Количество теплоты в джоулях: Количество теплоты (в джоулях), полученное однородным телом

Перевод количества теплоты из калорий в джоули

Калория, кал Калория, кал
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Джоули (Дж)
0 0 4,2 8,4 12,6 16,7 20,9 25,1 29,3 33,5 37,7
10 41,9 46,1 50,2 54,4 58,6 62,8 67,0 71,2 75,4 79,5
20 83,7 87,9 92,1 96,3 100,5 104,7 108,9 113,0 117,2 121,4
30 125,6 129,8 134,0 138,1 142,4 146,6 150,7 154,9 159,1 163,3
40 157,5 171,7 175,8 180,0 184,2 188,4 192,6 196,8 201,0 205,2
50 209,3 213,5 217,7 221,9 226,1 230,3 234,5 238,7 242,8 247,0
60 251,2 255,4 259,6 263,8 268,0 272,1 276,3 280,5 284,7
288,9
70 293,1 297,3 301,4 305,6 309,8 314,0 318,2 322,4 326,6 370,8
80 334,9 339,1 343,3 347,5 351,5 355,9 360,1 364,3 368,4 372,6
90 376,8 381,0 385,2 389,4 393,6 397,7 401,9 406,1 410,3 414,5

Пример: 8555 кал = 8000 кал + 500 кал + 55 кал = 33 490 Дж + 2093 Дж + 230,3 Дж = 35 813,3 Дж. Чтобы перевести количество тепла, выраженное в килокалориях, в джоули, следует величины, получающиеся по таблице, умножить на 1000.

Количества теплоты, единицы измерения — Справочник химика 21

    Количество теплоты, подводимой (или отводимой) к произвольной массе вещества, обозначают Qt, а удельное количество теплоты, отнесенное к единице массы вещества, — (/. Теплоту в системе СИ измеряют в джоулях (Дж), килоджоулях (кДж) допускаются и такие единицы измерения, как калория и килокалория (ккал). 
[c.25]

    Теплоемкость. Для измерения количества теплоты, подводимой к га у (или отводимой от него), надо знать удельную теплоемкость газа. Удельной теплоемкостью (или просто теплоемкостью) называется количество теплоты, которое необходимо подвести к единице количества вещества (или отвести от него), чтобы повысить (или понизить) его температуру на один градус. [c.25]


    Единицами измерения количества теплоты служат джоуль и калория (ГОСТ 8550—57). В практике расчетов необходимо различать малые калории (кал) и большие калории, или килокалории (ккал). Одна малая калория представляет собой количество тепла, которое необходимо для нагревания 1 г, а ккал — 1 кг воды на 1 (с 19,5 до 20,5° С) при нормальном атмосферном давлении. 
[c.21]

    Необходимо условиться относительно единицы измерения количества теплоты. В настоящее время за единицу количества теплоты принят джоуль, который равен работе, производимой силой в 1 ньютон при перемещении точки ее приложения на 1 -метр по направлению этой силы. С другой стороны, джоуль можно охарактеризовать как работу, совершаемую электрическим током мощностью в 1 ватт в течение 1 с. Наконец, следует отметить, еще одно определение джоуля, связанное непосредственно с представлением о количестве теплоты. Джоуль — это такое количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1/4,186 г воды на ГС в интервале температур от 14,65 до 15,65°С. Последнее определение иллюстрирует взаимосвязь джоуля с калорией, которая в настоящее время для определения количества теплоты не рекомендуется. Следовательно, единицей теплоемкости для принятой единицы количества вещества является Дж/К. 

[c.29]

    В данной книге в качестве единицы измерения теплоты используется только джоуль, однако следует знать и о калории, поскольку в старой литературе повсеместно используется именно калория. Калория приблизительно вчетверо больше джоуля 1 кал = 4,184 Дж. Теплоты реакций для молярных количеств веществ обычно имеют порядок килоджоулей (кДж) или килокалорий (ккал) 1 кДж = 1000 Дж и 1 ккал = 1000 кал. [c.89]

    Теперь необходимо рассмотреть, какие виды подобия, кроме геометрического, встречаются в системах, используемых в химической технологии. В гл. 6 подробно рассматривались уравнения, описываюш ие элемент процесса, причем было получено три уравнения для потока компонента, теплоты (энтальпии) и импульса (количества движения). Каждое такое уравнение имело пять составляющих I — для конвективного потока II — для основного потока III — для переходящего потока IV — для источников V — для локальных изменений. В случае стационарных установившихся систем составляющая V равна нулю. В дальнейшем ограничимся рассмотрением только тех систем, в которых принимаются во внимание лишь четыре составляющие (с I по IV). Полученные в предыдущей главе уравнения (6-49) и (6-50) размерно однородны. Это значит, что размерности всех членов этих уравнений одинаковы и принадлежат к одной системе единиц измерения. Если мы рассмотрим не отдельные составляющие указанных уравнений, а их значения, отнесенные к какой-либо одной выбранной составляющей, то получим аналогичные (7-5) безразмерные величины, которые будут представлять собой отношения нескольких параметров. 

[c.78]


    Джоуль является очень удобной единицей измерения теплоты, так как с его помощью легко понять связь между теплотой, работой-и энергией. До введения системы СИ в химии было принято пользоваться в качестве единицы измерения теплоты калорией. Одна калория (кал) определяется как количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 г чистой воды на 1″С (точнее от 14,5 до 15,5″»С). Это определение основано на измерениях теплоты и непосредственно не связано с работой. Дело в том, что калория была введена в XIX столетии, когда еще не было известно, что теплота и работа являются различными формами энергии. 
[c.88]

    Сравнение этих двух величин, измеренных в соответствующих единицах (с учетом ряда поправок), показывает постоянное отношение между ними, не зависящее от величины груза, размеров калориметра и конкретных количеств теплоты и работы в разных опытах. [c.29]

    Поскольку одно и тоже изменение состояния (определяемое измерением таких свойств системы, как температура, давление и объем) можно получить, совершая над системой работу или сообщая ей теплоту, количество теплоты q может быть выражено в механических единицах. В опытах, подобных опыту Джоуля, найдено, что затрата 4,184 Дж работы производит такое же изменение состояния, как и 1 кал теплоты, полученная системой извне. 

[c.18]

    Традиционной единицей измерения теплоты, работы и энергии является калория, которая вводится эмпирически как количество теплоты, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на один градус Кельвина (в системе СИ просто на 1 кельвин). Хотя, согласно термодинамике, теплота, энергия и работа эквивалентные величины, единица их измерения-калория-не связана очевидным образом с массой и ускорением. Такой выбор единиц затрудняет понимание физической связи между ними. Джоуль как единица измерения теплоты гораздо удобнее в том отношении, что позволяет видеть связь между теплотой, работой и энергией уже по самому своему определению. Хотя большая часть термодинамической литературы основана на использовании калории, логическая простота определения джоуля должна в конце концов обеспечить его повсеместное использование, подобно тому как литр и метр вытеснили галлон и ярд в большинстве передовых стран мира. 

[c.443]

    Единицей измерения количества теплоты, внутренней энергии, работы и других энергетических величин в системе СИ является Дж или Дж/моль. [c.19]

    Иными словами, дифференциальной теплотой адсорбции называется тепло, выделившееся при дополнительной адсорбции малого количества адсорбтива и пересчитанное на 1 его моль. Единицами измерения дифференциальной теплоты адсорбции в соответствии с уравнением (IV,27) являются кал/моль (адсорбтива). [c.107]

    Выясним физический смысл коэффициентов в выражении (П.36). Здесь 1т — количество теплоты, которое необходимо сообщить системе для поддержания ее при постоянной температуре ири увеличении объема на единицу измерения в отсутствие химических реакций. Таким образом, 1т является теплотой изотермического расширения системы (скрытая теплота расширения). [c.38]

    Количество выделенной (или поглощенной) теплоты называют тепловым эффектом процесса . Чтобы этой величине придать полную определенность, надо условиться об ее знаке, выбрать единицы измерения, установить, к какому количеству вещества ее следует относить, и выбрать режим протекания процесса. Примем положительным тепловой эффект эндотермических процессов условимся выражать его в килокалориях (ккал). 

[c.9]

    Следует отметить, что в системах тепловых единиц СИ, МКС °К МКС °С единицей измерения количества теплоты является джоуль, а не калория между этими единицами узаконено следующее соотношение 1 межд. кал=4,1868 дж 1 межд. кк гл= 1/859,845 абс. квт. ч. Аналогично и единицей измерения теплового потока служит ватт, вместо калории в секунду. [c.578]

    В зависимости от используемой единицы измерения количества испаренного вещества теплота испарения может быть массовой, мольной и объемной. В расчетах нефтеперерабатывающей аппаратуры чаще применяют массовую и мольную теплоты иопарения. 

[c.70]

    Для измерения тепловой энергии используется условная единица, называемая калорией. Калория представляет собой количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 г воды от 14,5 до 15,5 °С. Экспериментально установлено, что 4,184 Дж механической энергии могут быть превращены в 1 кал тепловой энергии, хотя следует отметить, что обратное превращение осуществляется далеко не так просто. Несмотря на это, механический эквивалент тепловой энергии установлен достаточно точно, Для измерения больших количеств тепловой энергии используется килокалория 1 ккал = 1000 кал. [c.303]

    В 1780 г. была предложена и единица измерения теплоты, широко применяемая, несмотря на то, что не входит в СИ, и в настоящее время, — калория. Калории соответствует количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды от 14,5 до 15,5 °С. [c.309]


    Потери из-за теплопроводности при измерениях температуры в пламенах с помощью тонких термопар можно сделать незначительными, если расположить оба электрода термопары в плоскостях с одинаковой температурой. Потери тепла излучением можно определить, приравнивая этим потерям количество теплоты, передаваемой от газа к зонду [1, с. 139]. Для сферического зонда диаметра ё. находящегося при установившейся температуре Та и введенного в газ с коэффициентом теплопроводности % и температурой Тг (при Тг>Тз), количество тепла, передаваемого на единицу площади поверхности зонда, можно приближенно определить как (2Х/с1) (Гг—Та). Это справедливо для зонда, диаметр которого достаточно мал (число Рейнольдса много меньше единицы). Тепловые потери зонда излучением к стенкам при температуре стенок Гст характеризуются величиной еа(П—Т ст) (где е —степень черноты зонда, а — постоянная Стефана — Больцмана). Приравнивая выражения для этих двух тепловых потоков, можно найти погрешность в измерении температуры, возникающую вследствие излучения [c.37]

    Поскольку количество теплоты, выделяющейся при погружении в жидкость обезгаженного порошка, пропорционально смачиваемой поверхности, измерение теплоты смачивания позволяет быстро оценить относительные поверхности любых образцов из одного и того же материала. Этот метод, однако, имеет серьезные ограничения, связанные с тем, что для каждого типа твердого тела необходимо с помощью сравнения с каким-либо методом определения абсолютной поверхности находить теплоту смачивания единицы поверхности. [c.365]

    КАЛОРИЯ — единица измерения количества теплоты. Назва- [c.260]

    Стандартной единицей измерения количества теплоты в системе СИ принят джоуль (дж). Эта единица в настоящее время и служит основной во всех технических расчетах. В связи с тем, что джоуль — величина незначительная (см. табл. 2, стр. 444), в расчетной практике часто пользуются укрупненными его значениями кдж, Мдж, Гдж и т. д. [c.23]

    Примечание. В отдельных случаях ГОСТ 1550—61 временно допускается пользование и несистемной единицей измерения количества теплоты — калорией (кал) и кратным ее значением — килокалорией (ккал). За килокалорию принята величина, равная 1/840 квт-ч. Практически калория представляет собой количество тепла, необходимое для нагревания 1 г воды на 1° (с 19,5 до 20°,5 С) при нормальном атмосферном давлении. В переводе на систему СИ 1 л а- = 4,1868 дж, или 1 л л 0л=4,1868 кдж .  [c.23]

    В таблице приведены тепловые единицы измерения рекомендованной ГСК Том 8550-57 системы МКС К (МКС °С), отвечающие аналогичным единицам системы СИ. В систему включена дополнительная основная единица измерения — градус абсолютной термодинамической шкалы (градус стоградусной термодинамической шкалы). Для ее установления используется второе начало термодинамики (количество теплоты, переданное телом холодильнику, зависит только от абсолютных температур тела и холодильника) . [c.751]

    Калориметрические измерения теплот растворения полимеров весьма сложны, так как в единицу времени выделяется или поглощается очень малое количество тепла. Подобные измерения требуют точных приборов и искусства экспериментатора. Применять большие навески полимеров практически невозможно, так как, во-первых, значительно увеличивается вязкость образующихся растворов, что затрудняет их перемешивание, а, во-вторых, очень возрастает продолжительность тепловой реакции. Поэтому в большинстве исследований определяют интегральную теплоту образования растворов, в которых массовая доля полимера не превы шает 0,1. Их значения приведены в табл. 11.2. [c.316]

    Согласно определению, удельная теплопроводность Я соединения равна количеству теплоты, которое протекает через плоскую пластину толщиной 1 см и площадью 1 см за 1 с при условии, что между поверхностями пластины поддерживается разность температур 1 К. Таким образом, единица измерения удельной теплопроводности — Вт/(м-К). Теплопроводность осуществляется в результате прямой передачи энергии между молекулами без учета влияния конвекции или излучения. Согласно законам кинетической теории газов, в области температур и давлений, применяемых в газовой хроматографии, теплопроводность не зависит от давления и для всех газов существенно увеличивается с ростом температуры. [c.379]

    Терм — единица измерения больших количеств теплоты по английской системе. 1 терм равен 1 млн. британских тепловых единиц (Вtu). [c.168]

    Согласно системе СИ единицей измерения работы, энергии, количества теплоты является джоуль (дж). Применяется также кратная единица — килоджоуль (кдж) 1 кдж = ЮбО дж. Между килокалорией и килоджоулем существует соотношение 1 ккал = 4,1868 кдж. [c.25]

    Когда хотят показать энергетический эффект химической реакции, то в правой части уравнения реакции записывают количество выделенной или поглощенной теплоты в тех или иных единицах измерения. Так как в уравнении реакции формула каждого вещества выражает его количество, равное одному молю, а коэффициент при формуле — число молей этого вещества, то и величину энергии, записанную в уравнении, относят к обозначенным в уравнении количествам исходных и полученных веществ. Выделенную энергию записывают обычно со знаком плюс, а поглощенную—со знаком минус. В первом случае реакцию называют экзотермической, во втором — эндотермической. Такие уравнения, выражающие законы сохранения массы и энергии в химических реакциях, называются термохимическими. Термохимия — раздел науки о взаимных превращениях химической и тепловой энергии. Термохимическим уравнениям присущи все свойства алгебраических равенств, поэтому с ними можно производить математические действия. [c.74]

