Візьміть до рук металеву прикрасу з будь-яким каменем. Камінь грітиметься досить довго, в той час, як метал у цієї ж прикраси нагріється значно швидше. У цих матеріалів різна теплоємність – давайте розбиратися, що це означає.
Нагрівання та охолодження
Ці два процеси знайомі кожному. Ось нам закортіло чайку, і ми ставимо чайник, щоб нагріти воду. Або ставимо газовану воду в холодильник, щоб охолодити.
Логічно припустити, що нагрівання – це підвищення температури, а охолодження – її зменшення. Все, процес зрозумілий, їдемо далі.
Але не тут було: температура змінюється не «зі стелі». Все пов’язане з таким поняттям, як кількість теплоти. При нагріванні тіло отримує кількість теплоти, а при нагріванні – віддає.
Кількість теплоти— енергія, яку отримує або втрачає тіло під час теплопередачі.
Віу-віу-віу! Увага! Виявлено нове незрозуміле слово – теплопередача.
Хвилинку, давайте закінчимо з кількістю теплоти.
У процесі нагрівання та охолодження формули для кількості теплоти виглядають так:
| Нагрівання Q = cm(tкінцева – tпочаткова) Охолодження Q = cm(tпочаткова – tкінцева) Q — кількість теплоти [Дж] c — питома теплоємність речовини [Дж/кг*˚C] m — маса [кг] tкінцева — кінцева температура [˚C] tпочаткова — початкова температура [ ˚C] |
У цих формулах фігурує і зміна температури, про яку ми сказали вище, і питома теплоємність, про яку йдеться далі.
А тепер поговоримо про види теплопередачі.
Види теплопередачі
Теплопередача — процес передачі теплоти (обміну енергією).
Тут все зовсім нескладно, видів всього три: теплопровідність, конвекція та випромінювання.
Теплопровідність
Той вид теплопередачі, який можна охарактеризувати, як здатність тіл проводити енергію від більш нагрітого тіла до менш нагрітого.
Ідеться про те, щоб передати тепло за допомогою дотику. Зізнайтеся, грілися колись біля батареї. Якщо ви сиділи до неї впритул, то ви зігрілися завдяки теплопровідності. Обійматися з котиком, у якого гаряче пузо теж ефективно.
Іноді ми трохи переборщуємо з можливостями цього ефекту, коли на пляжі лягаємо на гарячий пісок. Ефект є тільки не дуже приємний. Ну а крижана грілка на лобі дає зворотний ефект – ваше чоло віддає тепло грілці.
Конвекція
Коли ми говорили про теплопровідність, ми наводили як приклад батарею. Теплопровідність – це коли ми отримуємо тепло, торкнувшись батареї. Але всі речі в кімнаті батареї не торкаються, а кімната гріється. Тут вступає конвекція.
Справа в тому, що холодне повітря важче за гаряче (холодне просто щільніше). Коли батарея нагріває певний об’єм повітря, він відразу піднімається нагору, проходить вздовж стелі, встигає охолонути і спуститися назад вниз – до батареї, де знову нагрівається. Таким чином, вся кімната рівномірно прогрівається, тому що все більш гарячі потоки змінюють менш холодні.
Випромінювання
Пляж ми вже згадували, але йшлося тільки про гарячий пісочок. А ось тепло від сонечка – це випромінювання. У цьому випадку тепло передається через хвилі.
Якщо ми гріємось біля каміна, то отримуємо тепло конвекцією чи випромінюванням?
Обома способами. Те тепло, яке ми відчуваємо безпосередньо від каміна (коли обличч. гаряче, якщо ви розташувалися надто близько до каміна) – це випромінювання. А ось прогрівання кімнати в цілому – це конвекція.
Питома теплоємність: поняття та формула для розрахунку
Формули кількості теплоти для нагрівання та охолодження ми вже розбирали, але давайте ще раз:
| Нагрівання Q = cm(tкінцева – tпочаткова) Охолодження Q = cm(tпочаткова – tкінцева) Q — кількість теплоти [Дж] c — питома теплоємність речовини [Дж/кг*˚C] m — маса [кг] tкінцева — кінцева температура [˚C] tпочаткова — початкова температура [ ˚C] |
У цих формулах фігурує така величина, як питома теплоємність. По суті, це здатність матеріалу отримувати або віддавати тепло.
