Тепловая энергия: единицы измерения и их правильное использование. Количество теплоты, удельная теплоемкость Единица измерения количества теплоты системе си
Что быстрее нагреется на плите - чайник или ведро воды? Ответ очевиден - чайник. Тогда второй вопрос - почему?
Ответ не менее очевиден - потому что масса воды в чайнике меньше. Отлично. А теперь вы можете проделать самостоятельно самый настоящий физический опыт в домашних условиях. Для этого вам понадобится две одинаковые небольшие кастрюльки, равное количество воды и растительного масла, например, по пол-литра и плита. На одинаковый огонь ставите кастрюльки с маслом и водой. А теперь просто наблюдайте, что быстрее будет нагреваться. Если есть градусник для жидкостей, можно применить его, если нет, можно просто пробовать температуру время от времени пальцем, только осторожно, чтобы не обжечься. В любом случае вы вскоре убедитесь, что масло нагревается значительно быстрее воды. И еще один вопросик, который тоже можно реализовать в виде опыта. Что быстрее закипит - теплая вода или холодная? Все снова очевидно - теплая будет на финише первой. К чему все эти странные вопросы и опыты? К тому, чтобы определить физическую величину, называемую «количеством теплоты».
Количество теплоты
Количество теплоты - это энергия, которую тело теряет или приобретает при теплопередаче. Это понятно и из названия. При остывании тело будет терять некое количество теплоты, а при нагревании - поглощать. А ответы на наши вопросы показали нам, от чего зависит количество теплоты? Во-первых, чем больше масса тела, тем большее количество теплоты надо затратить на изменение его температуры на один градус. Во-вторых, количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от того вещества, из которого оно состоит, то есть от рода вещества. И в-третьих, разность температур тела до и после теплопередачи также важна для наших расчетов. Исходя из всего вышесказанного, мы можем определить количество теплоты формулой:
где Q - количество теплоты,
m - масса тела,
(t_2-t_1) - разность между начальной и конечной температурами тела,
c - удельная теплоемкость вещества, находится из соответствующих таблиц.
По этой формуле можно произвести расчет количества теплоты, которое необходимо, чтобы нагреть любое тело или которое это тело выделит при остывании.
Измеряется количество теплоты в джоулях (1 Дж), как и всякий вид энергии. Однако, величину эту ввели не так давно, а измерять количество теплоты люди начали намного раньше. И пользовались они единицей, которая широко используется и в наше время - калория (1 кал). 1 калория - это такое количество теплоты, которое потребуется для нагреванияь 1 грамма воды на 1 градус Цельсия. Руководствуясь этими данными, любители подсчитывать калории в съедаемой пище, могут ради интереса подсчитать, сколько литров воды можно вскипятить той энергией, которую они потребляют с едой в течение дня.
§ 1 Количество теплоты
Включим в холодном помещении электрообогреватель, и температура воздуха начинает повышаться. Или после зимней прогулки возвращаемся в теплый дом и ощущаем тепло. Названные примеры относят к теплообмену.
Теплообмен - это явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому телу без совершения механической работы. В процессе теплообмена энергия или, как говорят, теплота поступает (нагревание комнаты электрообогревателем) или выделяется в окружающую среду (остывание горячей воды в чаше).
К примеру, чтобы согреть помещение или охладить устройство, защитить механизм от перегрева, необходимо выполнить расчеты, а значит, ввести параметр, с помощью которого удастся быстро и эффективно сосчитать количество поступающей или выделяющейся теплоты.
Количество теплоты- это энергия, передающаяся от одного тела к другому при теплообмене.
Вы видите калориметр - прибор для измерения количества теплоты. Простейший калориметр состоит из двух стаканов: внутреннего алюминиевого и внешнего пластмассового, которые разделены воздушным промежутком.
Как его применяют на практике? Во внутренний стакан нальём 200 г воды. Измерим её температуру: 20 °С. Погрузим в воду горячее тело - металлический цилиндрик.
Внутри калориметра начнётся теплообмен, и некоторое количество теплоты перейдёт от цилиндрика к воде, в результате чего её температура повысится и станет равной 60 °С. Можно вычислить изменение температуры, тем самым узнаем, на сколько градусов повысилась температура воды в калориметре:
Известно, что масса воды 200 г, инженер-теплотехник объяснит, что вода получила 200 г · 40 °С = 4000 калорий теплоты, но в физике количество теплоты измеряют джоулями. Формула выглядит следующим образом:
количество теплоты равно произведению удельной теплоемкости вещества на массу взятого вещества и на его изменение температуры, где
В этой формуле появилась физическая величина - удельная теплоемкость.
