text {V}} = \ text {c} _ {\ text {p}} = \ текст {c} _ {\ text {v}} + \ text {R} [/ latex]

где H = U + pV — энтальпия газа.

Измерение теплоемкости при постоянном объеме может быть чрезвычайно трудным для жидкостей и твердых тел. То есть небольшие изменения температуры обычно требуют большого давления для поддержания постоянного объема жидкости или твердого вещества (это означает, что содержащий сосуд должен быть почти жестким или, по крайней мере, очень прочным). {2}} = \ text {R} [/ latex]

Это уравнение сводится просто к тому, что известно как соотношение Майера:

Юлиус Роберт Майер : Юлиус Роберт фон Майер (25 ноября 1814 — 20 марта 1878), немецкий врач и физик, был одним из основоположников термодинамики.Он известен прежде всего тем, что в 1841 году сформулировал одно из первоначальных утверждений о сохранении энергии (или то, что сейчас известно как одна из первых версий первого закона термодинамики): «Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. В 1842 году Майер описал жизненно важный химический процесс, который теперь называют окислением, как основной источник энергии для любого живого существа. Его достижения не были замечены, и заслуга в открытии механического эквивалента тепла была приписана Джеймсу Джоулю в следующем году.фон Майер также предположил, что растения превращают свет в химическую энергию.

[латекс] \ text {C} _ {\ text {P}} — \ text {C} _ {\ text {V}} = \ text {R} [/ latex].

Это простое уравнение, связывающее теплоемкость при постоянной температуре и при постоянном давлении.

Решение задач калориметрии

Калориметрия используется для измерения количества тепла, выделяемого или потребляемого в химической реакции.

Цели обучения

Объясните, что калориметр бомбы используется для измерения тепла, выделяемого в реакции горения

Основные выводы

Ключевые моменты

• Калориметрия используется для измерения количества тепла, передаваемого веществу или от него.
• Калориметр — это устройство, используемое для измерения количества тепла, участвующего в химическом или физическом процессе.
• Это означает, что количество тепла, производимого или потребляемого в реакции, равно количеству тепла, поглощаемого или теряемого раствором.

Ключевые термины

• теплота реакции : изменение энтальпии в химической реакции; количество тепла, которое система отдает своему окружению, чтобы она могла вернуться к исходной температуре.
• сжигание : процесс, в котором два химических вещества объединяются для получения тепла.

Калориметры

предназначены для минимизации обмена энергией между исследуемой системой и ее окружением. Они варьируются от простых калориметров для кофейных чашек, используемых студентами начального курса химии, до сложных калориметров-бомб, используемых для определения энергетической ценности пищи.

Калориметрия используется для измерения количества тепла, передаваемого веществу или от него. Для этого происходит обмен тепла с калиброванным объектом (калориметром).Изменение температуры измерительной части калориметра преобразуется в количество тепла (поскольку предыдущая калибровка использовалась для определения его теплоемкости). Измерение теплопередачи с использованием этого подхода требует определения системы (вещества или веществ, подвергающихся химическому или физическому изменению) и ее окружения (других компонентов измерительного устройства, которые служат либо для обеспечения теплом системы, либо для поглощения тепла от система). Знание теплоемкости окружающей среды и тщательные измерения масс системы и окружающей среды, а также их температуры до и после процесса позволяют рассчитать передаваемое тепло, как описано в этом разделе.

Калориметр — это устройство, используемое для измерения количества тепла, участвующего в химическом или физическом процессе. Например, когда в растворе в калориметре происходит экзотермическая реакция, тепло, выделяемое в результате реакции, поглощается раствором, что увеличивает его температуру. Когда происходит эндотермическая реакция, необходимое тепло поглощается тепловой энергией раствора, что снижает его температуру. Затем изменение температуры, а также удельная теплоемкость и масса раствора можно использовать для расчета количества тепла, задействованного в любом случае.

Калориметры кофейных чашек

Студенты-общехимики часто используют простые калориметры, изготовленные из полистирольных стаканчиков. Эти простые в использовании калориметры типа «кофейная чашка» обеспечивают больший теплообмен с окружающей средой и, следовательно, дают менее точные значения энергии.