    Калория является внесистемной единицей. Она допускается к использованию лишь в виду большой трудности осуществления перехода к джоулю как единственной единице измерения количества теплоты. Определением калории в настоящее время является только соотношение ее с джоулем. Поэтому при названии и обозначении калории отсутствует указание на температуру. [c.183]

    О количестве сообщенной ледяному калориметру теплоты судят по изменению объема смеси вода — лед, находящейся при 0° С. Изменение объема измеряют по перемещению ртути в капилляре или по взвешиванию ртути, вытекающей из капилляра или втягиваемой в него. Поскольку удельный объем льда, воды и ртути и теплота плавления льда при 0° С точно известны, для ледяного калориметра можно заранее рассчитать, какое количество сообщенной калориметру теплоты вызовет определенное изменение объема или какое изменение объема будет наблюдаться при сообщении калориметру единицы количества теплоты. Эти константы не зависят от конструкции калориметра. Кроме того, изменение объема всегда будет строго пропорционально количеству теплоты. Эти соображения могут привести к мысли, что градуировка ледяного калориметра не является необходимой. Однако и для ледяного калориметра следует рекомендовать эмпирическую градуировку, так как выполнение ее позволяет, во-первых, учесть неравномерность сечения капилляра и, во-вторых, получить все отмеченные выше преимущества сравнительного метода измерений. [c.227]

    Интегральная теплота растворения полимера может быть измерена калориметрическим методом. Это достигается смешением па-вески полимера с определенным количеством низкомолекулярного компонента, находящегося в калориметрическом сосуде. При соприкосновении с растворителем по-лил1ер набухает, а затем растворяется. Процесс в целом, даже при очень малых навесках полиме-а, Продолжается от 20 до шн. Основная трудность этого метода зак.лю-чается в том, что в единицу Времени выделяется Или поглощается очепь небольшое количество теплоты. Подобные измерения требуют точных приборов и искусства экспериментатора. Применять большие навески полимеров Практически невозможно, так как, во-первых, значительно увеличивается вязкость образующихся растворов, что затрудняет их перемешивание, а во-вторых, очень возрастает время тепловой реакции. Поэтому в большинстве исследований определяют интегральную теплоту образования растворов, в которых весовая доля полимера не превышает 0,1. [c.361]

    ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ (топлива) — количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива в кислороде (раньше эта величина наа. теплотворной способность ю). Т. с. определяют нри нсследованпи топлива, для к-рого эта величина является одним из вая нейших показателей его практич. ценности. Томи же методами, что и для топлив, Т. с. определяют и при исследовапии органич. веществ с целью получения данных об их структуре (см. Теплота образования). При полном сгорании в кислороде органич. вещества его Т. с. характеризуется суммой тепловых эффектов реакций превращения углерода в углекислый газ, водорода — в воду, серы — в серный ангидрид, выделения азота и галогенов в свободном виде. Т. с. измеряют в джоулях 1 Зж= = 1 ньютон-1 метр=(1и-1 м), или в калориях (1 кал= =4,1868 дж). Т. с., отнесенная к единице количества вещества, наз. удельной теплотой сгорания. В зависимости от выбранной для измерения единицы количества вещества удельную Т. с. обозначают для твердого и жидкого вещества — кдж1кг, кал г, ккал кг, для газообразного вещества — кдж/лА, шт ккал , с фиксацией условий (темп-ра, давление) замера объема газа. Обычно берется кубич. метр сухого газа, измеренный нри 20° и 760 мм рт. ст. (ГОСТ 2939—63). [c.39]

    Теплоемкостью называется количество теплоты, необходимое для нагревания рабочего тела на 1 фадус. Удобно оперировать удельной теплоемкостью с, отнесенной к единице массы тела. В курсе ПАХТ чаще всего используют теплоемкость при постоянном давлении (с = Ср). Единица измерения теплоемкости Дж/ кгК). [c.54]

    Понятие о теплоемкости с (с указанием ее размерности и единиц измерения) введено в разд. 1.2.3 как количество теплоты, необходимой для изменения на 1 фадус единичной массы рабочего тела (вещества). В основном при изучении теплопереноса используют теплоемкость при постоянном давлении , (в гл. 6 и 7 индекс р» опущен). Величина с в общем случае зависит от температуры, хотя и не всегда существенно. Заметим, что в практических расчетах теплоемкость выражают не только в Дж/ кг-К), но и в кДж/ кг К). [c.472]

    Работа, количество теплоты, энергия измеряются в джоулях (Дж). в технике применяют следующие единиць измерения теплоты — калория — это количество тепла, необходимого для нагрева 1 г воды на 1 градус Цельсия, и килокалория, равная 4,1868 Дж. Количество электричества — киловатт-час, равный 3,6 10 Дж. [c.291]

    Единицей измерения количества теплоты служит калория. В практике расчетов необходимо различать малые калории (кал) и большие калории, или килокалории ккал). Одна малая калория представляет соаой количество тепла, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1 (с 19,5 до 20,5 С) при нормальном атмосферном давлении. Таким образом, 1 кал по своей величине равна теплоемкости воды. Одна большая калория представляет собой количество тепла, необходимое для нагревания 1 кг воды на 1° (от 19,5 до 20,5 С). Отсюда ясно, что 1 ккал = 1 ООО кал. [c.32]

    Q = Qв — К (У ккал кг (кдж/кг) где К — коэфф., равный, в зависимости от выбранной единицы измерения (калория или джоуль), соответственно 6 или 25 — содержание влаги в испытуемом топливе, вес. % Н — содержание водорода в испытуемом топливе, вес. %. Для определения низшей теплоты сгорания газа при его сжигании в проточном калориметре собирают воду, выделившуюся при горении газа, и, исходя из количества поды, вводят в поправку на скрытую теплоту образования пара. [c.40]

    Большое разнообразие задач, ставящихся при калориметрич. измерениях, и условий проведения этих измерений обусловливает наличие большого числа различных типов калориметров. Устройство калориметров настолько разнообразно, что всеобъемлющая классификация их чрезвычайно затруднительна. Отдельные, наиболее распространенные типы калориметров описаны ниже. Большинство из них относится к калориметрам с переменной т емп-рой. Количество теплоты опыта, вычисляется по ф-ле = Я , где Я — тепловое значение калориметра, т. е. количество теплоты, необходимое для нагревания калориметра на 1°, а Дг — изменение его темп-ры в опыте. Это изменение обычно составляет величину 1—3° и в прецизионных работах должно измеряться с высокой точностью. Для измерения темп-ры калориметра обычно используются ртутные термометры, термометры сопротивления или термопары, а при высоких темп-рах — оптич. пирометры. Часто употребляются специальные калориметрич. термометры, обладающие высокой чувствительностью. Значение Н определяется или специальными опытами, в к-рых в калориметр вводится известное количество теплоты и измеряется Аг, или же расчетом, по теплоемкости всех тел, входяпщх в калориметр. Второй способ является менее точным и в последнее время применяется редко. Для определения Н нагревом (или охлаждением) калориметра известное количество теплоты Q вводится или с помощью нагревателя, питаемого электрич. током, или с помощью процесса, тепловой эффект к-рого хорошо известен (напр., теплота сгорания бензойной к-ты, теплота растворения хлористого калия и т. д,). Определение Я вводом известного количества теплоты может быть произведено с высокой точностью (до 0,01%, а иногда и выше). Очень существенно, что этот способ позволяет измерять темп-ру калориметра в условных единицах. Наиболее благоприятным является случай, когда при определении неизвестного количества теплоты и при определении теплового значения калориметра Я в опытах совпадают начальные и конечные темп-ры в этом случае требуется лишь воспроизводимость показаний термометра и отпадает [c.182]

    Международной системой единиц СИ для измерения количества теплоты и теплоемкости приняты единицы дж, или н м, дж1град или н м1град соответственно (1 кал=4,1868 дж и 1 кка г=4,1868 10 дж). Прим. перев. [c.79]

    Некоторые из этих единиц были узаконены в различных странах (так, например, в СССР с 1934 по 1957 г. как обязательная единица для измерения теплоты была принята двадцатиградусная калория). В некоторых странах (особенно широко в работах технического профиля в Англии и США) до настоящего времени широко применяется для тепловых измерений так называемая единица BTU (British thermal unit). Эта единица определяется как количество теплоты, необходимое для нагревания 1 фунта воды на 1° по шкале Фаренгейта . Такая многочисленность единиц измерения теплоты создает значительные неудобства и затрудняет сопоставление величин, выраженных в различных единицах. Однако главный недостаток калории как единицы измерения (это относится и к BTU) связан с двумя другими обстоятельствами. [c.178]


Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) • Термодинамика — теплота • Определения единиц • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Термодинамика — теплота

Термодинамика — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. Термодинамика определяет макроскопические переменные (называемые также термодинамическими переменными), такие как температура, энтропия и давление, которые описывают усредненные свойства материальных тел и излучение, их соотношения и законы, регулирующие их изменения.

Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)

Удельная теплота сгорания топлива по объему определяет количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании единицы объема топлива. Плотность энергии определяет количество энергии в единице объема. Удельная теплота сгорания и плотность энергии чаще всего измеряются в Дж/м³ или кал/см³.

Использование конвертера «Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)»

На этих страницах размещены конвертеры единиц измерения, позволяющие быстро и точно перевести значения из одних единиц в другие, а также из одной системы единиц в другую. Конвертеры пригодятся инженерам, переводчикам и всем, кто работает с разными единицами измерения.

Пользуйтесь конвертером для преобразования нескольких сотен единиц в 76 категориях или несколько тысяч пар единиц, включая метрические, британские и американские единицы. Вы сможете перевести единицы измерения длины, площади, объема, ускорения, силы, массы, потока, плотности, удельного объема, мощности, давления, напряжения, температуры, времени, момента, скорости, вязкости, электромагнитные и другие.
Примечание. В связи с ограниченной точностью преобразования возможны ошибки округления.», то есть «…умножить на десять в степени…». Компьютерная экспоненциальная запись широко используется в научных, математических и инженерных расчетах.

Мы работаем над обеспечением точности конвертеров и калькуляторов TranslatorsCafe.com, однако мы не можем гарантировать, что они не содержат ошибок и неточностей. Вся информация предоставляется «как есть», без каких-либо гарантий. Условия.

Если вы заметили неточность в расчётах или ошибку в тексте, или вам необходим другой конвертер для перевода из одной единицы измерения в другую, которого нет на нашем сайте — напишите нам!

Канал Конвертера единиц TranslatorsCafe.com на YouTube

Тест по физике Количество теплоты 8 класс

Тест по физике Количество теплоты Единицы количества теплоты для учащихся 8 класса с ответами. Тест состоит из 11 вопросов и предназначен для проверки знаний к главе Тепловые явления.

1. Количество теплоты — это

1) изменение внутренней энергии при излучении
2) энергия, которую тело получает или отдает при теплопере­даче
3) работа, которая совершается при нагревании тела
4) энергия, получаемая телом при нагревании

2. Количество теплоты зависит от

1) массы тела
2) того, на сколько градусов изменилась его температура
3) вещества, из которого оно состоит
4) всех этих причин

3. В каком случае телу передано большее количество теплоты, когда его нагрели от 0 °С до 10 °С (№ 1), от 10 °С до 20 °С (№ 2), от 20 °С до 30 °С (№ 3)?

1) № 1
2) № 2
3) № 3
4) Количества теплоты одинаковы

4. В каком из этих одинаковых сосудов вода нагреется до са­мой высокой температуры, если ее начальная температу­ра одна и та же и сосуды получают равные количества те­плоты?

1) № 1
2) № 2
3) № 3

5. Количество теплоты измеряют в

1) джоулях
2) ваттах
3) калориях
4) паскалях

6. Выразите количества теплоты, равные 6000 Дж и 10 000 кал, в килоджоулях.

1) 6 кДж и 4,2 кДж
2) 60 кДж и 42 кДж
3) 6 кДж и 42 кДж
4) 60 кДж и 4,2 кДж

7. Переведите количества теплоты, равные 7,5 кДж и 25 кал, в джоули.

1) 750 Дж и 10,5 Дж
2) 7500 Дж и 105 Дж
3) 750 Дж и 105 Дж
4) 7500 Дж и 10,5 Дж

8. Чтобы нагреть чашку воды, потребовалось количество тепло­ты, равное 600 Дж. На сколько и как изменилась внутренняя энергия воды?

1) На 600 Дж; уменьшилась
2) На 300 Дж; увеличилась
3) На 300 Дж; уменьшилась
4) На 600 Дж; увеличилась

9. При нагревании воды ей передано 400 Дж энергии. Какое ко­личество теплоты выделится при ее охлаждении до первона­чальной температуры?

1) 100 Дж
2) 200 Дж
3) 400 Дж
4) Для ответа нужны дополнительные данные

10. Одинаковые шары нагреты до указанных на рисунке темпе­ратур. Какому из них надо сообщить наименьшее количество теплоты, чтобы довести температуру до 300 °С?

1) № 1
2) № 2
3) № 3

11. В кастрюлю с кипятком положили взятый из холодильника, где температура 5 °С, кусок мяса. Спустя некоторое время температура воды стала равной 80 °С. Если предположить, что мясо получило при этом количество теплоты 100 Дж, то какое количество теплоты отдала ему вода?