Удельная теплоёмкость вещества - физическая скалярная величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо для изменения температуры 1(одного) кг этого вещества на 1 °С.
Эта величина является табличной.
Удельные теплоёмкости всех веществ измерены и занесены в специальные таблицы. Например, для воды в жидком состоянии с = 4200 Дж/(кг°С). Физический смысл показывает, что для нагревания 1 кг воды на 1 °С потребуется 4200 Дж теплоты. Иначе: каждый килограмм воды остывает на 1 °С, отдавая окружающим телам 4200 Дж тепловой энергии. Возвращаясь к нашему примеру, так как внутри калориметра находится вода, то воспользуемся данными таблицы и запишем ее значение: с = 4200 Дж/(кг°С)
Воспользуемся выше указанной формулой и сосчитаем количество теплоты, которое получила вода в джоулях:
§ 2 Единицы измерения количества теплоты
Для удобства и специфики работы используют внесистемные единицы количества теплоты - калории.
Калория - это количество тепла, необходимое для нагрева 1 г воды на 1 °С (от 19,5 до 20,5 °С).
Или используют:
1кДж = 1000Дж
1МДж = 1000000Дж
Данную формулу применяют не только в том случае, когда вещество нагревается, но и когда отдает тепло при охлаждении.
Калориметрические измерения показывают, что теплообмен всегда протекает так, что убывание внутренней энергии одних тел всегда сопровождается таким же поступлением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене. Это одно из проявлений закона сохранения и превращения энергии.
Для расчета количества теплоты применяют формулу, связывающую удельную теплоемкость вещества, массу тела и изменение температуры, которую используют для расчета при нагревании и при охлаждении вещества. Единица измерения количества теплоты в системе СИ - джоуль. Также выяснили табличную величину для разных веществ - удельная теплоемкость
Список использованной литературы:
- Физика. 8 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений/А.В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2010.
- Физика 7-9 Учебник И.В. Кривченко.
- Физика Справочник. О.Ф. Кабардин. – М.: АСТ-ПРЕСС, 2010.
Использованные изображения:
Тепловая энергия - это система измерения теплоты, которая была изобретена и используется еще два столетия назад. Основным правилом работы с данной величиной было то, что тепловая энергия сохраняется и не может просто исчезнуть, но может перейти в другой вид энергии.
Существует несколько общепринятых единиц измерения тепловой энергии . В основном их используют в промышленных отраслях, таких как . Внизу описаны самые распространенные из них:
Любая единица измерения, входящая в систему СИ, имеет предназначение в определении суммарного количества того или иного вида энергии, такого как выделения тепла или электроэнергия. Время проведения измерения и количество не влияют на эти величины, почему можно их использовать как для потребляемой, так и для уже потребленной энергии. Кроме того, любая передача и прием, а также потери тоже исчисляются в таких величинах.
Где применяют единицы измерения тепловой энергии
Единицы измерения энергии, переведенные в тепловую
Для наглядного примера ниже приведены сравнения различных популярных показателей СИ с тепловой энергией:
- 1 ГДж равен 0,24 Гкал, что в электрическом эквиваленте равняется 3400 миллионов кВт на час. В эквиваленте тепловой энергии 1 ГДж = 0,44 тонны пара;
- В то же время 1 Гкал = 4,1868 ГДж = 16000 млн. кВт на час = 1,9 тонн пара;
- 1 тонна пара равняется 2,3 ГДж = 0,6 Гкал = 8200 кВт на час.
В данном примере приводимая величина пара принята за испарение воды при достижении 100°С.
Чтобы провести расчеты количества тепла, используется следующий принцип: для получения данных о количестве тепла его используют в нагревании жидкости, после чего масса воды умножается на пророщенную температуру. Если в СИ масса жидкости измеряется килограммами, а температурные перепады в градусах Цельсия, то результатом таких расчетов будет количество теплоты в килокалориях.
Если есть необходимость в передаче тепловой энергии от одного физического тела другому, и вы хотите узнать возможные потери, то стоит массу получаемого тепла вещества умножить на температуру повышения, а после узнать произведение получаемого значения на «удельную теплоемкость» вещества.
Определение
Количеством теплоты или просто теплотой ($Q$) называют внутреннюю энергию, которая без совершения работы передается от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой в процессах теплопроводности или лучеиспускания.