Устройство калориметра постоянного объема (или «бомбы»)

Калориметр бомбы : Это изображение типичной установки калориметра бомбы.

Калориметр другого типа, который работает с постоянным объемом, в просторечии известный как калориметр бомбы, используется для измерения энергии, производимой реакциями, которые дают большое количество тепла и газообразных продуктов, таких как реакции горения.(Термин «бомба» происходит из наблюдения, что эти реакции могут быть достаточно интенсивными, чтобы напоминать взрывы, которые могут повредить другие калориметры.) Этот тип калориметра состоит из прочного стального контейнера («бомба»), который содержит реагенты и сам является погружен в воду. Образец помещается в бомбу, которая затем заполняется кислородом под высоким давлением. Для воспламенения образца используется небольшая электрическая искра. Энергия, произведенная в результате реакции, улавливается стальной бомбой и окружающей водой.Повышение температуры измеряется и, наряду с известной теплоемкостью калориметра, используется для расчета энергии, производимой в результате реакции. Калориметры бомбы требуют калибровки для определения теплоемкости калориметра и обеспечения точных результатов. Калибровка выполняется с использованием реакции с известным q, например измеренного количества бензойной кислоты, воспламененного искрой от никелевой плавкой проволоки, которая взвешивается до и после реакции. Изменение температуры, вызванное известной реакцией, используется для определения теплоемкости калориметра.Калибровка обычно выполняется каждый раз перед использованием калориметра для сбора данных исследования.

Пример: идентификация металла путем измерения удельной теплоемкости

Кусок металла весом 59,7 г, погруженный в кипящую воду, был быстро перенесен в 60,0 мл воды при начальной температуре 22,0 ° C. Конечная температура составляет 28,5 ° C. Используйте эти данные, чтобы определить удельную теплоемкость металла. Используйте этот результат, чтобы идентифицировать металл.

Решение

Предполагая идеальную теплопередачу, выделяемое металлом тепло является отрицательной величиной тепла, поглощаемого водой, или:

[латекс] \ text {q} _ {\ text {metal}} = — \ text {q} _ {\ text {water}} [/ latex]

В развернутом виде это:

[латекс] \ text {c} _ {\ text {metal}} \ times \ text {m} _ {\ text {metal}} \ times \ left (\ text {T} _ {\ text {f, metal }} — \ text {T} _ {\ text {i, metal}} \ right) = \ text {c} _ {\ text {water}} \ times \ text {m} _ {\ text {water}} \ times \ left (\ text {T} _ {\ text {f, water}} — \ text {T} _ {\ text {i, water}} \ right) [/ latex]

Отметим, что, поскольку металл был погружен в кипящую воду, его начальная температура была 100.{\ text {o}} \ text {C} [/ latex]

Наша экспериментальная удельная теплоемкость наиболее близка к значению для меди (0,39 Дж / г ° C), поэтому мы идентифицируем металл как медь.

Теплоемкость и удельная теплоемкость

• Определите теплоемкость.
• Определите удельную теплоемкость.
• Выполните расчеты с учетом теплоемкости.

Какой бассейн прогреется быстрее?

Если плавательный бассейн и болот, заполненные водой с одинаковой температурой, будут подвергаться одинаковому подаче тепловой энергии, то в детском бассейне температура наверняка повысится быстрее, чем в плавательном бассейне.Теплоемкость объекта зависит как от его массы, так и от его химического состава. Из-за своей гораздо большей массы плавательный бассейн с водой имеет большую теплоемкость, чем ведро с водой.

Теплоемкость и удельная теплоемкость

Различные вещества по-разному реагируют на тепло. Если металлический стул стоит на ярком солнце в жаркий день, он может стать довольно горячим на ощупь. Вода с одинаковой массой на одном и том же солнце не станет почти такой же горячей. Мы бы сказали, что вода имеет высокую теплоемкость (количество тепла, необходимое для повышения температуры объекта на 1 ° C.) Вода очень устойчива к перепадам температуры, а металлы — нет. Удельная теплоемкость вещества — это количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1 ° C. В таблице ниже приведены значения удельной теплоты некоторых распространенных веществ. Символ удельной теплоемкости: c _p , с индексом p, указывающим на то, что удельная теплоемкость измеряется при постоянном давлении. Единицами измерения удельной теплоемкости могут быть джоули на грамм на градус (Дж / г ° C) или калории на грамм на градус (кал / г ° C).В этом тексте для удельной теплоемкости будет использоваться Дж / г ° C.