1) Определить нельзя, так как неизвестны массы мяса и воды
2) Оно равно нулю, так как температуры воды и мяса стали одинаковыми
3) 100 Дж
4) Больше 100 Дж

Ответы на тест по физике Количество теплоты Единицы количества теплоты
1-2
2-4
3-4
4-2
5-1, 3
6-3
7-2
8-4
9-3
10-1
11-3

Определи, какое количество теплоты (в джоулях) пошло на нагревание на 5°C алюминиевой детали массой 0,24 кг. Удельная теплоёмкость алюминия равна 920…

Посмотрев на таблицу менделеева, мы видим, что онаначинается водородом, а кончается ураном. начинается с легких элементов,кончается тяжелыми. есть еще другой способ освобождения и энергии. этот путь основан на преобразовании ядер легкихэлементов, расположенных в начале таблицы менделеева. только энергия,выделяющаяся при этих преобразованиях, называется не ядерной, а термоядерной.приставка термо определяет способ освобождения этойэнергии. термос по-гречески означает тепло. термоядерная энергия этоэнергия, получаемая при тепла. оказывается, если два ядра атомов легких элементов сблизитьмежду собой вплотную, то между ними произойдет ядерная реакция. в результатеэтой реакции из двух легких ядер образуется более тяжелое ядро и выделяетсяэнергия причем этой энергии на единицу массы выделяется значительно больше,чем при делении тяжелых ядер.такая ядерная реакция называется реакцией синтеза т.е. слияния , а энергия энергией синтеза ядер. это и есть термоядернаяэнергия. для выделения заметной энергии нужно, чтобы термоядернаяреакция происходила во всем объеме вещества. и чтоб разогнать все ядра веществанадо воспользоваться нагреванием. ведь при нагревании тела скорость движенияатомов следовательно, и ядер увеличивается. значит, если нагреть вещество,состоящее из ядер легких элементов, до достаточно высокой температуры, тоначнется термоядерная реакция. энергии, выделяющейся при этой реакции, хватит идля поддержания реакции, и для полезного использования. а энергия выделитсяогромная. если при делении одного грамма урана выделяется энергия,эквивалентная энергии, получаемой при сгорании двух с половиной тонн угля, топри синтезе одного грамма легких ядер выделится энергия, эквивалентная энергииуже десятков тонн каменного угля. чтобы реакция пошла достаточно интенсивно нужны десяткимиллионовградусов, а достигнутые в технике температуры малы. они не  превышают пяти-шести тысяч градусов. но в 1950 г. двое советских ученых академики сахаров и  тамм впервые предложили один из способов получения сверхвысоких температур в  земных условиях. их идея заключалась в том, чтобы через плазму пропускать  электрический ток большой силы в десятки тысяч ампер. пропускать такой  ток можно только импульсами длительностью в доли секунды.ведь никакие  проводники не выдержат такого тока, они сразу расплавятся. но в момент  пропускания тока под действием возникающих электродинамических сил плазма  сожмется в тонкий шнур, имеющий огромную температуру. таким образом, если   плазма получена из атомов легких элементов, то можно ожидать возникновения  термоядерной реакции при пропускании через нее электрического тока. именно об этих опытах большого коллектива советских ученых  и рассказал в 1956 г. в  харуэлле игорь васильевич курчатов. но неимоверные трудности стоят на пути осуществления  контролируемой термоядерной реакции. именно контролируемой, потому что неконтролируемая,взрывная термоядерная реакция происходит при взрыве водородной бомбы. проблема использования термоядерной энергии по праву  считается проблемой 1 современной науки. ее решение позволит навсегда избавить   человечество от угрозы энергетического голода. ведь моря и океаны содержат   огромные запасы тех самых легких ядер, которые необходимы для термоядерной  реакции.

Количество теплоты и калориметр

В этом параграфе мы изучим несколько новых терминов. Определим их. Теплообмен – это явление перехода внутренней энергии одного тела во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы. Количество теплоты – это энергия, перешедшая от одного тела к другому при теплообмене.

     

На рисунке показан калориметр – прибор для измерения количества теплоты. Простейший калориметр состоит из двух стаканов: внутреннего алюминиевого и внешнего пластмассового, которые разделены воздушным промежутком.

Рассмотрим пример. Во внутренний стакан нальём 100 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 (см. рисунок). Вычислим изменение температуры воды:

Δt°воды   =   60 °С – 20 °С   =   40 °С .

Зная, что масса воды 100 г, инженер-теплотехник скажет: вода получила 100 г · 40 °С = 4000 калорий теплоты. В отличие от теплотехники, в физике количество теплоты выражают в джоулях (как и любую другую энергию). Для этого применяют специальную формулу:

      Q = c·m·Δt°Q – количество теплоты, Дж
с – удельная теплоёмкость, Дж/(кг°С)
m – масса тела или вещества, кг
Δt° – изменение температуры тела, °С

Удельная теплоёмкость веществафизическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1 кг этого вещества на 1 °С.

Используя таблицу (см. далее), легко подсчитать, что вода внутри калориметра получила от цилиндрика 16,8 кДж теплоты:

Qводы   =   4200 Дж/(кг°С) · 0,1 кг · 40 °С   =   16800 Дж .

Формулу Q = cmΔt° применяют не только в том случае, когда вещество нагревается. Её также используют для подсчёта количества теплоты, которое отдают охлаждающиеся тела. Например, вода внутри отопительных батарей в квартире или классе.

Удельные теплоёмкости всех веществ измерены и занесены в специальные таблицы. Например, для воды в жидком состоянии с = 4200 Дж/(кг°С). Это значение показывает, что для нагревания 1 кг воды на 1 °С потребуется 4200 Дж теплоты. Можно сказать и иначе: каждый килограмм воды, остывая на 1 °С, отдаёт окружающим телам 4200 Дж тепловой энергии.

Удельные теплоёмкости некоторых веществ, Дж/(кг°С)
Алюминий920Вода4200
Железо460Лёд2100
Латунь400Масло подсолн.1700

 

     

Поясним, почему в определении теплообмена присутствуют слова «без совершения механической работы». Вспомним, что в § 5-е мы рассмотрели опыт с манометром и горячей гирей. Тогда внутренняя энергия гири уменьшалась. Часть этой энергии превращалась в механическую работу – удлинялся «столбик» жидкости в манометре. В опыте с калориметром внутренняя энергия цилиндрика также уменьшалась. Однако теперь она превращалась во внутреннюю энергию воды без совершения работы (см. рисунок; для наглядности цилиндрик изображён вне калориметра).

Калориметрические измерения показывают, что теплообмен всегда протекает так, что убыль внутренней энергии одних тел сопровождается таким же приращением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене. Это – одно из проявлений закона сохранения и превращения энергии.

Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении в физике

Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении:

Вы уже знаете, что изменить внутреннюю энергию тела можно передачей ему количества теплоты. Как связано изменение внутренней энергии тела, т. е. количество теплоты, с характеристиками самого тела?

Внутренняя энергия тела есть суммарная энергия всех его частиц. Значит, если массу данного тела увеличить в два или три раза, то и количество теплоты, необходимое для его нагревания на одно и то же число градусов, увеличится в два или три раза. Например, на нагревание двух килограммов воды от 20 °C до 80 °C потребуется в два раза больше теплоты, чем на нагревание одного килограмма воды (рис. 40, а).

Очевидно также, что для нагревания воды на

Из этих рассуждений следует подтвержденный опытами вывод. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, прямо пропорционально его массе и изменению температуры.

А зависит ли количество теплоты, идущее на нагревание, от рода вещества, которое нагревается?

Для ответа на этот вопрос проведем опыт. В два одинаковых стакана нальем по 150 г подсолнечного масла и воды. Поместим в них термометры и поставим на нагреватель (рис. 41).

Получив за одинаковое время от нагревателя равное с водой количество теплоты, масло нагрелось больше, чем вода. Значит, для изменения температуры масла на одну и ту же величину требуется меньше теплоты, чем для изменения температуры такой же массы воды.

Поэтому для всех веществ вводят специальную величину — удельную теплоемкость вещества. Эту величину обозначают буквой с (от лат. capacite — емкость, вместимость). Теперь мы можем записать строгую формулу для количества теплоты, необходимого для нагревания:

Выразим из этой формулы с:

Удельная теплоемкость есть физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °C. Удельная теплоемкость измеряется в джоулях на килограмм-градус Цельсия

Для любознательных:

Часто формулу записывают в виде  Здесь величина называется теплоемкостью тела (обратите внимание — не вещества). Она численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания всей массы тела на 1 °C. Измеряется теплоемкость тела в джоулях на градус Цельсия 

В таблице 1 представлены значения удельной теплоемкости различных веществ (в различных состояниях). Как следует из этой таблицы, среди жидкостей максимальное значение удельной теплоемкости имеет вода: для нагревания 1 кг воды на 1 °C требуется 4200 Дж теплоты — это почти в 2,5 раза больше, чем для нагревания 1 кг подсолнечного масла, и в 35 раз больше, чем для нагревания 1 кг ртути.

Формула дает возможность найти и выделяемую при охлаждении тела теплоту. Так как конечная температура остывшего тела меньше начальной  то изменение температуры оказывается отрицательным числом. Значит, и выделяемое телом количество теплоты выражается отрицательным числом, что обозначает не рост, а убыль внутренней энергии тела.

В заключение заметим, что при теплообмене двух или нескольких тел абсолютное значение количества теплоты, которое отдано более нагретым телом (телами), равно количеству теплоты, которое получено более холодным телом (телами):

Это равенство называется уравнением теплового баланса и выражает, по сути, закон сохранения энергии. Оно справедливо при отсутствии потерь теплоты.
Таблица 1. Удельная теплоемкость некоторых веществ

Главные выводы:

  1. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (выделившееся при охлаждении), прямо пропорционально его массе, изменению температуры тела и зависит от вещества тела.
  2. Удельная теплоемкость вещества численно равна количеству теплоты, которое надо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °C.
  3. При теплообмене количество теплоты, отданное более горячим телом, равно по модулю количеству теплоты, полученному более холодным телом, если нет потерь теплоты.

Пример решения задачи:

Для купания ребенка в ванночку влили холодную воду массой = 20 кг при температуре  = 12 °C. Какую массу горячей воды при температуре = 80 °C нужно добавить в ванночку, чтобы окончательная температура воды стала = 37 °C? Удельная теплоемкость воды с = 4200
Дано:


Решение

По закону сохранения энергии

Отдавала теплоту горячая вода, изменяя свою температуру от

Холодная вода получила эту теплоту и нагрелась от


Так как нас интересует только модуль  то можно записать:

Тогда

При решении мы пренебрегали потерями теплоты на нагревание ванночки, окружающего воздуха и т. д.

Возможен и другой вариант решения.

Рассчитаем сначала количество теплоты, которое было получено холодной водой:

Полагая, что эта теплота отдана горячей водой, запишем:  Выразим искомую массу:

Ответ:

Теплота, работа и энергия

Теплота (энергия)

Единицей СИ для теплоты или энергии является джоуль (Дж) . с разницей температур Калория (количество тепла, необходимое для нагревания 1 грамма 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 CAL = 4.184 J

1 J = 1 WS

= (1 WS) (1/3600 H / S)

= 2.78 10 -4 WH

      = 2,78 10 -7 кВтч

Тепловой поток (мощность)

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 является мерой полной энергии в единице массы. Обычно используемой единицей СИ является Дж/кг или кДж/кг .

Термин относится к полной энергии, обусловленной как давлением, так и температурой жидкости (такой как вода или пар) в любое заданное время и при любых условиях.В частности, энтальпия представляет собой сумму внутренней энергии и работы, совершаемой приложенным давлением.

Теплоемкость

Теплоемкость системы

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

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость  (= удельная теплоемкость) – это количество теплоты, необходимое для изменения температуры одной единицы массы вещества на один градус .

Удельная теплоемкость может быть измерена в Дж/г К, Дж/кг К , кДж/кг К, кал/г К или БТЕ/фунт 6 /фунт

0 9 и более .

Никогда не используйте табличные значения теплоемкости, не проверив единицы фактического значения!

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 по отношению к изменению температуры при фиксированном давлении равно Удельной теплоемкости при постоянном давлении — c p .

Удельная теплоемкость – постоянный объем

Изменение внутренней энергии по отношению к изменению температуры при фиксированном объеме – это удельная теплоемкость при постоянном объеме – c v .

Если давление не очень высокое, работой, совершаемой давлением на твердые и жидкие тела, можно пренебречь, а энтальпию можно представить только компонентом внутренней энергии.Можно сказать, что теплоты постоянного объема и постоянного давления равны.

для твердых веществ и жидкостей

C P = C P = C V (1)

0

Удельное тепло представляет собой количество энергии, необходимую для повышения 1 кг вещества на 1 o C (или 1 K) , и его можно рассматривать как способность поглощать тепло. Единицы удельной теплоемкости в системе СИ равны Дж/кгК (кДж/кг o Кл) .Вода имеет большую удельную теплоемкость по сравнению со многими другими жидкостями и материалами.

  • Вода – хороший теплоноситель!

Количество тепла, необходимого для повышения температуры

количество тепла, необходимое для нагрева субъекта от одного температурного уровня к другому, может быть выражено как:

Q = C P M DT ( 2)

, где

Q = количество тепла (Kj) = количество тепла (Kj)

C P = удельная тепловая температура (KJ / KGK)

м = масса (кг )

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

Пример Отопительная вода

Рассмотрим энергию, необходимую для нагрева 1.0 кг воды из 0 O C до 100 o C , когда удельная тепловая вода составляет 4,19 кДж / кг o C :

Q = (4.19 KJ / кг O C ) (1,0 кг) ((100 o c) — (0 O C))

= 419 (KJ)

Работа

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

Количество выполненной механической работы может быть определено уравнением, полученным из ньютоновской механики

Работа = Приложенная сила x Расстояние, пройденное в направлении силы (3)

, где

W = Работа (NM, J)

F = Прикладная сила (N)

L = Длина или расстояние перемещено (M)

Работа Также быть описан как продукт приложенного давления и перемещенного объема:

Работа = приложенное давление x перемещенного объема

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 область под давлением перемещается под действием приложенной силы (м)

Пример — Работа, совершаемая силой

Работа, совершаемая силой 100 Н Движение тела 50 м можно рассчитать как

W = (100 N) (50 м)

= 5000 (NM, J)

Устройство работы Joule, Дж, который определяется как количество работы, совершаемой, когда сила 1 ньютон действует на расстоянии 1 м в направлении силы.

1 Дж = 1 Нм

Пример. Работа силы тяжести F
G H

= MgH

= (100 кг) (9,81 м / с 2 ) (10 м)

= 9810 (NM, J)

где

F г = сила тяжести — или вес (Н)

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

h = высота над уровнем моря (м)

В британских единицах единица работы выполняется, когда вес 1 фунт f

(0-08) поднят вертикально против силы тяжести на расстояние 1 фут . Единица называется lb ft .

Объект массой 10 слагов поднят 10 футов . Совершенную работу можно рассчитать как

  W = F г ч

     = м г ч

     = (10 2 слагов)17405 FT / S 2 ) (10 футов)

= 3217 LB F FT

Пример — Работа из-за изменения скорости

Работа, выполненная, когда масса 100 кг ускоряется из Скорость 10 м / с до скорости 20 м / с может быть рассчитана как

W = (V 2 2 — V 1 2 ) M / 2

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

= 15000 (NM, J)

, где

v 2 = конечная скорость (м / с)

v 1 = начальная скорость (м / с) = начальная скорость (м / с)

Energy

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

Движущиеся объекты могут совершать работу, потому что они обладают кинетической энергией. («кинетический» в переводе с греческого означает «движение»).

Количество кинетической энергии, обладаемой объектом, может быть рассчитана как

E K = 1/2 MV 2 (4)

, где

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 (гравитацией).

