Фізика. 8 клас. Пістун

§ 8. Кількість теплоти. Питома теплоємність речовини

  • Що називають теплообміном?
  • Які існують види теплообміну?

1. Ви знаєте, що можливі два способи зміни внутрішньої енергії тіла: здійснення роботи і теплообмін. Виникає питання: яка величина характеризує зміну внутрішньої енергії тіла при теплообміні, є його мірою? Цю величину називають кількістю теплоти.

Кількістю теплоти називають фізичну величину, значення якої дорівнює зміні внутрішньої енергії тіла в процесі теплообміну без здійснення роботи.

Кількість теплоти позначають літерою Q. Одиницею кількості теплоти, як і будь-якого виду енергії, є джоуль (1 Дж).

При передачі тілу деякої кількості теплоти без здійснення роботи його внутрішня енергія збільшується; якщо тіло віддає певну кількість теплоти, то його внутрішня енергія зменшується.

2. З’ясуємо, від чого залежить кількість теплоти.

Якщо взяти дві однакові посудини, в одну з них налити 200 г води, а в іншу 800 г при одній і тій же температурі й поставити їх на однакові нагрівачі, то раніше закипить вода в першій посудині. Таким чином, чим більша маса тіла, тим більша кількість теплоти потрібна йому для нагрівання. При охолодженні тіло з більшою масою віддає більшу кількість теплоти. Зрозуміло, що в даному випадку мова йде про тіла з одної і тої ж речовини і нагріваються вони або охолоджуються на одну і ту ж кількість градусів.

Отже, кількість теплоти, необхідна для нагрівання тіла, пропорційна його масі:

Q ~ m.

3. Тепер припустимо, що ми будемо нагрівати на однакових нагрівачах в одній посудині 200 г води від 20 °С до 50 °С, тобто на 30 °С, а в іншій такій же посудині 200 г води від 20 °С до 100 °С, тобто на 80 °С. В першому випадку на нагрівання піде менше часу, ніж у другому. Отже, кількість теплоти, яку ми витратимо на нагрівання води на 30 °С, менша, ніж кількість теплоти, необхідної для нагрівання води на 80 °С. Таким чином, кількість теплоти прямо пропорційна зміні температури.

У даному випадку кінцева температура t2 більша за початкову температуру тому зміна температури дорівнює t2 - t1.

Тоді

Q ~ (t2 - t1).

При охолодженні тіла кінцева температура t2 менша від початкової температури t1, тому зміна температури дорівнюватиме t1 - t2.

4. Наллємо в одну посудину 200 г води. В іншу таку саму посудину наллємо трохи води і покладемо в неї таке металеве тіло, щоб загальна маса тіла і води дорівнювала 200 г. Переконаємося, що початкова температура в обох посудинах однакова. Будемо нагрівати посудини на однакових нагрівачах. Через деякий час виміряємо температуру. У посудині, в якій знаходиться тільки вода, температура буде нижча, ніж в тій, де були вода і металеве тіло. Отже, щоб температура вмісту в обох посудинах була однаковою, воді потрібно передати більшу кількість теплоти, ніж воді і металевому тілу. Таким чином, кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання тіла, залежить від роду речовини, з якого це тіло зроблено.

Таким чином, щоб розрахувати кількість теплоти Q, необхідну для нагрівання тіла з масою m від температури t1 до температури t2, потрібно масу тіла помножити на різницю кінцевої і початкової температур і на коефіцієнт пропорційності с, що визначається родом речовини з якої складається тіло.

5. Залежність кількості теплоти, необхідної для нагрівання тіла, від роду речовини характеризується фізичною величиною, що називається питомою теплоємністю речовини.

Питомою теплоємністю речовини називають фізичну величину, яка дорівнює кількості теплоти, яку необхідно надати тілу з масою 1 кг для нагрівання його на 1 °С.

Таку ж кількість теплоти тіло з масою 1 кг віддає при охолодженні на 1 °С.

Питома теплоємність позначається літерою с. Одиницею питомої теплоємності є

Значення питомої теплоємності речовин визначають експериментально. Деякі з них наведено в таблиці 4. Рідини мають більшу питому теплоємність, ніж метали; найбільшу питому теплоємність має вода, найменшу питому теплоємність з наведених у таблиці 4 речовин має золото.

Питома теплоємність води дорівнює

Це означає, що для нагрівання 1 кг води на 1 °С необхідною є кількість теплоти, яка дорівнює 4200 Дж. При охолодженні 1 кг води на 1 °С виділиться кількість теплоти, що дорівнює 4200 Дж.

