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

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

Однак тлумачення слова «питома» зазвичай приділяється недостатньо уваги. Учні просто запам`ятовують його як даність. А що воно означає?

Якщо заглянути в словник Ожегова, то можна прочитати, що така величина визначається як відношення. Причому воно може бути виконано до маси, об`єму або енергії. Всі ці величини обов`язково покладається брати рівними одиниці. Ставлення до чого задається в питомої теплоємності?

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

Що це таке?

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

Позначається ця фізична величина латинською літерою c. Визначається вона як деяку кількість теплоти, необхідне для нагрівання одного кілограма речовини на один градус. В курсі шкільної фізики як цього градуса виступає той, що береться за шкалою Цельсія.

Як її порахувати?

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

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

Виходячи з цієї формули, одиниця виміру цієї величини в міжнародній системі одиниць (СІ) виявляється Дж / (кг * ordm-С).

Як знайти інші величини з цієї рівності?

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

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

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

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

Які значення вона може мати?

Експериментальним шляхом встановлено, які вона має значення у кожного конкретного речовини. Тому створена спеціальна таблиця питомої теплоємності. Найчастіше в ній дані дані, які справедливі при нормальних умовах.

У чому полягає лабораторна робота з вимірювання питомої теплоємності?

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

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

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

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

Завдання № 1

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

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

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

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

відповідь: з = 380 Дж / (кг * ordm-С).

Завдання № 2

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

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

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

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

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

Відповідь. t₂ = 20 ordm-С.

Завдання № 3

Умова. Є хімічний стакан масою 100 г. У нього налито 50 г води. Початкова температура води зі склянкою дорівнює 0 градусів Цельсія. Яка кількість теплоти потрібно для того, щоб довести воду до кипіння?

Рішення. Почати варто з того, щоб ввести відповідне позначення. Нехай дані, що відносяться до склянки, матимуть індекс 1, а до води - індекс 2. У таблиці необхідно знайти питомі теплоємності. Хімічний стакан зроблений з лабораторного скла, тому його значення з₁ = 840 Дж / (кг * ordm-С). Дані для води такі: з₂ = 4200 Дж / (кг * ordm-С).

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

Початкова температура дана: t₁ = 0 ordm-С. Про кінцевої відомо, що вона відповідає тій, при якій вода кипить. це t₂ = 100 ordm-С.

Оскільки стакан нагрівається разом з водою, то шукана кількість теплоти буде складатися з двох. Першою, яка потрібна для нагрівання скла (Q₁), І другий, що йде на нагрівання води (Q₂). Для їх вираження знадобиться другий формула. Її необхідно записати два рази з різними індексами, а потім скласти їх суму.

Виходить, що Q = з₁ * m₁ * (T₂ - t₁) + З₂ * m₂ * (T₂ - t₁). Загальний множник (t₂ - t₁) Можна винести за дужки, щоб було зручніше вважати. Тоді формула, яка буде потрібно для розрахунку кількості теплоти, прийме такий вигляд: Q = (з₁ * m₁ + з₂ * m₂) * (T₂ - t₁). Тепер можна підставити відомі в завданні величини і порахувати результат.

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

Відповідь. Q = 29400 Дж = 29,4 кДж.