З точки зору математики питома теплоємність речовини – це кількість теплоти, яку треба до нього підвести, щоб змінити температуру 1 кг речовини на 1 градус Цельсія:
| Питома теплоємність речовини c= Q/m(tкінцева – tпочаткова) Q — кількість теплоти [Дж] c — питома теплоємність речовини [Дж/кг*˚C] m — маса [кг] tкінцева— кінцева температура [˚C] tпочаткова — початкова температура [˚C] |
Також її можна розрахувати через теплоємність речовини:
| Питома теплоємність речовини c= C/m c — питома теплоємність речовини [Дж/кг*˚C] C — теплоємність речовини [Дж/˚C] m — маса [кг] |
Величини теплоємність і питома теплоємність означають майже те саме. Відмінність в тому, що теплоємність – це здатність всьої речовини до передачі тепла. Тобто формулу кількості теплоти для нагрівання тіла можна записати в такому вигляді:
| Кількість теплоти, необхідна для нагрівання тіла Q = C(tкінцева – tпочаткова) Q — кількість теплоти [Дж] c — питома теплоємність речовини [Дж/кг*˚C] m – маса [кг] tкінцева – кінцева температура [˚C] t початкова — початкова температура [˚C] |
Таблиця питомих теплоємностей
Питома теплоємність – таблична величина. Часто її вказують за умови завдання, але за відсутності за умови — можна й треба скористатися таблицею. Нижче наведено таблицю питомих теплоємностей для деяких (багатьох) речовин.
| Гази | C, Дж/(кг·К) |
| Азот N2 | 1051 |
| Аміак NH3 | 2244 |
| Аргон Ar | 523 |
| Ацетилен C2H2 | 1683 |
| Водень H2 | 14270 |
| Повітря | 1005 |
| Гелій He | 5296 |
| Кисень O2 | 913 |
| Кріптон Kr | 251 |
| Ксенон Xe | 159 |
| Метан CH4 | 2483 |
| Неон Ne | 1038 |
| Оксид азоту N2O | 913 |
| Оксид азоту NO | 976 |
| Оксид сірки SO2 | 625 |
| Оксид вуглецю CO | 1043 |
| Пропан C3H8 | 1863 |
| Сірководень H2S | 1026 |
| Вуглекислий газ CO2 | 837 |
| Хлор Cl | 520 |
| Етан C2H6 | 1729 |
| Етилен C2H4 | 1528 |
| Метали та сплави | C, Дж/(кг·К) |
| Алюміній Al | 897 |
| Бронза алюмінієва | 420 |
| Бронза олов’яниста | 380 |
| Вольфрам W | 134 |
| Дюралюміній | 880 |
| Залізо Fe | 452 |
| Золото Au | 129 |
| Константан | 410 |
| Латунь | 378 |
| Манганін | 420 |
| Медь Cu | 383 |
| Нікель Ni | 443 |
| Ніхром | 460 |
| Олово Sn | 228 |
| Платина Pt | 133 |
| Ртуть Hg | 139 |
| Свинець Pb | 128 |
| Срібло Ag | 235 |
| Сталь стрижнева арматурна | 482 |
| Сталь вуглецева | 468 |
| Сталь хромиста | 460 |
| Титан Ti | 520 |
| Уран U | 116 |
| Цинк Zn | 385 |
| Чавун білий | 540 |
| Чугун сірий | 470 |
| Рідини | Cp, Дж/(кг·К) |
| Азотна кислота (100%-на) NH3 | 1720 |
| Бензин | 2090 |
| Вода | 4182 |
| Вода морська | 3936 |
| Водний розчин хлориду натрію (25%-ний) | 3300 |
| Гліцерин | 2430 |
| Керосин | 2085… 2220 |
| Олія соняшникова рафінована | 1775 |
| Молоко | 3906 |
| Нафта | 2100 |
| Парафін рідкий (при 50С) | 3000 |
| Сірна кислота (100%-на) H2SO4 | 1380 |
| Скипидар | 1800 |
| Спирт метиловий (метанол) | 2470 |
| Спирт етиловий (етанол) | 2470 |
| Паливо дизельне (солярка) | 2010 |
Завдання
Яка тверда речовина масою 2 кг можна нагріти на 10 ˚C, повідомивши йому кількість теплоти, що дорівнює 7560 Дж?
Рішення:
Використовуємо формулу для знаходження питомої теплоємності речовини:
c= Q/m(tкінцева – tпочаткова)
Підставимо значення з умови завдання:
c= 7560/2*10 = 7560/20 = 378 Дж/кг*˚C
Дивимося в таблицю питомих теплоємностей для металів і знаходимо потрібне значення.
Відповідь: латунь