Удельная теплоемкость некоторых распространенных веществ

Вещество	Удельная теплоемкость (Дж / г ° C)
Вода (л)	4,18
Вода (и)	2,06
Вода (г)	1,87
Аммиак (г)	2,09
Этанол (л)	2,44
Алюминий (и)	0.897
Углерод, графит (ы)	0,709
Медь (и)	0,385
Золото	0,129
Утюг (и)	0,449
Вывод (ы)	0,129
Ртуть (л)	0,140
Серебро (а)	0,233

Обратите внимание, что вода имеет очень высокую удельную теплоемкость по сравнению с большинством других веществ.Вода обычно используется в качестве охлаждающей жидкости для оборудования, поскольку она способна поглощать большое количество тепла (см. , таблица выше). Прибрежный климат намного более умеренный, чем внутренний климат из-за наличия океана. Вода в озерах или океанах поглощает тепло из воздуха в жаркие дни и отдает его обратно в воздух в прохладные дни.

Рисунок 17.5

Эта электростанция в Западной Вирджинии, как и многие другие, расположена рядом с большим озером, поэтому воду из озера можно использовать в качестве охлаждающей жидкости.Прохладная вода из озера закачивается в растение, а более теплая вода выкачивается из растения и возвращается в озеро.

Резюме

• Определены теплоемкость и удельная теплоемкость.

Практика

Вопросы

Посмотрите видео и ответьте на вопросы ниже

1. Что было в первом воздушном шаре?
2. Что было в воздушном шаре отправки?
3. Почему не лопнул первый воздушный шар?
4. Почему лопнул второй воздушный шар?

Обзор

Вопросы

1. Что такое тепловая мощность?
2. Что такое удельная теплоемкость?
3. У вас есть 10-граммовый кусок алюминия и 10-граммовый кусок золота, стоящие на солнце.Какой металл сначала нагреется на десять градусов?
4. У вас есть 20-граммовый кусок алюминия и 40-граммовый кусок алюминия, лежащие на солнце. Какая часть первой встанет на десять градусов?

• heat capacity: Количество тепла, необходимое для повышения температуры объекта на 1 ° C.
• удельная теплоемкость: Количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1 ° C.

Список литературы

1. Бассейн: Пользователь: Mhsb / Wikimedia Commons; Детский бассейн: Пользователь: Aarchiba / Википедия. Бассейн: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Freshwater_swimming_pool.jpg; Детский бассейн: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wading-pool.jpg.
2. Пользователь: Raeky / Wikimedia Commons. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mount_Storm_Power_Plant,_Areial.jpg.

[/ hidden-answer

]

Тепло

Тепло

---

Тепло

Heat — это способ передачи энергии между системами и его окружение, которое часто, но не всегда, меняет температура системы.Тепло не сохраняется, его можно либо созданы, либо уничтожены. В метрической системе тепло равно измеряется в единицах калорий , которые определяются как количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма вода от 14,5 ^o C до 15,5 ^o C.

В системе СИ единицей тепла является джоулей .

---

Тепловая мощность

Теплоемкость вещества — это количество тепла. требуется для повышения температуры определенного количества чистого вещества на один градус (Цельсия или Кельвина).Калорийность была определяется так, чтобы теплоемкость воды была равна единице.

---

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость вещества — это количество калорий, необходимых для повышения температуры грамм на 1 ^o C. Поскольку один градус по шкале Цельсия равен одному Кельвину, удельная теплоемкость в метрической системе может быть выражена в единицах измерения либо кал / г- ^o ° С, либо кал / г-К.Единицы теплоемкости в системе СИ — Дж / г-К. Поскольку в калорийность, удельная теплоемкость воды составляет 4,184 Дж / г-К.