Джоуль - единица измерения количества теплоты в системе СИ
Единицу количества теплоты можно получить из первого начала термодинамики:
\[\Delta Q=A+\Delta U\ \left(1\right),\]
где $A$ - работа термодинамической системы; $\Delta U$ - изменение внутренней энергии системы; $\Delta Q$ - количество теплоты, подводимое к системе.
Из закона (1), а тем более из его варианта для изотермического процесса:
\[\Delta Q=A\ \left(2\right).\]
очевидно, что в Международной системе единиц (СИ) джоуль (Дж) - единица измерения энергии и работы.
Через основные единицы джоуль легко выразить, если использовать определение энергии ($E$) вида:
где $c$ - скорость света; $m$ - масса тела. Исходя из выражения (2), имеем:
\[\left=\left=кг\cdot {\left(\frac{м}{с}\right)}^2=\frac{кг\cdot м^2}{с^2}.\]
С джоулем используют все стандартные приставки системы СИ, обозначающие десятичные дольные и кратные единицы. Например, $1кДж={10}^3Дж$; 1МДж =${10}^6Дж$; 1 ГДж=${10}^9Дж$.
Эрг - единица измерения количества теплоты в системе СГС
В системе СГС (сантиметр, грамм, секунда) теплота измеряется в эргах (эрг). При этом одни эрг равен:
Принимая во внимание то, что:
получаем соотношение между джоулем и эргом:
Калория - единица измерения количества теплоты
В качестве внесистемной единицы измерения количества теплоты используется калория. Одна калория равна количеству теплоты, которое следует передать воде массой один килограмм, чтобы нагреть ее на один градус Цельсия. Соотношение между джоулем и калорией следующее:
Если говорить точнее, то различают:
- Международную калорию, она равна: \
- термохимическую калорию: \
- 15-градусная калория, используемая для термических измерений: \
Часто калории используют с десятичными приставками, такими как: ккал (килокалория) $1ккал={10}^3кал$; Мкал (мегакалория) 1Мкал =${10}^6кал$; Гкал (гигакалория) 1 Гкал=${10}^9кал$.
Иногда килокалорию называют большой калорией или килограмм-калорией.
Примеры задач с решением
Пример 1
Задание. Какое количество теплоты поглощает водород массой $m=0,2$кг при его нагревании от $t_1=0{\rm{}^\circ\!C}$ до $t_2=100{\rm{}^\circ\!C}$ при неизменном давлении? Запишите ответ в килоджоулях.
Решение. Запишем первое начало термодинамики:
\[\Delta Q=A+\Delta U\ \left(1.1\right).\]
\[\Delta U=\frac{i}{2}\frac{m}{\mu }R\Delta T\ \left(1.2\right),\]
где $i=5$ - число степеней свободы молекулы водорода; $\mu =2\cdot {10}^{-3}\frac{кг}{моль}$; $R=8,31\ \frac{Дж}{моль\cdot К}$; $\Delta T=t_2-t_1$. По условию мы имеем дело с изобарным процессом. Работа в изобарном процессе равна:
Учитывая выражения (1.2) и (1.3) преобразуем первое начало термодинамики для изобарного процесса к виду:
\[\Delta Q=\frac{m}{\mu }R\Delta T\ +\frac{i}{2}\frac{m}{\mu }R\Delta T=\frac{m}{\mu }R\Delta T\left(1+\frac{i}{2}\right)\ \left(1.4\right).\]
Проверим, в каких единицах измеряется теплота, если ее вычислить по формуле (1.4):
\[\left[\Delta Q\right]=\left[\frac{m}{\mu }R\Delta T\left(1+\frac{i}{2}\right)\right]=\left[\frac{m}{\mu }R\Delta T\right]=\frac{\left}{\left[\mu \right]}\left\left[\Delta T\right]=\frac{кг}{кг/моль}\cdot \frac{Дж}{моль\cdot К}\cdot К=Дж.\]
Проведем вычисления:
\[\Delta Q=\frac{0,2}{2 {10}^{-3}}\cdot 8,31\cdot 100\left(1+\frac{5}{2}\right)\approx 291\cdot {10}^3\left(Дж\right)=291\ \left(кДж\right).\]
Ответ. $\Delta Q=291\ $ кДж
Пример 2
Задание. Гелий, имеющий массу $m=1\ г$ нагрели на 100 К в процессе, изображенном на рис.1. Какое количество теплоты передано газу? Ответ запишите в единицах системы СГС.