Полная энергия системы состоит из внутренней, потенциальной и кинетической энергии. Температура вещества напрямую связана с его внутренней энергией. Внутренняя энергия связана с движением, взаимодействием и соединением молекул внутри вещества. Внешняя энергия вещества связана с его скоростью и местоположением и представляет собой сумму его потенциальной и кинетической энергии.

Работа и тепло

7.2 Работа и тепло

Цели обучения

  1. Определить тип работы с точки зрения давления и объема.
  2. Определить тепло .
  3. Свяжите количество тепла с изменением температуры.

Мы уже определили работу как силу, действующую на расстоянии. Оказывается, есть и другие эквивалентные определения работы, которые также важны в химии.

Когда определенный объем газа расширяется, он расширяется против внешнего давления (рис. 7.2 «Объем против давления»). То есть газ должен совершить работу. Предполагая, что внешнее давление P ext постоянно, количество работы, совершаемой газом, определяется уравнением

w = − P доб × Δ В

, где Δ V — изменение объема газа. Этот термин всегда представляет собой конечный объем минус начальный объем,

. Δ В  =  В окончательный В начальный

и может быть положительным или отрицательным, в зависимости от того, больше ли V final (расширяется) или меньше (сокращается), чем V initial .Отрицательный знак в уравнении для работы важен и означает, что по мере увеличения объема (Δ V положительное значение) газ в системе теряет энергии в виде работы. С другой стороны, если газ сжимается, Δ V отрицательно, а два отрицательных знака делают работу положительной, поэтому в систему добавляется энергия.

Рисунок 7.2 Объем в зависимости от давления

Когда газ расширяется против внешнего давления, он работает.

Наконец, давайте рассмотрим юниты. Изменения объема обычно выражаются в таких единицах, как литры, а давление обычно выражается в атмосферах. Когда мы используем уравнение для определения работы, единицей измерения работы выступает литр·атмосфер, или л·атм. Это не очень распространенный агрегат для работы. Однако существует коэффициент пересчета между L·atm и общепринятой единицей работы, джоулями:

. 1 л·атм = 101,32 Дж

Используя этот коэффициент преобразования и предыдущее уравнение для работы, мы можем рассчитать работу, совершаемую при расширении или сжатии газа.

Пример 2

Какую работу совершает газ, если он расширяется с 3,44 л до 6,19 л при постоянном внешнем давлении 1,26 атм? Выразите окончательный ответ в джоулях.

Решение

Сначала нам нужно определить изменение объема, Δ V . Изменение всегда представляет собой конечное значение минус начальное значение:

. Δ В  =  В конечное В начальное = 6.19 л — 3,44 л = 2,75 л

Теперь мы можем использовать определение работы для определения проделанной работы:

w = − P ext · Δ V  = −(1,26 атм)(2,75 л) = −3,47 л·атм

Теперь из соотношения между литрами атмосферы и джоулями составим коэффициент пересчета:

−3,47 л⋅атм × 101,32 Дж1 л⋅атм=−351 Дж

При необходимости мы ограничиваем окончательный ответ тремя значащими цифрами.

Проверь себя

Какую работу совершает газ при расширении из 0.66 л до 1,33 л при внешнем давлении 0,775 атм?

Ответить

−53 Дж

Тепло — еще один аспект энергии. Теплопередача энергии от одного тела к другому за счет разницы температур. Это передача энергии от одного тела к другому за счет разницы температур. Например, когда мы прикасаемся к чему-то руками, мы интерпретируем этот объект как горячий или холодный в зависимости от того, как передается энергия: если энергия передается в ваши руки, объект кажется горячим.Если энергия передается от ваших рук к объекту, ваши руки кажутся холодными. Поскольку теплота является мерой передачи энергии, теплота также измеряется в джоулях.

Для данного объекта количество тепла ( q ) пропорционально двум вещам: массе объекта ( m ) и изменению температуры (Δ T ), вызванному передачей энергии. Мы можем записать это математически как

q∝м × ΔT

, где ∝ означает «пропорционально». Чтобы сделать пропорциональность равенством, мы включаем константу пропорциональности.В этом случае константа пропорциональности обозначается c и называется удельной теплоемкостью. Константа пропорциональности между изменением теплоты, массы и температуры; также называется удельной теплоемкостью, или, более кратко, удельной теплоемкостью :

q = mc Δ T

, где масса, удельная теплоемкость и изменение температуры перемножаются. Удельная теплоемкость — это мера того, сколько энергии необходимо для изменения температуры вещества; чем больше удельная теплоемкость, тем больше энергии необходимо для изменения температуры.Единицами удельной теплоемкости являются Джг⋅°C или Джг⋅K, в зависимости от того, какова единица измерения Δ T . Вы можете заметить отход от требования выражать температуру в градусах Кельвина. Это потому, что изменение температуры имеет одно и то же значение, независимо от того, выражены ли температуры в градусах Цельсия или кельвинах.

Пример 3

Рассчитайте теплоту, выделяемую при повышении температуры с 25,0 г Fe с 22°C до 76°C. Удельная теплоемкость Fe равна 0.449 Дж/г·°С.

Решение

Сначала нам нужно определить Δ T . Изменение всегда представляет собой конечное значение минус начальное значение:

. Δ T  = 76°C − 22°C = 54°C

Теперь мы можем использовать выражение для q , заменить все переменные и найти теплоту:

q=(25,0 г)(0,449 Дж г⋅°C)(54°C)= 610 Дж

Обратите внимание, что единицы g и °C сокращаются, оставляя J единицей тепла. Также обратите внимание, что это значение q по своей природе положительно, что означает, что энергия поступает в систему.

Проверь себя

Рассчитайте теплоту, выделяемую при повышении температуры 76,5 г Ag с 17,8°C до 144,5°C. Удельная теплоемкость Ag составляет 0,233 Дж/г·°С.

Ответить

2 260 Дж

Как и в любом уравнении, когда в выражении для q известны все переменные, кроме одной, оставшуюся переменную можно определить с помощью алгебры.

Пример 4

Чтобы поднять температуру 373 г ртути на 104 °C, требуется 5408 Дж тепла.Какова удельная теплоемкость ртути?

Решение

Мы можем начать с уравнения для q , но теперь даны другие значения, и нам нужно найти удельную теплоемкость. Обратите внимание, что Δ T дается непосредственно как 104°C. Замена,

5408 Дж = (373 г) с (104°C)

Делим обе части уравнения на 373 г и 104°C:

с=5408 Дж (373 г) (104 °С)

Объединив числа и собрав воедино все единицы, получим

с=0.139 Джг⋅°С

Проверь себя

Золото

имеет удельную теплоемкость 0,129 Дж/г·°C. Если для повышения температуры образца золота на 99,9 °С требуется 1377 Дж, то какова масса золота?

Ответить

107 г

В таблице 7.1 «Удельная теплоемкость различных веществ» указана удельная теплоемкость некоторых веществ. Удельная теплоемкость является физическим свойством веществ, поэтому она является характеристикой вещества.Общая идея заключается в том, что чем ниже удельная теплоемкость, тем меньше энергии требуется для изменения температуры вещества на определенную величину.

Таблица 7.1 Удельная теплоемкость различных веществ

Вещество Удельная теплоемкость (Дж/г·°C)
вода 4,184
железо 0.449
золото 0,129
ртуть 0,139
алюминий 0,900
спирт этиловый 2,419
магний 1,03
гелий 5.171
кислород 0,918

Ключевые выводы

  • Работу можно определить как изменение объема газа при постоянном внешнем давлении.
  • Тепло – это передача энергии за счет разницы температур.
  • Теплота может быть рассчитана с точки зрения массы, изменения температуры и удельной теплоемкости.

Упражнения

  1. Дайте два определения работы.

  2. Какой знак работы при увеличении объема пробы газа? Объясните, почему работа имеет этот знак.

  3. Какова работа, когда газ расширяется с 3,00 л до 12,60 л при внешнем давлении 0,888 атм?

  4. Какова работа при расширении газа из 0.666 л до 2,334 л при внешнем давлении 2,07 атм?

  5. Какова работа, когда газ сжимается с 3,45 л до 0,97 л при внешнем давлении 0,985 атм?

  6. Какова работа, при которой газ сжимается с 4,66 л до 1,22 л при внешнем давлении 3,97 атм?

  7. Как и работа, знак теплоты может быть положительным или отрицательным.Что происходит с полной энергией системы, если теплота положительна?

  8. Как и работа, знак теплоты может быть положительным или отрицательным. Что происходит с полной энергией системы, если теплота отрицательна?

  9. Требуется 452 Дж тепла, чтобы поднять температуру 36.8 г образца металла от 22,9°С до 98,2°С. Какова теплоемкость металла?

  10. Требуется 2267 Дж тепла, чтобы поднять температуру образца металла массой 44,5 г с 33,9°C до 288,3°C. Какова теплоемкость металла?

  11. Алюминий неизвестной массы поглощает 187.9 Дж тепла и повышает его температуру с 23,5°С до 35,6°С. Какова масса алюминия? Сколько это молей алюминия?

  12. Образец He изменяется с 19,4°C до 55,9°C при добавлении 448 Дж энергии. Какова масса гелия? Сколько это молей гелия?

Ответы

  1. Работа – это сила, действующая через расстояние или объем, изменяющийся под действием некоторого давления.

  2. Когда теплота положительна, полная энергия системы увеличивается.

Расчеты теплоемкости Учебное пособие по химии

Пожалуйста, не блокируйте рекламу на этом сайте.
Нет рекламы = нет денег для нас = нет бесплатных вещей для вас!

Удельная теплоемкость

Если вы осторожно нагреете воду с помощью источника тепла, такого как горелка Бунзена, температура воды увеличится.
Энергия, подаваемая горелкой Бунзена, заставляет молекулы воды двигаться быстрее, увеличивая их кинетическую энергию.
Мы можем измерить результат увеличения кинетической энергии как повышение температуры.
Количество энергии, поглощаемой молекулами воды для увеличения их кинетической энергии, называется «тепловой энергией». 3
Тепловая энергия частиц воды, q, пропорциональна изменению температуры, ΔT.
ΔT = конечная температура — начальная температура

q ∝ ΔT

Это означает, что если вы используете ту же массу воды, но удваиваете тепловую энергию (q), то изменение температуры (ΔT) также удваивается.
Точно так же, если уменьшить вдвое тепловую энергию (q), то изменение температуры (ΔT) также уменьшится вдвое.

Вы также можете нагреть «холодную» воду, добавив в нее немного «горячей» воды.

Представьте, что у вас есть стакан с водой, содержащий 100 г воды при температуре 25,0°C.
Как изменится температура воды, если добавить 10 г кипятка (100°С)?
Тепло будет передаваться от горячей воды к холодной. 4
Кинетическая энергия «горячих» молекул воды будет уменьшаться, а кинетическая энергия «холодных» молекул воды увеличиваться, пока все молекулы воды не будут иметь одинаковую среднюю кинетическую энергию. 5
Поскольку температура является мерой средней кинетической энергии всех молекул воды, мы находим, что температура воды станет постоянной.
В этом примере будет достигнута постоянная температура 6 31,8°C.
Изменение температуры, ΔT составляет
ΔT = конечная температура — начальная температура = 31,8 — 25,0 = 6,8°C

Теперь представьте, что вы повторяете эксперимент, но на этот раз с использованием 20 г кипятка.
Какой будет конечная температура воды?
Снова тепло будет перетекать от горячей воды к холодной, горячая вода охлаждается, а холодная вода нагревается до тех пор, пока во всем объеме воды не будет достигнута постоянная температура.
Но на этот раз температура будет выше, 37,5°C.
Изменение температуры, ΔT составляет
ΔT = конечная температура — начальная температура = 37,5 — 25,0 = 12,5°C

Добавление большей массы горячей воды к той же массе холодной воды приводит к большему повышению температуры.
Это говорит нам о том, что количество тепловой энергии, которое может быть передано от горячего вещества к холодному, зависит от массы используемого вещества.
Тепловая энергия (q) пропорциональна массе используемого вещества (m) и изменению температуры (ΔT):

кв ∝ м × ΔT

Мы могли бы превратить эту зависимость в математическое уравнение, используя константу пропорциональности.
Пусть C — константа пропорциональности, тогда:

q = C × m × ΔT

Давайте посмотрим, что произойдет с этой константой пропорциональности C, когда мы изменим вещество, используемое для нагревания воды.

Что произойдет с температурой 100 г воды, изначально равной 25,0°С, если мы добавим вместо воды 20 г другого вещества, скажем, 20 г металлической меди при 100°С?
Тепло будет перетекать от горячего котла к более холодной воде, медь будет остывать, а вода нагреваться до тех пор, пока не будет достигнута постоянная температура.
Конечная температура воды составляет всего 26,5°C, что ниже температуры при добавлении 20 г воды!
Изменение температуры, ΔT составляет
ΔT = конечная температура — начальная температура = 26.5 — 25,0 = 1,5°С

Для равных масс горячей воды и горячей меди при одинаковой температуре горячая вода может передать холодной воде больше тепловой энергии, чем горячая металлическая медь. 7
То есть значение константы пропорциональности C для воды больше, чем для меди.
Термин, который используется для описания этой способности (или способности) передавать тепловую энергию, называется «теплоемкость».
Когда сравнения производятся с использованием массы в граммах веществ, эта «теплоемкость» называется удельной теплоемкостью .
Итак, удельная теплоемкость воды больше удельной теплоемкости меди.
Удельная теплоемкость была обозначена символом C г (думаем, что «г» означает граммы, то есть массу).

Теперь мы можем заменить константу пропорциональности (C) в нашем математическом уравнении выше удельной теплоемкостью (C g ):

q = C г × m × ΔT

Мы можем изменить это уравнение, разделив обе его части на m × ΔT:

    q    
м × ΔT
= C г × м × ΔT
м × ΔT
    q    
м × ΔT
= С г

Теперь, если я хочу сравнить удельные теплоемкости различных веществ, мне нужно будет поддерживать постоянную массу, скажем, 1 грамм, и я буду использовать достаточно тепловой энергии, чтобы произвести изменение температуры на 1°C (или 1K),
Подставив эти значения в уравнение:

    q    
1 × 1
= С г
к = С г

То есть удельная теплоемкость вещества – это энергия (q), необходимая для повышения температуры 1 грамма вещества на 1°C (или 1K)!