Легкость, с которой вещество приобретает или теряет тепло, также может быть описано с точки зрения его молярной теплоты емкость , которая является теплом, необходимым для повышения температуры один моль вещества либо на 1 ^o ° C, либо на 1 K. В метрической системе единицами молярной теплоемкости являются поэтому либо кал / моль- ^o ° C, либо кал / моль-K.В СИ В системе единицы молярной теплоемкости — Дж / моль-К.

---

Скрытая тепло

Когда лед нагревается, тепло, которое изначально поступает в систему используется для растапливания льда. Когда лед тает, температура остается постоянная при 0 ^o C. Количество тепла, необходимое для плавления лед исторически назывался скрытой теплотой плавления . Как только лед растает, температура воды медленно увеличивается с 0 ^o C до 100 ^o C.Но однажды вода закипает, тепло, которое попадает в образец, используется для преобразовать жидкость в газ и температуру образца остается постоянным, пока жидкость не испарится. Количество тепла требуется для кипячения или испарения жидкости, исторически называется скрытой теплотой парообразования .

Более 200 лет назад Джозеф Блэк выделил разумных тепло и скрытое тепло .Тепло, поднимающее температура системы может быть определена, но тепло, которое приводит к изменение состояния системы с твердого на жидкое или переход от жидкости к газу скрыт. Как скрытое изображение на фотографическая пленка, которая не была проявлена, или скрытые отпечатки пальцев что не видно невооруженным глазом, скрытая теплота — это тепло, которое поступает в систему без изменения температуры система.

---

Тепло и кинетика Молекулярная теория

Система — небольшая часть Вселенной в которые нас интересуют, например, вода в стакане или газ застряли в поршне и цилиндре, как показано на рисунках ниже. окружение все остальное другими словами, остальная вселенная.

Система и ее окружение разделены границей . Тепло передается через границу между системой и ее окружение.

Одним из фундаментальных принципов кинетической теории является предположение, что средняя кинетическая энергия скопления газа частиц зависит от температуры газа и ничего больше.Газ становится теплее тогда и только тогда, когда средняя кинетическая энергия количество частиц газа увеличивается. Тепло, когда повышается температура системы, увеличивает скорость, с которой частицы системы движутся, как показано на рисунке ниже.

---

Тепло, работа и энергия

Тепло (энергия)

Единица измерения тепла (или энергии) в системе СИ составляет джоуль (Дж) .

С разницей температур

Другими единицами измерения тепла являются британские тепловые единицы — британские тепловые единицы (количество тепла для подъема 1 фунта воды на 1 ^o F ) и Калорийность (количество тепла, чтобы поднять 1 грамм воды на 1 ^o C ( или 1 K )).

калорий определяется как количество тепла, необходимое для изменения температуры одного грамма жидкой воды на один градус Цельсия (или один градус Кельвина).

1 кал = 4,184 Дж

1 Дж = 1 Втс

= (1 Втс) (1/3600 ч / с)

= 2,78 10 ^-4 Втч

= 2,78 10 ^-7 кВтч

Тепловой поток (мощность)

Теплопередача только в результате разницы температур называется тепловым потоком . Единицы СИ для теплового потока: Дж / с или ватт (Вт) — то же, что и мощность. Один ватт определяется как 1 Дж / с .

Удельная энтальпия

Удельная энтальпия — это мера полной энергии в единицах массы. Обычно используется единица СИ: Дж / кг или кДж / кг .

Термин относится к общей энергии, обусловленной давлением и температурой текучей среды (например, воды или пара) в любой данный момент времени и при любых условиях.В частности, энтальпия — это сумма внутренней энергии и работы, совершаемой под действием приложенного давления.

Тепловая мощность

Тепловая мощность системы составляет

• количество тепла, необходимое для изменения температуры всей системы на один градус .

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость (= удельная теплоемкость) — это количество тепла, необходимое для изменения температуры на одну единиц массы вещества на на один градус .

Удельная теплоемкость может быть измерена в Дж / г K, Дж / кг K , кДж / кг K, кал / гK или БТЕ / фунт ^o F и более .

Никогда не используйте табличные значения теплоемкости без проверки единиц фактических значений!

Удельную теплоемкость для обычных продуктов и материалов можно найти в разделе «Свойства материала».