Оскільки кількість теплоти дорівнює зміні внутрішньої енергії тіла, то можна сказати, що питома теплоємність показує, на скільки змінюється внутрішня енергія речовини з масою 1 кг при зміні її температури на 1 °С. Зокрема, внутрішня енергія 1 кг води при її нагріванні на 1 °С збільшується на 4200 Дж, а при охолодженні на 1 °С — зменшується на 4200 Дж.

Таблиця 4

6. Приклад розв’язування задачі.

Щоб нагріти металеву кульку з масою 110 г на 94 °С, потрібно 9,5 кДж енергії. Визначте матеріал, з якого виготовлена кулька, та його питому теплоємність.

При розв’язуванні задачі необхідно виконувати наступну послідовність дій: 1) проаналізувати умову задачі, визначити відомі величини та знайти невідому величину; 2) записати коротко умову задачі в систематизованому вигляді та перевести значення величин в СІ; 3) вибудувати математичну модель фізичної задачі, записати рівняння, що відповідають фізичній моделі задачі; 4) врахувати конкретні умови фізичної ситуації, описаної в задачі; 5) привести загальні рівняння до конкретних умов, відтворених в умові задачі, записати у формі рівняння співвідношення між невідомими і відомими величинами; 6) перевірити одиниці шуканої величини та чисельно розв’язати рівняння відносно невідомої величини; 7) записати та проаналізувати отриману відповідь.

Розв’язання.

У задачі сказано, що металеву кульку нагрівають. У даному випадку будемо вважати, що теплообміном з навколишнім середовищем можна знехтувати. Кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання

кульки, залежить від матеріалу, з якого вона виготовлена. Знаючи питому теплоємність матеріалу кульки, можна визначити, який це метал.

Кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання кульки, визначається за формулою

Q = cm(t2 - t1),

де (t2 - t1) = Δt.

Тоді питома теплоємність матеріалу кульки:

Перевіримо одиниці шуканої величини:

Знайдемо числове значення шуканої величини:

За таблицею 4 визначаємо матеріал з якого виготовлена кулька. Це — алюміній.

Відповідь. Кулька виготовлена з алюмінію, питома теплоємність якого дорівнює

Запитання для самоперевірки

  • 1. Яку фізичну величину називають кількістю теплоти?
  • 2. Яка одиниця кількості теплоти?
  • 3. Від яких величин залежить кількість теплоти, яка передається тілу при нагріванні?
  • 4. Тілу при нагріванні передано кількість теплоти 100 Дж. Як змінилася при цьому його внутрішня енергія? Яку кількість теплоти віддасть це тіло, якщо при охолодженні його температура зміниться на стільки ж градусів, що і при нагріванні? Як при охолодженні зміниться його внутрішня енергія?
  • 5. Яку фізичну величину називають питомою теплоємністю речовини?
  • 6. Порівняйте питому теплоємність сталі та алюмінію. Порівняйте кількість теплоти, яку необхідно затратити для нагрівання сталевої і алюмінієвої деталей із однаковою масою при однаковій зміні температури.

Завдання 8

  • 1. Чому в радіаторах водяного опалення використовується вода?
  • 2. Представте графічно значення питомих теплоємностей срібла, міді, сталі, графіту та алюмінію у вигляді стовпчастої діаграми.
  • 3. Яку кількість теплоти необхідно надати 5 л води при нагріванні її від кімнатної температури (20 °С) до кипіння (100 °С)?
  • 4. Чому дорівнює питома теплоємність срібла, якщо при охолодженні срібної ложки з масою 50 г від 80 °С до 30 °С виділилася кількість теплоти, що дорівнює 625 Дж?
  • 5. Чому дорівнює маса шматка міді, якщо на його нагрівання від 10 °С до 210 °С було витрачено кількість теплоти, рівну 16000 кДж?
  • 6*. На яку висоту можна підняти воду, затративши таку ж енергію, яка необхідна для нагрівання цієї води на 1 °С?
  • 7*. Маса води, налитої у сталеву каструлю, вдвічі менша від маси каструлі. Каструлю ставлять на вогонь. На що витрачається більше енергії: на нагрівання каструлі чи води? У скільки разів більше?
  • 8. Порівняйте на дотик температуру дерев’яного й залізного тіл з однаковими масами до занурення в теплу воду і після. Поясніть причину відчуття різної температури в обох випадках.

Робота з комп’ютером

Вивчіть матеріал уроку і виконайте запропоноване в електронному додатку завдання.