Различные вещества имеют разную удельную теплоемкость.Удельная теплоемкость некоторых веществ приведена в таблице ниже: 8

Удельная теплоемкость некоторых веществ
Элементы C г
(J K ​​ -1 г -1
или J °C -1 г 0

2 8 -1

Соединения C г
(J K ​​ -1 г -1
или J °C -1 г -1 )

8

8

алюминий C г = 0.90 вода (жидкая) С г = 4,18
углерод C г = 0,72 этанол (жидкий) C г = 2,44
медь C г = 0,39 серная кислота (жидкая) C г = 1,42
свинец C г = 0,13 хлорид натрия (твердый) C г = 0.85
ртуть (жидкая) C г = 0,14 гидроксид калия (твердый) C г = 1,18

Из приведенной выше таблицы видно, что удельная теплоемкость меди составляет 0,39 Дж °С -1 г -1 а удельная теплоемкость воды значительно выше, 4,18 Дж °С -1 г — 1 .
Для изменения температуры 1 грамма металлической меди на 1°С (или 1 К) требуется 0,39 Дж энергии.
Для изменения температуры 1 грамма жидкой воды на 1°С (или 1 К) требуется 4,18 Дж энергии.

Удельная теплоемкость, C г , как описано выше, полезна, потому что мы можем легко измерить массу многих веществ.
Однако, когда мы смотрим на таблицу значений, некоторые из этих значений кажутся нелогичными.
Почему для повышения температуры 1 г свинца на 1°С требуется 0,13 Дж энергии, а для повышения температуры 1 г алюминия на 1°С требуется почти в 7 раз больше энергии?
И почему углерод имеет более высокую теплоемкость, чем металлическая медь или свинец?

Возможно, сравнение по массе — не лучший вариант…..

Молярная теплоемкость

Равные массы различных веществ содержат разное количество «частиц» (атомов, ионов или молекул).
Химики используют «моль» как меру «количества» вещества, потому что моль чистого вещества всегда содержит одинаковое количество частиц (число Авогадро, N A = 6,02 × 10 23 ).

Масса 1 моля чистого вещества равна его относительной молекулярной массе, выраженной в граммах:

масса 1 моля = относительная молекулярная масса в граммах

Напомним, что удельная теплоемкость – это энергия, необходимая для повышения температуры 1 грамма вещества на 1°С (или 1 К).

пример: C г для металлической меди, Cu (s) , is 0,39 Дж °C -1 г -1

Если мы хотим найти теплоемкость 1 моля вещества, нам нужно умножить удельную теплоемкость, C г , на относительную молекулярную массу (M r ) или молярную массу (M) вещества:

теплоемкость 1 моля = M r × C (г)
или
теплоемкость 1 моля = M × C (г)

Величина «M × C г » называется молярной теплоемкостью и обозначается символом C n (n — это символ, используемый для обозначения молей).

Молярная теплоемкость вещества – это энергия, необходимая для повышения температуры 1 моля вещества на 1°C (или 1K).

Например, удельная теплоемкость металлической меди: C г = 0,39 Дж°C -1 г -1
Относительная атомная масса меди из Периодической таблицы: M r = 63,55
Молярная теплоемкость металлической меди = C г × M r = 0.39 × 63,55 = 24,8 Дж °С -1 моль -1

Вы можете самостоятельно выполнить этот расчет для каждого из веществ, перечисленных в таблице удельных теплоемкостей выше.
Вы можете сверить свои расчеты с расчетами, приведенными в таблице молярных теплоемкостей, приведенной ниже:

Молярная теплоемкость некоторых веществ
Элементы C n
(J K ​​ -1 моль -1
или J °C -1 моль) 908 8 -1
Соединения C n
(J K ​​ -1 моль -1
или J °C -1 моль 2 -1 8

1 )

1

ртуть С n = 28.1 серная кислота (жидкая) C n = 139
свинец C n = 27,0 вода С п = 75
медь C n = 24,8 гидроксид калия (твердый) C n = 66
алюминий C n = 24,3 хлорид натрия (твердый) C n = 50
углерод C n = 8.6 этанол (этиловый спирт) C n = 22

Эта таблица позволяет сравнить теплоемкости одного и того же числа частиц, т. е. 1 моля, разных веществ.
Мы находим, что молярная теплоемкость металлов очень похожа, в то время как молярная теплоемкость углерода намного ниже.
Требуется около 25 Дж энергии, чтобы поднять температуру 1 моля металла на 1°С (или 1 К), но требуется только около 9 Дж энергии, чтобы поднять температуру 1 моля углерода на 1°С ( или 1 К).

Мы могли бы написать новое уравнение для расчета количества тепла, необходимого (q) для повышения температуры (ΔT) количества вещества в молях (n):

q = C n × n × ΔT


Сноски

1. Поскольку градуировка на шкале температуры как по Цельсию, так и по шкале Кельвина одинакова, и поскольку нас здесь не интересует ни начальная, ни конечная температура, а только разница между ними, можно видеть, что разница в 1°С равна разнице в 1 К.
Тщательные эксперименты показывают, что удельная теплоемкость вещества сама является функцией температуры, поэтому в XIX веке был установлен стандарт, т. е. теплоемкость — это количество теплоты, необходимое для повышения температуры 1 г воды с 14,5°. С до 15,5°С.

2. В 1960 г. Генеральная конференция мер и весов согласовала унифицированную версию метрической системы. Единицы в этой системе известны как единицы СИ (Systèm International d’Unités). Семь основных единиц составляют основу системы СИ:

+
физическая величина Наименование Единица Символ
масса кг кг
длина метр м
раз второй с
электрический ток ампера
температура кельвин К
сила света кандела кд
количество вещества моль моль

Производные единицы основаны на вышеуказанных единицах СИ.
Единицей силы является ньютаун (Н), это производная единица, 1 Н = 1 кг мс -2
Единица энергии также является производной единицей, джоуль (Дж), 1 Дж = 1 Н m = 1 кг m 2 s -2
Электрические измерения обладают большей точностью, чем калориметрические измерения, как описано в этом обсуждении, поэтому джоуль также можно определить как вольт-кулон.

3. Теплота, или тепловая энергия, — это энергия, непосредственно передаваемая от одного объекта к другому.
Тепло — это энергия в пути, вещество, подобное воде при постоянной температуре, не имеет «теплосодержания», но имеет «энергосодержание».
Энергетическое содержание вещества состоит из кинетической энергии (движения) его частиц и потенциальной энергии, такой как запасенная химическая потенциальная энергия в его химических связях.
Температура является мерой средней кинетической энергии частиц.

4. Тепло всегда течет от «горячего» к «холодному».
В 1803 году, через 4 года после его смерти, была опубликована работа Джозефа Блэка по калориметрии (измерению тепловых изменений). В нем он показал, что равенство температур не означает, что в различных веществах существует также «равенство теплоты». Он исследовал теплоемкость или количество тепла, необходимое для повышения температуры различных тел на заданное число градусов. Объясняя свои опыты, он рассматривал теплоту как вещество, которое может перетекать от одного тела к другому.

5. Частицы не будут иметь абсолютно одинаковую кинетическую энергию. Существует распределение кинетических энергий частиц, поэтому мы имеем в виду «среднюю» кинетическую энергию частиц в системе.

6. Это известно как тепловое равновесие.

7. Правильнее сказать, что теплоемкость — это способность вещества передавать теплоту другому веществу, поскольку теплота — это энергия в пути.
То есть теплоемкость – это способность или способность вещества передавать теплоту другому веществу.
Но, поскольку слово «емкость» обычно понимается как «вместимость», например, мерная колба на 250 мл имеет вместимость 250 мл, мы часто думаем о теплоемкости вещества как о его способности удерживать тепловую энергию. 90–190 Мы не можем на самом деле говорить о «тепле» как о запасенном, то есть тепло может поглощаться молекулами для увеличения их кинетической энергии, но оно не «запасается», потому что оно выполнило работу по ускорению частиц. Тепловая энергия может быть «запасена» как потенциальная энергия в химических связях, если происходит химическая реакция, но в этих примерах это не так.

8. Значения удельных теплоемкостей относятся к условиям постоянного атмосферного давления.

Изменение температуры и теплоемкость

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Наблюдать за теплопередачей и изменением температуры и массы.
  • Рассчитать конечную температуру после теплопередачи между двумя объектами.

Одним из основных эффектов теплопередачи является изменение температуры: нагревание повышает температуру, а охлаждение снижает ее.Мы предполагаем, что фазового перехода нет и что над системой или системой не совершается никакой работы. Опыты показывают, что передаваемое тепло зависит от трех факторов — изменения температуры, массы системы, вещества и фазы вещества.

Рис. 1. Теплота Q , переданная для изменения температуры, зависит от величины изменения температуры, массы системы, а также вовлеченного вещества и фазы. а) Количество переданного тепла прямо пропорционально изменению температуры.Чтобы удвоить изменение температуры массы m, нужно добавить удвоенное количество теплоты. б) Количество переданного тепла также прямо пропорционально массе. Чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в удвоенной массе, нужно добавить в два раза больше тепла. в) Количество переданного тепла зависит от вещества и его фазы. Если требуется количество х тепла, чтобы вызвать изменение температуры Δ Т в данной массе меди, то потребуется в 10,8 раз больше тепла, чтобы вызвать эквивалентное изменение температуры в той же массе воды, при условии отсутствия фазы. изменение любого вещества.

Зависимость от изменения температуры и массы легко понять. Благодаря тому, что (средняя) кинетическая энергия атома или молекулы пропорциональна абсолютной температуре, внутренняя энергия системы пропорциональна абсолютной температуре и числу атомов или молекул. Благодаря тому, что переданное тепло равно изменению внутренней энергии, теплота пропорциональна массе вещества и изменению температуры. Переносимое тепло также зависит от вещества, так что, например, теплота, необходимая для повышения температуры, для спирта меньше, чем для воды.Для одного и того же вещества передаваемое тепло также зависит от фазы (газовая, жидкая или твердая).

Теплопередача и изменение температуры

Количественная связь между теплопередачей и изменением температуры содержит все три коэффициента: Q = mc Δ T , где Q — условное обозначение теплопередачи, m — масса вещества, а Δ T – изменение температуры. Символ c означает удельную теплоемкость и зависит от материала и фазы.Удельная теплоемкость – это количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1,00 кг массы на 1,00°С. Удельная теплоемкость c является свойством вещества; его единица СИ — Дж / (кг ⋅ K) или Дж / (кг ⋅ ºC). Напомним, что изменение температуры (Δ T ) одинаково в единицах кельвина и градусах Цельсия. Если теплопередача измеряется в килокалориях, то единицей удельной теплоемкости является ккал/(кг ⋅ ºC).

Значения удельной теплоемкости обычно нужно искать в таблицах, потому что нет простого способа их рассчитать.В общем случае удельная теплоемкость также зависит от температуры. В таблице 1 перечислены репрезентативные значения удельной теплоемкости для различных веществ. За исключением газов, зависимость теплоемкости большинства веществ от температуры и объема слабая. Мы видим из этой таблицы, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла, и в десять раз больше, чем у железа, а это значит, что требуется в пять раз больше теплоты, чтобы поднять температуру воды на ту же величину, что и для стекла, и в десять раз больше, чем для стекла. много тепла, чтобы поднять температуру воды, как для железа.На самом деле вода имеет одну из самых больших удельных теплоемкостей среди всех материалов, что важно для поддержания жизни на Земле.

Пример 1. Расчет необходимого количества тепла: нагрев воды в алюминиевой кастрюле

Алюминиевая кастрюля массой 0,500 кг на плите используется для нагревания 0,250 л воды с 20,0°С до 80,0°С. а) Какое количество тепла потребуется? Какой процент тепла используется для повышения температуры (b) кастрюли и (c) воды?

Стратегия

Посуда и вода всегда имеют одинаковую температуру.Когда вы ставите кастрюлю на плиту, температура воды и сковороды увеличивается на одинаковую величину. Воспользуемся уравнением теплообмена при заданном изменении температуры и массы воды и алюминия. Удельные теплоемкости воды и алюминия приведены в таблице 1.

Решение

Поскольку вода находится в тепловом контакте с алюминием, сковорода и вода имеют одинаковую температуру.

Рассчитать разницу температур:

Δ T = T f T i = 60.0ºС.

Рассчитайте массу воды. Поскольку плотность воды составляет 1000 кг/м 3 , один литр воды имеет массу 1 кг, а масса 0,250 л воды равна м w  = 0,250 кг.

Рассчитайте теплоту, переданную воде. Используйте удельную теплоемкость воды из таблицы 1:

Q w m w c w Δ T = (0,250 кг)(4186 Дж/кгºC)(60,250 кг)(4186 Дж/кгºC)(60,250 кг)(4186 Дж/кгºC)8 кДж.

Рассчитайте тепло, переданное алюминию. Используйте удельную теплоемкость алюминия из таблицы 1:

Q AL = M = м AL C AL δ T = (0,500 кг) (900 j / кгºC) (60,0ºC) = 27,0 × 10 4 J = 27,0 кДж .<

Сравните процент тепла, поступающего в кастрюлю, и процент тепла, поступающего в воду. Сначала найдем общее переданное тепло:

.

Q Всего = Q w + Q Al = 62.8 кДж + 27,0 кДж = 89,8 кДж.

Таким образом, количество теплоты, идущее на нагрев сковороды, равно

.

[латекс]\фракция{27,0\текст{кДж}}{89,8\текст{кДж}}\times100\%=30,1\%\\[/латекс]

, а на нагрев воды уходит

[латекс]\frac{62,8\текст{кДж}}{89,8\текст{кДж}}\times100\%=69,9\%\\[/латекс].

Обсуждение

В этом примере тепло, переданное контейнеру, составляет значительную долю от общего количества переданного тепла. Хотя масса кастрюли в два раза больше массы воды, удельная теплоемкость воды более чем в четыре раза больше, чем у алюминия.Следовательно, для достижения заданного изменения температуры воды требуется чуть более чем в два раза больше тепла по сравнению с алюминиевой кастрюлей.

Пример 2. Расчет прироста температуры по работе, совершаемой над веществом: перегрев тормозов грузовика на спусках

Рисунок 2. Дымящиеся тормоза на этом грузовике являются видимым свидетельством механического эквивалента тепла.

Тормоза грузовиков, используемые для контроля скорости на спуске, работают, преобразовывая потенциальную энергию гравитации в повышенную внутреннюю энергию (более высокую температуру) тормозного материала.Это преобразование предотвращает преобразование потенциальной энергии гравитации в кинетическую энергию грузовика. Проблема заключается в том, что масса грузовика велика по сравнению с массой тормозного материала, поглощающего энергию, и повышение температуры может происходить слишком быстро, чтобы достаточное количество тепла передавалось от тормозов в окружающую среду.