Удельная теплоемкость — постоянное давление

Энтальпия — или внутренняя энергия — вещества зависит от его температуры и давления.

Изменение внутренней энергии относительно изменения температуры при фиксированном давлении — это удельная теплоемкость при постоянном давлении — c _p .

Удельная теплоемкость — постоянный объем

Изменение внутренней энергии относительно изменения температуры при фиксированном объеме — это удельная теплоемкость при постоянном объеме — c _v .

Если давление не является чрезвычайно высоким, работой, выполняемой приложением давления к твердым телам и жидкостям, можно пренебречь, а энтальпия может быть представлена ​​только компонентом внутренней энергии. Можно сказать, что теплота постоянного объема и теплоты постоянного давления равны.

Для твердых и жидких веществ

c _p = c _v (1)

Удельная теплоемкость представляет собой количество энергии, необходимое для подъема 1 кг вещества на 1 ^o C (или 1 K) , и ее можно рассматривать как способность поглощать тепло. Единицы измерения удельной теплоемкости в системе СИ составляют Дж / кг · К (кДж / кг, ^o C) .Вода имеет большую удельную теплоемкость 4,19 кДж / кг ^o C по сравнению со многими другими жидкостями и материалами.

• Вода — хороший теплоноситель!

Количество тепла, необходимое для повышения температуры

Количество тепла, необходимое для нагрева объекта от одного температурного уровня до другого, может быть выражено как:

Q = c _p m dT ( 2)

, где

Q = количество тепла (кДж)

c _p = удельная теплоемкость (кДж / кг · К)

м масса = )

dT = разница температур между горячей и холодной стороной (K)

Пример воды для отопления

Рассмотрим энергию, необходимую для нагрева 1.0 кг воды от 0 ^o C до 100 ^o C при удельной теплоемкости воды 4,19 кДж / кг ^o C :

Q = (4,19 кДж / кг ^o C ) (1,0 кг) ((100 ^o C) — (0 ^o C))

= 419 (кДж)

Work

С технической точки зрения работа и энергия — одно и то же, но работа — это результат, когда направленная сила (вектор) перемещает объект в одном направлении.

Объем выполненной механической работы можно определить по уравнению, полученному из ньютоновской механики

Работа = Приложенная сила x Расстояние, перемещенное в направлении силы

или

W = F л (3)

, где

W = работа (Нм, Дж)

F = приложенная сила (Н)

l = длина или пройденное расстояние (м)

Рабочий стол также можно описать как произведение приложенного давления и вытесненного объема:

Работа = Приложенное давление x Вытесненный объем

или

W = p A l (3b)

где

p = приложенное давление (Н / м ² , Па)

A = под давлением площадь (м ² )

l = длина или расстояние, на которое зона давления перемещается под действием приложенной силы (м)

Пример — Работа, выполняемая силой

Работа, выполняемая силой 100 Н перемещение тела 50 м можно рассчитать как

W = (100 Н) (50 м)

= 5000 (Нм, Дж)

Единица работы — джоуль, J, который определяется как количество работы, выполненной, когда сила 1 ньютон действует на расстоянии 1 м в направлении силы.

1 Дж = 1 Нм

Пример — Работа под действием силы тяжести

Работа, выполненная при подъеме массы 100 кг на высоте 10 м может быть рассчитана как

W = F _г ч

= mgh

= (100 кг) (9,81 м / с ² ) (10 м)

= 9810 (Нм, J)

, где

F _г = сила тяжести — или вес (Н)

г = ускорение свободного падения 9.81 (м / с ² )

h = высота (м)

В британских единицах измерения единичная работа выполняется при весе 1 фунт _f (фунт-сила) является поднимается вертикально против силы тяжести на расстояние 1 фут . Единица называется фунт-фут .