Решение. На рисунке 1 изображен изохорный процесс. Для такого процесса первое начало термодинамики запишем как:
\[\Delta Q=\Delta U\ \left(2.1\right).\]
Изменение внутренней энергии найдем как:
\[\Delta U=\frac{i}{2}\frac{m}{\mu }R\Delta T\ \left(2.2\right),\]
где $i=3$ - число степеней свободы молекулы гелия; $\mu =4\frac{г}{моль}$; $R=8,31\cdot {10}^7\ \frac{эрг}{моль\cdot К}$; $\Delta T=100\ К.$ Все величины записаны в СГС. Проведем вычисления:
\[\Delta Q=\frac{3}{2}\cdot \frac{1}{4}\cdot 8,31\cdot {10}^7\cdot 100\approx 3\cdot {10}^9(эрг)\ \]
Ответ. $\Delta Q=3\cdot {10}^9$ эрг
Как мы уже знаем, внутренняя энергия тела может изменяться как при совершении работы, так и при помощи теплопередачи (не совершая работу). Главное различие между работой и количеством теплоты заключается в том, что работа определяет процесс преобразования внутренней энергии системы, который сопровождается трансформацией энергии из одного вида в другой.
В том случае, если изменение внутренней энергии протекает с помощью теплопередачи , переход энергии из одного тела в другое осуществляется за счет теплопроводности , излучения, либо конвекции .
Энергия, которую тело теряет или получает во время теплопередачи, называется количеством теплоты.
При вычислении количества теплоты, необходимо знать, какие величины влияют на него.
От двух одинаковых горелок будем нагревать два сосуда. В одном сосуде 1 кг воды, в другом – 2 кг. Температура воды в двух сосудах изначально одинакова. Мы можем видеть, что за одно и тоже время вода в одном из сосудов нагревается быстрее, хотя оба сосуда получают равное количество теплоты.
Таким образом, делаем вывод: чем больше масса данного тела, тем большее количество теплоты следует затратить, для того чтобы понизить, или повысить его температуру на такое же количество градусов.
Когда тело остывает, оно отдает соседним предметам тем большее количество теплоты, чем больше его масса.
Мы все знаем, что если нужно нагреть полный чайник воды до температуры 50°C, мы затратим меньше времени на это действие, чем для нагревания чайника с тем же объемом воды, но только до 100 °C. В случае номер один воде будет отдано меньшее количество теплоты, нежели во втором.
Таким образом, количество теплоты, требуемое для нагревания, напрямую зависит от того, на сколько градусов сможет нагреться тело. Можно сделать вывод: количество теплоты напрямую зависит от разности температур тела.
Но возможно ли определить количество теплоты, требуемой не для нагревания воды, а какого-нибудь другого вещества, допустим, масла, свинца или железа.
Наполним один сосуд водой, а другой наполним растительным маслом. Массы воды и масла равные. Оба сосуда будем равномерно подогревать на одинаковых горелках. Начнем опыт при равной начальной температуре растительного масла и воды. Через пять минут, измерив температуры нагревшихся масла и воды, мы заметим, что температура масла намного выше температуры воды, хотя обе жидкости получали одинаковое количество тепла.
Напрашивается очевидный вывод: при нагревании равных масс масла и воды при одинаковой температуре нужно разное количество теплоты.
И мы тут же делаем еще одни вывод: количество теплоты, которое требуется для нагревания тела, напрямую зависит от вещества, из которого состоит само тело (рода вещества).
Таким образом, количество теплоты, нужное для нагревания тела (либо выделяемое при остывании), напрямую зависит от массы данного тела, вариативности его температуры, а также рода вещества.
Количество теплоты обозначают символом Q. Как и другие различные виды энергии, количество теплоты измеряется в джоулях (Дж) либо в килоджоулях (кДж).
1 кДж = 1000 Дж
Однако история показывает, что ученые стали измерять количество теплоты задолго того, как в физике появилось такое понятие как энергия. В то время, была выведена специальная единица для измерения количества теплоты – калория (кал) либо килокалория (ккал). Слово имеет латинские корни, калор – жара.
1 ккал = 1000 кал
Калория – это то количество теплоты, которое нужно для нагревания 1 г воды на 1°C
1 кал = 4,19 Дж ≈ 4,2 Дж
1 ккал = 4190 Дж ≈ 4200 Дж ≈ 4,2 кДж
Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!
blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.