Рассчитайте повышение температуры 100 кг тормозного материала со средней удельной теплоемкостью 800 Дж/кг ⋅ ºC, если материал удерживает 10 % энергии спускающегося 10000-килограммового грузовика 75.0 м (при вертикальном перемещении) с постоянной скоростью.

Стратегия

Если тормоза не задействованы, гравитационная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. При торможении потенциальная энергия гравитации преобразуется во внутреннюю энергию тормозного материала. Сначала мы вычисляем гравитационную потенциальную энергию ( Мгч ), которую весь грузовик теряет при спуске, а затем находим повышение температуры только в тормозном материале.

Решение
  1. Рассчитайте изменение потенциальной энергии гравитации при движении грузовика вниз по склону Mgh = (10 000 кг)(9.{\ circ} C \\ [/латекс].
Обсуждение

Эта температура близка к температуре кипения воды. Если бы грузовик какое-то время ехал, то непосредственно перед спуском температура тормозов, вероятно, была бы выше температуры окружающей среды. Повышение температуры при спуске, вероятно, повысит температуру тормозного материала выше точки кипения воды, поэтому этот метод нецелесообразен. Однако та же идея лежит в основе недавней гибридной технологии автомобилей, где механическая энергия (потенциальная энергия гравитации) преобразуется тормозами в электрическую энергию (аккумулятор).

Таблица 1. Удельная теплоемкость различных веществ
Вещества Удельная теплоемкость ( c )
Твердые вещества Дж/кг ⋅ ºC ккал/кг ⋅ ºC
Алюминий 900 0,215
Асбест 800 0,19
Бетон, гранит (средний) 840 0.20
Медь 387 0,0924
Стекло 840 0,20
Золото 129 0,0308
Тело человека (в среднем при 37 °C) 3500 0,83
Лед (средний, от −50°C до 0°C) 2090 0,50
Железо, сталь 452 0,108
Свинец 128 0.0305
Серебро 235 0,0562
Дерево 1700 0,4
Жидкости
Бензол 1740 0,415
Этанол 2450 0,586
Глицерин 2410 0,576
Меркурий 139 0,0333
Вода (15.0 °С) 4186 1.000
Газы
Воздух (сухой) 721 (1015) 0,172 (0,242)
Аммиак 1670 (2190) 0,399 (0,523)
Углекислый газ 638 (833) 0,152 (0,199)
Азот 739 (1040) 0,177 (0,248)
Кислород 651 (913) 0.156 (0,218)
Пар (100°C) 1520 (2020) 0,363 (0,482)

Обратите внимание, что пример 2 является иллюстрацией механического эквивалента тепла. В качестве альтернативы, повышение температуры может быть произведено с помощью паяльной лампы вместо механического.

Пример 3. Расчет конечной температуры при передаче тепла между двумя телами: наливание холодной воды на горячую сковороду

Допустим, вы насыпаете 0,250 кг 20.0ºC воды (около чашки) в алюминиевую кастрюлю весом 0,500 кг с плиты при температуре 150ºC. Предположим, что кастрюля находится на изолированной подушке и что незначительное количество воды выкипает. При какой температуре вода и кастрюля через короткое время достигают теплового равновесия?

Стратегия

Кастрюля размещена на изолирующей прокладке, чтобы обеспечить небольшой теплообмен с окружающей средой. Первоначально кастрюля и вода не находятся в тепловом равновесии: кастрюля имеет более высокую температуру, чем вода.Затем теплопередача восстанавливает тепловое равновесие, когда вода и кастрюля соприкасаются. Поскольку теплопередача между кастрюлей и водой происходит быстро, масса испаряемой воды пренебрежимо мала, а величина тепла, теряемого кастрюлей, равна теплу, приобретаемому водой. Обмен теплом прекращается, как только достигается тепловое равновесие между чашей и водой. Теплообмен можно записать как | Q горячий |= Q холодный .

Решение

Используйте уравнение теплопередачи Q mc Δ T  , чтобы выразить потери тепла алюминиевой кастрюлей через массу кастрюли, удельную теплоемкость алюминия, начальную температуру кастрюли и конечная температура: Q горячая = m Al c Al ( T f − 150ºC).

Выразите тепло, полученное водой, через массу воды, удельную теплоемкость воды, начальную температуру воды и конечную температуру: Q холод = m W c W ( T f  — 20,0ºC).

Обратите внимание, что Q горячий <0 и Q холодный >0 и что их сумма должна равняться нулю, потому что тепло, теряемое горячей кастрюлей, должно быть таким же, как тепло, приобретаемое холодной водой:

[латекс] \ begin {массив} {lll} Q _ {\ text {холодный}} + Q _ {\ text {горячий}} & = & 0 \\ Q _ {\ text {холодный}} & = & — Q _ {\ text {hot}}\\m_{\text{W}}c_{\text{W}}\left(T_{\text{f}}-20.{\circ}\text{C}\end{массив}\\[/латекс]

Обсуждение

Это типичная задача калориметрии — два тела с разными температурами соприкасаются друг с другом и обмениваются теплом до тех пор, пока не будет достигнута общая температура. Почему конечная температура намного ближе к 20,0ºC, чем к 150ºC? Причина в том, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем большинство обычных веществ, и, таким образом, претерпевает небольшое изменение температуры при заданной теплопередаче. Большому водоему, такому как озеро, требуется большое количество тепла, чтобы заметно повысить его температуру.Это объясняет, почему температура озера остается относительно постоянной в течение дня даже при больших изменениях температуры воздуха. Однако температура воды меняется в течение более длительного времени (например, с лета на зиму).

Эксперимент на вынос: изменение температуры земли и воды

Что нагревается быстрее, земля или вода?

Для изучения различий в теплоемкости:

  • Поместите равные массы сухого песка (или почвы) и воды одинаковой температуры в две маленькие банки.(Средняя плотность почвы или песка примерно в 1,6 раза больше плотности воды, поэтому вы можете получить примерно равные массы, используя на 50% больше воды по объему.)
  • Нагревайте оба (используя духовку или нагревательную лампу) в течение одинакового времени.
  • Запишите конечную температуру двух масс.
  • Теперь доведите обе банки до одинаковой температуры, нагревая их в течение более длительного периода времени.
  • Снимите банки с источника тепла и измеряйте их температуру каждые 5 минут в течение примерно 30 минут.

Какой образец остывает быстрее? Эта деятельность воспроизводит явления, ответственные за наземные и морские бризы.

Проверьте свое понимание

Если для повышения температуры блока с 25°С до 30°С необходимо 25 кДж, то какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть блок с 45°С до 50°С?

Решение

Теплопередача зависит только от разницы температур. Так как разность температур одинакова в обоих случаях, то и во втором случае необходимы одни и те же 25 кДж.

Резюме раздела

  • Передача теплоты Q  , приводящая к изменению Δ T  температуры тела массой m  равна Q = mc Δ 5 c 90 T

    , где материала. Это соотношение также можно рассматривать как определение удельной теплоемкости.

Концептуальные вопросы

  1. Какие три фактора влияют на теплопередачу, необходимую для изменения температуры объекта?
  2. Температура тормозов автомобиля повышается на Δ T  при остановке автомобиля со скорости v .Насколько больше было бы Δ T , если бы скорость автомобиля изначально была вдвое больше? Вы можете предположить, что автомобиль останавливается достаточно быстро, чтобы тепло от тормозов не отводилось.

Задачи и упражнения

  1. В жаркий день температура в бассейне объемом 80 000 литров повышается на 1,50ºC. Какова чистая теплопередача при этом нагреве? Игнорируйте любые осложнения, такие как потеря воды в результате испарения.
  2. Докажите, что 1 кал/г · ºC = 1 ккал/кг · ºC.
  3. Для стерилизации 50.0-граммовую стеклянную детскую бутылочку, мы должны поднять ее температуру с 22,0ºC до 95,0ºC. Какая теплопередача требуется?
  4. Одна и та же передача тепла одинаковым массам различных веществ вызывает различные изменения температуры. Рассчитайте конечную температуру, когда 1,00 ккал теплоты переходит в 1,00 кг следующих веществ при исходной температуре 20,0ºC: (a) вода; (б) бетон; (в) сталь; и d) ртуть.
  5. Потирая руки, вы согреваете их, превращая работу в тепловую энергию. Если женщина потирает руки взад-вперед, всего 20 потираний, на расстоянии 7.50 см на трение и при средней силе трения 40,0 Н, каково повышение температуры? Масса согреваемых тканей составляет всего 0,100 кг, преимущественно в ладонях и пальцах.
  6. Блок чистого материала массой 0,250 кг нагревается с 20,0ºC до 65,0ºC за счет добавления 4,35 кДж энергии. Рассчитайте его удельную теплоемкость и определите вещество, из которого он, скорее всего, состоит.
  7. Предположим, что одинаковые количества тепла передаются разным массам меди и воды, вызывая одинаковые изменения температуры.Каково отношение массы меди к воде?
  8. (a) Количество килокалорий в пище определяется методами калориметрии, при которых пища сжигается и измеряется количество теплопередачи. Сколько килокалорий на грамм содержится в 5,00 г арахиса, если энергия его сжигания передается 0,500 кг воды, находящейся в алюминиевом стакане весом 0,100 кг, что вызывает повышение температуры на 54,9°С? (б) Сравните свой ответ с информацией на этикетке на упаковке арахиса и прокомментируйте, совпадают ли значения.
  9. После интенсивной физической нагрузки температура тела человека массой 80,0 кг составляет 40,0ºC. С какой скоростью в ваттах человек должен передать тепловую энергию, чтобы снизить температуру тела до 37,0ºC за 30,0 мин, если предположить, что тело продолжает производить энергию мощностью 150 Вт? 1 Вт = 1 Дж/сек или 1 Вт = 1 Дж/сек.
  10. Даже при остановке после периода нормальной эксплуатации большой коммерческий ядерный реактор передает тепловую энергию со скоростью 150 МВт за счет радиоактивного распада продуктов деления.Этот теплообмен вызывает быстрое повышение температуры в случае отказа системы охлаждения (1 Вт = 1 Дж/сек или 1 Вт = 1 Дж/сек и 1 МВт = 1 мегаватт). (a) Рассчитайте скорость повышения температуры в градусах Цельсия в секунду (ºC/с), если масса активной зоны реактора составляет 1,60 × 10 5 кг и средняя удельная теплоемкость составляет 0,3349 кДж/кг ⋅ ºC. (б) Сколько времени потребуется, чтобы получить повышение температуры на 2000ºC, что может привести к плавлению некоторых металлов, содержащих радиоактивные материалы? (Начальная скорость повышения температуры будет больше рассчитанной здесь, потому что передача тепла сосредоточена в меньшей массе.Однако позже рост температуры замедлится, так как стальная защитная оболочка размером 5 × 10 5 кг также начнет нагреваться.)

Рис. 3. Бассейн с радиоактивным отработавшим топливом на атомной электростанции. Отработавшее топливо долго остается горячим. (кредит: Министерство энергетики США)

Глоссарий

удельная теплоемкость:  количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1,00 кг вещества на 1,00 ºC

Избранные решения задач и упражнений

1.5,02 × 10 8 J

3. 3,07 × 10 3 J

5. 0,171ºC

7. 10,8

9. 617 Вт


Теплопередача, удельная теплоемкость и калориметрия – University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объяснять явления, связанные с теплом как формой передачи энергии
  • Решение задач, связанных с теплопередачей

В предыдущих главах мы видели, что энергия является одним из фундаментальных понятий физики. Тепло — это тип передачи энергии, вызванный разницей температур, который может изменить температуру объекта. Как мы узнали ранее в этой главе, теплопередача — это перемещение энергии из одного места или материала в другое в результате разницы температур. Теплопередача имеет основополагающее значение для таких повседневных действий, как отопление дома и приготовление пищи, а также для многих промышленных процессов. Он также формирует основу для тем в оставшейся части этой главы.

Мы также вводим понятие внутренней энергии, которая может быть увеличена или уменьшена за счет передачи тепла.Обсудим еще один способ изменения внутренней энергии системы, а именно совершение над ней работы. Таким образом, мы начинаем изучение взаимосвязи теплоты и работы, лежащей в основе двигателей и холодильников и центральной темы (и происхождения названия) термодинамики.

Внутренняя энергия и тепло

Тепловая система имеет внутреннюю энергию (также называемую тепловой энергией ) , которая представляет собой сумму механических энергий ее молекул. Внутренняя энергия системы пропорциональна ее температуре.Как мы видели ранее в этой главе, если два объекта с разными температурами соприкасаются друг с другом, энергия передается от более горячего объекта к более холодному до тех пор, пока тела не достигнут теплового равновесия (то есть они не будут иметь одинаковую температуру). Ни один из объектов не совершает никакой работы, потому что никакая сила не действует на расстоянии (как мы обсуждали в разделе «Работа и кинетическая энергия»). Эти наблюдения показывают, что тепло передается спонтанно из-за разницы температур. (Рисунок) показывает пример теплопередачи.

(а) Здесь безалкогольный напиток имеет более высокую температуру, чем лед, поэтому они не находятся в тепловом равновесии. (b) Когда безалкогольному напитку и льду дают возможность взаимодействовать, тепло передается от напитка ко льду из-за разницы температур до тех пор, пока они не достигнут одной и той же температуры, что обеспечивает равновесие. Фактически, поскольку безалкогольный напиток и лед находятся в контакте с окружающим воздухом и скамейкой, конечная равновесная температура будет такой же, как и температура окружающей среды.

Значение слова «тепло» в физике отличается от его обычного значения.Например, в разговоре мы можем сказать «жара была невыносимой», но в физике мы бы сказали, что температура была высокой. Тепло — это форма потока энергии, а температура — нет. Между прочим, люди чувствительны к тепловому потоку , а не к температуре.

Поскольку теплота является формой энергии, ее единицей в системе СИ является джоуль (Дж). Другой распространенной единицей энергии, часто используемой для обозначения тепла, является калория (кал), определяемая как энергия, необходимая для изменения температуры 1,00 г воды на — в частности, между и , поскольку существует небольшая зависимость от температуры.Также широко используется килокалория (ккал), которая представляет собой энергию, необходимую для изменения температуры 1,00 кг воды на . Поскольку массу чаще всего указывают в килограммах, удобно использовать килокалории. Как ни странно, пищевые калории (иногда называемые «большими калориями», сокращенно Cal) на самом деле являются килокалориями, и этот факт нелегко определить по маркировке на упаковке.

Механический эквивалент тепла

Также можно изменить температуру вещества, совершая работу, которая передает энергию в систему или из нее.Это осознание помогло установить, что тепло является формой энергии. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) провел множество экспериментов, чтобы установить механический эквивалент тепла — 92 263 работу, необходимую для получения тех же эффектов, что и передача тепла 90 008 . В единицах, используемых для этих двух величин, значение этой эквивалентности равно

.