Поднят объект массой 10 снарядов 10 футов . Проделанная работа может быть рассчитана как

W = F _г h

= m g h

= (10 шт.) (32.17405 фут / с ² ) (10 футов)

= 3217 фунтов _f фут

Пример — Работа, связанная с изменением скорости

Работа, выполненная при массе 100 кг ускоряется от от скорости 10 м / с до скорости 20 м / с можно рассчитать как

W = (v ₂ ² — v ₁ ² ) м / 2

= ((20 м / с) ² — (10 м / с) ² ) (100 кг) / 2

= 15000 (Нм, Дж)

где

v ₂ = конечная скорость (м / с)

v ₁ = начальная скорость (м / с)

Energy

Energy — это способность делать работа (перевод с греческого — «работа внутри»).Единицей измерения работы и энергии в системе СИ является джоуль, определяемый как 1 Нм .

Движущиеся объекты могут выполнять работу, потому что обладают кинетической энергией. («кинетический» по-гречески означает «движение»).

Количество кинетической энергии, которой обладает объект, можно рассчитать как

E _k = 1/2 мВ ² (4)

где

м м масса объекта (кг)

v = скорость (м / с)

Энергия положения уровня (запасенная энергия) называется потенциальной энергией.Это энергия, связанная с силами притяжения и отталкивания между объектами (гравитация).

Полная энергия системы складывается из внутренней, потенциальной и кинетической энергии. Температура вещества напрямую связана с его внутренней энергией. Внутренняя энергия связана с движением, взаимодействием и связыванием молекул внутри вещества. Внешняя энергия вещества связана с его скоростью и местоположением и является суммой его потенциальной и кинетической энергии.

Теплоемкость и вода

• Школа наук о воде ГЛАВНАЯ • Темы о свойствах воды •

Теплоемкость воды частично отвечает за мягкий климат вдоль юго-западного побережья Англии. Есть пляжи, как на пляже Порткресса в Силли, где растут тропические растения.

Кредит: Викимедиа

Удельная теплоемкость определяется количеством тепла, необходимым для повышения температуры 1 грамма вещества на 1 градус Цельсия (° C).Вода имеет высокую удельную теплоемкость, которую мы будем называть просто «теплоемкостью», что означает, что для повышения температуры воды требуется больше энергии по сравнению с другими веществами. Вот почему вода важна для промышленности и в радиаторе вашего автомобиля в качестве охлаждающей жидкости. Высокая теплоемкость воды также помогает регулировать скорость изменения температуры воздуха, поэтому изменение температуры между сезонами происходит постепенно, а не внезапно, особенно вблизи океанов.

Эта же концепция может быть расширена до мирового масштаба.Океаны и озера помогают регулировать диапазоны температур, с которыми сталкиваются миллиарды людей в своих городах. Вода, окружающая города или близлежащие к ним, нагревается и остывает дольше, чем суша, поэтому в городах около океанов, как правило, будут меньше изменений и менее экстремальные температуры, чем в городах внутри страны. Это свойство воды — одна из причин, почему штаты на побережье и в центре Соединенных Штатов могут так сильно различаться в температурных режимах. В штате Среднего Запада, таком как Небраска, будут более холодные зимы и более жаркое лето, чем в Орегоне, который находится на более высоких широтах, но расположен рядом с Тихим океаном.

Если вы оставите ведро с водой на солнце летом, оно наверняка станет теплым, но недостаточно горячим, чтобы сварить яйцо. Но если в августе вы пройдете босиком по черному асфальту улицы в южной части Соединенных Штатов, вы обожжете себе ноги. Если в августовский день уронить яйцо на металл капота моей машины, получится яичница. Металлы имеют гораздо меньшую удельную теплоемкость, чем вода. Если вы когда-либо держались за иглу и вставляли другой конец в огонь, вы знаете, как быстро игла нагревается и как быстро тепло передается по длине иглы к вашему пальцу.Не так с водой.

Почему важна теплоемкость

Кредит: LENA15 | pixabay.com

Высокая теплоемкость воды во многом помогает регулировать экстремальные условия окружающей среды. Например, рыбки в этом пруду действительно счастливы, потому что теплоемкость воды в пруду означает, что температура воды будет оставаться примерно одинаковой днем ​​и ночью. Им не нужно беспокоиться о том, чтобы включить кондиционер или надеть шерстяные перчатки.(Кроме того, для счастливых рыбок посетите нашу страницу Растворенный кислород .)

К счастью для меня, тебя и рыб в пруду справа, вода действительно обладает очень высокой теплоемкостью.