Мы считаем, что это уравнение представляет преобразование между двумя единицами энергии. (Другие числа, которые вы можете увидеть, относятся к калориям, определенным для температурных диапазонов, отличных от .)

(рисунок) показывает одну из самых известных экспериментальных установок Джоуля для демонстрации того, что работа и тепло могут производить одинаковые эффекты, и для измерения механического эквивалента тепла. Это помогло установить принцип сохранения энергии. Гравитационная потенциальная энергия ( U ) была преобразована в кинетическую энергию ( K ), а затем рандомизирована за счет вязкости и турбулентности в увеличенную среднюю кинетическую энергию атомов и молекул в системе, что привело к повышению температуры.Вклад Джоуля в термодинамику был настолько значителен, что его именем была названа единица измерения энергии в системе СИ.

Опыт Джоуля установил эквивалентность теплоты и работы. Когда массы спускались, они заставляли весла работать над водой. Результатом было повышение температуры, измеренное термометром. Джоуль нашел, что Вт пропорционально , и, таким образом, определил механический эквивалент тепла.

Увеличение внутренней энергии за счет теплопередачи дает тот же результат, что и увеличение ее за счет совершения работы.Поэтому, хотя система имеет вполне определенную внутреннюю энергию, мы не можем сказать, что она имеет определенное «теплосодержание» или «содержание работы». Четко определенная величина, которая зависит только от текущего состояния системы, а не от истории этой системы, известна как переменная состояния . Температура и внутренняя энергия являются переменными состояния. Подводя итог этому абзацу, теплота и работа не являются переменными состояния .

Между прочим, увеличение внутренней энергии системы не обязательно приводит к увеличению ее температуры.Как мы увидим в следующем разделе, температура не меняется при переходе вещества из одной фазы в другую. Примером может служить таяние льда, которое может быть достигнуто за счет добавления тепла или выполнения работы трения, например, когда кубик льда трется о шероховатую поверхность.

Изменение температуры и теплоемкость

Мы уже отмечали, что теплообмен часто вызывает изменение температуры. Эксперименты показывают, что без фазового перехода и без работы, совершаемой системой или системой, переданное тепло обычно прямо пропорционально изменению температуры и массе системы в хорошем приближении.(Ниже мы покажем, как поступать в ситуациях, когда аппроксимация недействительна.) Константа пропорциональности зависит от вещества и его фазы, которая может быть газом, жидкостью или твердым телом. Мы опускаем обсуждение четвертой фазы, плазмы, потому что, хотя это самая распространенная фаза во Вселенной, она редка и недолговечна на Земле.

Мы можем понять экспериментальные факты, заметив, что переданное тепло есть изменение внутренней энергии, которая представляет собой полную энергию молекул.В типичных условиях полная кинетическая энергия молекул представляет собой постоянную долю внутренней энергии (по причинам и с исключениями, которые мы увидим в следующей главе). Средняя кинетическая энергия молекулы пропорциональна абсолютной температуре. Следовательно, изменение внутренней энергии системы обычно пропорционально изменению температуры и количеству молекул N . Математически зависимость от вещества возникает в значительной степени из-за различных масс атомов и молекул.Мы рассматриваем его теплоемкость с точки зрения массы, но, как мы увидим в следующей главе, в некоторых случаях теплоемкости на молекулу одинаковы для разных веществ. Зависимость от вещества и фазы возникает также из-за различий в потенциальной энергии, связанных с взаимодействиями между атомами и молекулами.

Значения удельной теплоемкости, как правило, должны быть измерены, поскольку не существует простого способа их точного расчета. (Рисунок) перечислены репрезентативные значения удельной теплоемкости для различных веществ.Из этой таблицы мы видим, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла, и в 10 раз больше, чем у железа, значит, для повышения температуры воды на заданную величину требуется в пять раз больше теплоты, чем для стекла, и в 10 раз столько же, сколько и для железа. На самом деле вода имеет одну из самых больших удельных теплоемкостей среди всех материалов, что важно для поддержания жизни на Земле.

Удельная теплоемкость газов зависит от того, что поддерживается постоянным во время нагревания — обычно либо объем, либо давление.В таблице первая удельная теплоемкость каждого газа измерена при постоянном объеме, а вторая (в скобках) измерена при постоянном давлении. Мы вернемся к этой теме в главе о кинетической теории газов.

В общем случае удельная теплоемкость также зависит от температуры. Таким образом, точное определение c для вещества должно быть дано в терминах бесконечно малого изменения температуры. Для этого заметим, что и заменим на d :

За исключением газов, зависимость удельной теплоемкости большинства веществ от температуры и объема при нормальных температурах слабая.Поэтому, как правило, удельные теплоемкости будем считать постоянными при значениях, приведенных в таблице.

(рисунок) иллюстрирует повышение температуры, вызванное выполнением работы. (Результат такой же, как если бы такое же количество энергии было добавлено с помощью паяльной лампы, а не механически.)

Расчет повышения температуры на основе работы, проделанной над веществом Тормоза грузовика, используемые для контроля скорости при спуске, выполняют работу, преобразовывая потенциальную энергию гравитации в повышенную внутреннюю энергию (более высокую температуру) тормозного материала ((Рисунок)).Это преобразование предотвращает преобразование потенциальной энергии гравитации в кинетическую энергию грузовика. Поскольку масса грузовика намного больше, чем масса тормозного материала, поглощающего энергию, повышение температуры может происходить слишком быстро для передачи достаточного количества тепла от тормозов в окружающую среду; другими словами, тормоза могут перегреться.

Дымящиеся тормоза тормозящего грузовика — видимое свидетельство механического эквивалента тепла.

Рассчитайте повышение температуры 10 кг тормозного материала со средней удельной теплоемкостью, если материал сохраняет 10 % энергии спускающегося 10000-килограммового грузовика 75.0 м (при вертикальном перемещении) с постоянной скоростью.

Стратегия

Мы вычисляем гравитационную потенциальную энергию ( Mgh ), которую теряет весь грузовик при спуске, приравниваем ее к увеличению внутренней энергии тормозов, а затем находим повышение температуры только в тормозном материале.

Решение. Сначала вычислим изменение потенциальной энергии гравитации при движении грузовика под уклон:

Поскольку кинетическая энергия грузовика не меняется, закон сохранения энергии говорит нам о том, что потерянная потенциальная энергия рассеивается, и мы предполагаем, что 10% ее передается внутренней энергии тормозов, поэтому возьмем .Затем мы вычисляем изменение температуры от переданного тепла, используя

, где м — масса тормозного материала. Вставьте данные значения, чтобы найти

Значение Если бы грузовик некоторое время находился в движении, то непосредственно перед спуском температура тормозов, вероятно, была бы выше температуры окружающей среды. Повышение температуры при спуске, вероятно, очень сильно повысит температуру тормозного материала, поэтому этот метод нецелесообразен.Вместо этого грузовик будет использовать технику торможения двигателем. Другая идея лежит в основе новейших технологий гибридных и электрических автомобилей, в которых механическая энергия (кинетическая и гравитационная потенциальная энергия) преобразуется тормозами в электрическую энергию в аккумуляторе. Этот процесс называется рекуперативным торможением.

В обычной задаче объекты с разной температурой соприкасаются друг с другом, но изолированы от всего остального, и им позволяют прийти в равновесие.Контейнер, который предотвращает передачу тепла внутрь или наружу, называется калориметром, а использование калориметра для проведения измерений (обычно теплоты или удельной теплоемкости) называется калориметрией.

Мы будем использовать термин «калориметрическая задача» для обозначения любой задачи, в которой рассматриваемые объекты термически изолированы от своего окружения. Важной идеей при решении задач калориметрии является то, что при теплообмене между объектами, изолированными от их окружения, тепло, получаемое более холодным объектом, должно равняться теплу, теряемому более горячим объектом, из-за сохранения энергии:

Мы выражаем эту идею, написав, что сумма теплот равна нулю, потому что полученное тепло обычно считается положительным; потерянное тепло, отрицательный.

Расчет конечной температуры в калориметрии Предположим, вы наливаете 0,250 кг воды (около чашки) в 0,500-килограммовую алюминиевую кастрюлю, снятую с плиты, с температурой . Предположим, что передача тепла чему-либо еще не происходит: кастрюля помещается на изолированную подушку, и передачей тепла воздуху пренебрегают в течение короткого времени, необходимого для достижения равновесия. Таким образом, это проблема калориметрии, хотя изолирующий контейнер не указан. Предположим также, что выкипает незначительное количество воды.При какой температуре вода и кастрюля достигают теплового равновесия?

Стратегия Изначально кастрюля и вода не находятся в тепловом равновесии: кастрюля имеет более высокую температуру, чем вода. Теплопередача восстанавливает тепловое равновесие, когда вода и кастрюля соприкасаются; он останавливается, как только достигается тепловое равновесие между кастрюлей и водой. Тепло, потерянное кастрюлей, равно теплу, полученному водой — это основной принцип калориметрии.

Решение

  1. Используйте уравнение теплопередачи, чтобы выразить потери тепла алюминиевой кастрюлей через массу кастрюли, удельную теплоемкость алюминия, начальную температуру кастрюли и конечную температуру:
  2. Выразите тепло, полученное водой, через массу воды, удельную теплоемкость воды, начальную температуру воды и конечную температуру:
  3. Обратите внимание, что и и, как указано выше, в сумме должны равняться нулю:
  4. Перенесите все термины с участием в левую часть, а все остальные термины в правую.Решение для


    и введите числовые значения:

Значение Почему конечная температура гораздо ближе к , чем к ? Причина в том, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем большинство обычных веществ, и, следовательно, претерпевает меньшее изменение температуры при заданной теплопередаче. Большому водоему, такому как озеро, требуется большое количество тепла, чтобы заметно повысить его температуру. Это объясняет, почему температура озера остается относительно постоянной в течение дня даже при больших изменениях температуры воздуха.Однако температура воды меняется в течение более длительного времени (например, с лета на зиму).

Проверьте свое понимание Если для повышения температуры породы необходимо 25 кДж, из какого количества тепла необходимо нагреть породу?

В хорошем приближении теплопередача зависит только от разницы температур. Так как разность температур одинакова в обоих случаях, то и во втором случае необходимы одни и те же 25 кДж. (Как мы увидим в следующем разделе, ответ был бы другим, если бы объект был сделан из некоторого вещества, которое меняет фазу где-то между и .)

Теплоемкость, зависящая от температуры При низких температурах удельная теплоемкость твердых тел обычно пропорциональна . Первое понимание этого поведения было связано с голландским физиком Петером Дебаем, который в 1912 году рассматривал атомные колебания с помощью квантовой теории, которую Макс Планк недавно использовал для излучения. Например, хорошим приближением для удельной теплоемкости соли, NaCl, является константа 321 K, называемая температурой Дебая NaCl, и формула хорошо работает, когда Используя эту формулу, сколько тепла требуется для повышения температуры 24.0 г NaCl от 5 К до 15 К?

Решение Поскольку теплоемкость зависит от температуры, нам нужно использовать уравнение

Мы решаем это уравнение для Q , интегрируя обе части:

Затем подставляем данные значения и вычисляем интеграл:

Значение Если бы мы использовали уравнение и удельную теплоемкость соли при комнатной температуре, мы получили бы совсем другое значение.

1. ОБЪЕКТ:

Для измерения джоулевого эквивалента, иногда называемого «механическим эквивалентом тепла».Это константа, которая связывает тепловую энергию, переданную телу, с работой, совершенной над ним: J = ΔW/ΔH, в джоулях/калориях.

2. АППАРАТЫ:

Аппарат Pasco TD8551, состоящий из алюминиевого цилиндра со встроенным термистором, который можно вращать рукояткой. Дополнительное оборудование включает в себя: тяжелое (около 10 кг) ведро, нейлоновая веревка или ремень, зажим для стола, С-образный зажим, ледяная баня с большим пластиковым мешком, штангенциркуль, аналитические весы, омметр (от 10 кОм до 1000 кОм), термометр, электрические провода.

Порошкообразная графитовая смазка, уровень.

Либо: тяжелое (~10 кг) ведро и пружинные весы 500 г, или 15 кг. пружинный баланс и пружинный баланс 500 г. Шкив и подвеска груза могут быть заменен на меньший пружинный баланс.

3. МЕТОД И ТЕОРИЯ.

Рис. 1. Аппарат Паско.

Всякий раз, когда механическая работа совершается против сил трения, энергия рассеивается в виде тепла.Вы измерите работу и тепло, чтобы определить эквивалент Джоуля, частное J = ΔW/ΔH, в ед. джоуль/калория.

где J — джоулев эквивалент.

Аппарат представляет собой современную адаптацию классического метода, изобретенного Каллендаром. Ан алюминиевый цилиндр (А) вращается при повороте рукоятки (Е). Трение прикладывается к поверхности цилиндр ремнем или толстым шнуром (G) над цилиндром, поддерживающим тяжелый вес (C).[Такое устройство ремня и барабана, используемое для измерения работы, называется «тормозом Прони».]

В первоначальном эксперименте измерялось повышение температуры измеренного количества вода в цилиндре. В этой современной версии есть термистор (резистор, чувствительный к температуре). встроенный в алюминиевый цилиндр.

Вы измерите тепловую энергию, переданную алюминиевому цилиндру, выполнив измеренное количество работы против трения на этом цилиндре. Тепловая энергия измеряется обычным калориметрическим методом определения повышения температуры.То тепловая энергия определяется по формуле:

где m — масса материала, s — его удельная теплоемкость, DT — изменение его температуры.

Рис. 2. Моменты на цилиндре.

Когда вы прикладываете крутящий момент для поворота кривошипа, трение стационарного ремня создает противодействие крутящий момент на цилиндре. Работу , совершаемую против трения , можно вычислить. от натяжения ремня и угла поворота цилиндра.

где τ = F(R+r) — работа, совершаемая против трения, F = F 2 — F 1 — разность натяжение на концах ремня, r — радиус каната, Δθ = 2πn — полный угол, на который цилиндр поворачивается за n оборотов.

Рис. 3. Подъем тяжелого веса.

Поднятие тяжестей . Тяжелый вес (С), возможно, один- галлонная банка краски, наполненная песком и свинцом, прикреплена к одному концу шнура.Шнур наматывается вокруг алюминиевого цилиндра (А) примерно три раза. Другой конец шнура проходит через шкив (B) к вешалке для груза (D) с гораздо меньшим весом, скажем, от 100 до 200 г. рукоятка (E) поворачивается достаточно быстро, чтобы удерживать банку в нескольких сантиметрах от пола.

Не поднимайте баллон более чем на несколько сантиметров над полом. Если бы вы позволили при повороте рукоятки его люфт может нанести вам болезненный удар по руке. Не отпускай кривошипа при его повороте.Когда закончите, ослабьте натяжение шнура, повернув рукоятку медленно назад.

Натяжение на одном конце веревки намного меньше, чем на другом; небольшой хватит пренебрегать! Паско рекомендует держать в руке конец веревки с низким натяжением. и вообще не измеряя эту силу. Идея держать его в руке — очень практичный способ для контроля натяжения, но вы можете добиться этого и измерить силу просто удерживая этот весенний баланс.

Натяжение против пружинного баланса . Пружинный баланс (S), способный к одному концу шнура прикреплено усилие считывания от 10 до 20 кг эквивалента. Другой конец проходит над шкивом, и к этому концу прикреплена подвеска груза. Кривошип крутится при таком скорость, чтобы сохранить показание весеннего баланса постоянным.

В некоторых версиях этого эксперимента на каждом конце шнура используются пружинные балансы.

4. ПРОЦЕДУРА.

Рис. 4.Метод пружинного баланса.

(1) Если вы используете взвешенную банку с краской, взвесьте ее вместе с содержимым.

(2) Подсоедините омметр к двум электрическим клеммам на устройстве. Если ты с помощью мультиметра (многофункционального измерителя) убедитесь, что он установлен на «Ом» или функция «сопротивление».

(3 Проверьте правильность работы счетчика. Запишите сопротивление термистора при комнатная температура. Запишите температуру в помещении на обычный термометр, для проверки.В приложении есть калибровочная таблица для этих термисторов.

(4) Практика : Соберите аппарат, как описано. Шнур должно быть около трех неперекрывающихся витков вокруг цилиндра. Обязательно расположите устройства так, чтобы веревка вокруг цилиндра не терлась о электрические соединения. проводов или против чего-либо еще. Поверните рукоятку несколько раз, чтобы почувствовать, насколько быстро вы должны поверните его, чтобы добиться стабильной работы, а также отрегулировать длину шнура и положение пружины. балансы.Скорость около 1 об/сек или чуть больше должна подойти. Конечно, ты не захочешь превышать 2 об/сек. Выполните тренировочный заезд, считая обороты и синхронизируя их, пока омметр не указывает на повышение температуры на несколько градусов.

Pasco рекомендует нанести графитовую смазку на цилиндр. Вы можете использовать смазку, если вы обнаружите, что трение непостоянно, что затрудняет поддержание баллона на одном уровне. достаточно постоянная высота.

(5) Осторожно снимите алюминиевый цилиндр, предварительно открутив стопорный винт (F). (с черной пластиковой ручкой).Снимите цилиндр, измерьте его диаметр и взвесьте. Измерьте диаметр веревки или толщину ремня, в зависимости от того, что вы используете. [Ты это необходимо для определения фактического радиуса приложения силы натяжения, которой является цилиндр радиус плюс радиус веревки.]

(6) Пока не собирайте аппарат, но обратите внимание, что две выемки на пластиковом вставьте и зафиксируйте на месте двумя металлическими стержнями, выступающими из главного вала. Также обратите внимание два металлических контактных кольца, которые обеспечивают электрический контакт с двумя упругими металлическими контактами.Эти необходимы для обеспечения электрического соединения с термистором, который находится внутри алюминиевого корпуса. цилиндр.

(7) Как обычно, в калориметрическом эксперименте вы начнете с температуры около на столько же ниже комнатной температуры, сколько конечная температура будет выше комнатной температуры. Таким образом, вы должны охлаждать алюминиевый цилиндр, сохраняя его сухим. Поместите алюминиевый цилиндр в водонепроницаемый пакет и погрузите пакет в ванну с ледяной водой, чтобы опустить его до или около 0°С.

(8) Снимите холодный цилиндр, не нагревая его, и быстро соберите его в аппарат. (9) Теперь проведите эксперимент. Поверните рукоятку, записывая сопротивление. Общее количество число оборотов кривошипа фиксируется автоматическим счетчиком. Остановитесь, когда термистор покажет желаемая конечная температура.

5. АНАЛИЗ.

(1) Используя уравнение 1, 2 и 3, выведите выражение для J через измеренное количества.

(2) Используйте это уравнение для определения постоянной Джоуля.

(3) Выведите уравнение ошибки для формулы для J и найдите экспериментальное ошибка.

6. АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕТОД И АНАЛИЗ

(9′) В ходе пробного запуска вы узнали, сколько оборотов рукоятки требуется, чтобы поднять температура баллона 1°C. Используйте этот факт, чтобы решить, как часто снимать показания сопротивления. (т. е. сколько оборотов рукоятки между показаниями). Заранее оформите техпаспорт и координируйте свои усилия с вашими партнерами, чтобы вы могли получить данные о сопротивлении, количестве ходов, и время.Когда закончите, вы сможете построить график зависимости температуры от времени. Это также было бы хорошей идеей будет измерить сопротивление в зависимости от времени до того, как вы начнете крутить, и после того, как вы готово, чтобы установить кривые нагрева и охлаждения и позволить вам сделать все необходимые поправка на тепловую задержку в термисторе. Ваш анализ будет следующим:

(1) Для каждого сопротивления в таблице данных рассчитайте соответствующую температуру, используя таблицу в приложении.

(2) Рассчитайте проделанную работу как функцию числа оборотов, используя уравнение. 2.

(3) График зависимости температуры от выполненной работы. Вы можете ожидать, что это будет линейная зависимость. Это? Подгонка прямой линии к этим данным. Определите эквивалент Джоуля по наклону этой линии.

7. ВОПРОСЫ.

(1) Мы утверждали, что работа против трения равна работе, которую вы совершаете, поворачивая рукоятка. Вы рассчитали работу как T(R+r), где T — натяжение каната, R — радиус цилиндр и r — радиус веревки.Но работа, совершаемая трением, равна fR, где f – сила трения на поверхности цилиндра. Почему используются разные значения радиус в этих двух способах выражения произведения? То есть, почему вы должны добавить радиус веревки к радиусу цилиндра при умножении на натяжение, а не просто с использованием цилиндра радиус?

(2) Какой процент ошибки в вычисленном значении механического эквивалента тепла будет быть вызвано погрешностью 0,2°C в термометре, который измеряет начальное и конечное температуры воды.Предположим, что температура повысится на 20°С?

(3) [S&S] В этом эксперименте улучшен баланс тепла, получаемого из окружающей среды. а потери тепла в окружающую среду получаются, когда разница между помещением и конечным температура алюминиевого цилиндра на 10-15 процентов меньше, чем разница между начальная температура и комнатная температура. Обсудите причины этого.

(4) [S&S] Британская тепловая единица (BTU), до сих пор используемая некоторыми инженерами, определяется как — количество тепла, необходимое для нагревания одного фунта воды на один градус Фаренгейта.Преобразуйте свой значение механического эквивалента тепла от джоулей на килокалорию до фут-фунтов на БТЕ. Воспользуйтесь переводными соотношениями: 1 кг весит 2,20 фунта, а 2,54 сантиметра равны одному дюйму.

    (a) Выразите переводной коэффициент в виде: (fp/BTU)/(J/kC).
    (b) Выразите джоулев эквивалент в виде: J = ( )fp/BTU.

(5) [S&S] Какой процент ошибки в расчетном значении механического эквивалента тепла будет быть вызвано 3%-ной ошибкой в ​​измерении силы трения?

(6) Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889) провел некоторые из своих ранних измерений отношения между тепловой и механической энергией во время своего медового месяца в швейцарских Альпах.Он измерил разницу температур воды между верхней и нижней частью водопада, и учитывал разницу как за счет изменения механической потенциальной энергии падающей воды высота водопада. Чтобы увидеть, насколько большим может быть этот эффект, подсчитайте, сколько воды согрелся, перелетев через Ниагарский водопад и упав с высоты 50 м. Разумно ли, что Джоуль мог достаточно точно измерил такую ​​маленькую разницу температур, чтобы сделать правильный вывод?

(7*) Мы утверждали, что работа, совершаемая против трения, равна работе, которую вы совершаете, поворачивая рукоятка.Вы рассчитали работу как TR, где T — натяжение каната, а R = Rcylinder + Rrope. Однако работа, совершаемая трением, равна fRcylinder, где f — сила трения на поверхности цилиндра. цилиндр. Почему используются разные значения радиуса в этих двух способах выражения работай? То есть, почему вы должны прибавлять радиус веревки к радиусу цилиндра при умножении на натяжение, а не просто с помощью радиуса цилиндра?

ПРИЛОЖЕНИЕ 1: ТАБЛИЦА СОПРОТИВЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ.ТЕМПЕРАТУРА ДЛЯ ТЕРМИСТОР
Рис. 5. Сопротивление-температура
характеристик термистора.
R в T(C) R в T(C)
килоомы килоомы
                     
351,020 0 95,447 26
332,640 1 91,126 27
315,320 2 87,022 28
298,990 3 83,124 29
283,600 4 79,422 30
269.080 5 75.903 31
255,380 6 72,560 32
242,460 7 69,380 33
230,260 8 66,356 34
218,730 9 63,480 35
207,850 10 60,743 36
197,560 11 58,138 37
187,840 12 55,658 38
178,650 13 53,297 39
169,950 14 51,048 40
161,730 15 48,905 41
153,950 16 46,863 42
146,580 17 44,917 43
139,610 18 43,062 44
133.000 19 41,292 45
126,740 20 39,605 46
120,810 21 37,995 47
115,190 22 36,458 48
109,850 23 34,991 49
104,800 24 33,591 50
100 000 25 32 253 51
 
ПРИЛОЖЕНИЕ 2: ИСТОРИЧЕСКАЯ ЗАМЕТКА

До 18 века тепло считалось материальной субстанцией, называемой «калорией». которые могут перетекать из одного тела в другое. Химики и физики пытались взвесить калорийность, с неубедительными и запутанными результатами.

Физик граф Рамфорд (Бенджамин Томпсон) (1753-1814) приписывают кастинг первое серьезное сомнение в калорической модели, основанное на его экспериментах по измерению тепла генерируются при расточке стволов пушек. Даже с очень тупым сверлильным инструментом, наносящим большой количество тепла, он не мог обнаружить увеличения массы пушки и металлической стружки. Он подозревал, что тепло не было веществом , а имело какое-то отношение к движение . Теперь мы знаем, что тепловая энергия тела есть сумма кинетической энергии. энергии составляющих его частиц.

Джеймс Прескотт Джоуль
(1818-1889), из
Милликен и Гейл .

Лишь в середине 19 века ученые окончательно и убедительно показали, что тепловая энергия и механическая энергия находятся в прямой зависимости, и определили это отношение. Ранее эти два измерялись независимыми единицами и были определил независимо.

В 1850 году Джоуль провел лабораторные опыты по измерению механического эквивалента тепла.В одном эксперименте (из многих) Джоуль использовал падающие грузы, чтобы управлять гребным колесом. внутри термоизолированного контейнера, наполненного водой. Его результаты в современных единицах дали значение 1 калория = 4,186 Дж, в пределах 1% от принятого в настоящее время значения 4,185 Дж. Это связывает ранее определенные единицы тепловой энергии с единицами механической энергии.

Сегодня килокалория определена как как 4185 Дж, заменив старую определение, определяющее его из калориметрии и декларирующее удельную теплоемкость вода будет 1.

Текст и рисунки © 1996, 2004, Дональд Э. Симанек.

Тепло

Тепло


Тепло

Тепло — способ передачи энергии между системой и его окружение, которое часто, но не всегда, меняет температура системы. Тепло не сохраняется, его можно либо созданы, либо уничтожены. В метрической системе теплота измеряется в единицах калорий , которые определяются как количество теплоты, необходимое для нагревания одного грамма вода от 14.5 o С до 15,5 o С.

В системе СИ единицей тепла является джоулей .


Теплоемкость

Теплоемкость вещества есть количество теплоты требуется для повышения температуры определенного количества чистого веществ на один градус (по Цельсию или Кельвину). Калорийность была определяли так, чтобы теплоемкость воды была равна единице.


Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость вещества – это число калорий, необходимых для повышения температуры одного грамма на 1 o C.Поскольку один градус по шкале Цельсия равен одному Кельвину, удельная теплоемкость в метрической системе может быть выражена в единицах либо кал/г- o C, либо кал/г-K. Единицы удельной теплоемкости в системе СИ – Дж/г-К. Поскольку 4,184 Дж в калория, удельная теплоемкость воды 4,184 Дж/г-К.

Легкость, с которой вещество приобретает или потери тепла также можно описать с помощью его молярной теплоты. емкость , то есть количество тепла, необходимое для повышения температуры. одного моля вещества на 1 o C или 1 К.В метрической системе единицами молярной теплоемкости являются поэтому либо кал/моль- o °С, либо кал/моль-К. В СИ единицами молярной теплоемкости являются Дж/моль-К.


Скрытая теплота

При нагреве льда тепло, первоначально поступающее в систему используется для растапливания льда. Когда лед тает, температура остается постоянна при 0 o С. Количество теплоты, необходимое для плавления лед исторически назывался скрытой теплотой плавления .После того, как лед растает, температура воды медленно возрастает от 0 o C до 100 o C. Но как только вода начинает кипеть, тепло, попадающее в образец, используется для преобразование жидкости в газ и температуру образца остается постоянной до тех пор, пока жидкость не испарится. Количество тепла для кипячения или испарения жидкость исторически была называется скрытой теплотой парообразования .

Более 200 лет назад Джозеф Блэк различал разумных теплота и скрытая теплота .Тепло, которое поднимает можно измерить температуру системы, но тепло, которое приводит к изменение состояния системы из твердого в жидкое или из жидкости в газ скрыто. Как скрытое изображение на фотопленка, которая не была проявлена ​​или со скрытыми отпечатками пальцев невидимое невооруженным глазом, скрытое тепло тепло, поступающее в систему без изменения температуры система.


Тепло и кинетика Молекулярная теория

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

   

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

Одним из фундаментальных принципов кинетической теории является предположение, что средняя кинетическая энергия газового скопления частиц зависит от температуры газа и больше ни от чего.Газ становится теплее тогда и только тогда, когда средняя кинетическая энергия частиц газа увеличивается. Тепло, когда оно повышает температуру системы, приводит к увеличению скорости, с которой частицы системы движутся, как показано на рисунке ниже.

0 comments on “Количество теплоты в джоулях: Количество теплоты (в джоулях), полученное однородным телом

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.