Формула для расчета количества теплоты
Допустим, на нужно узнать, какое количество теплоты получила при нагревании железная деталь. Масса детали $3 \space кг$. Деталь нагрелась от $20 \degree C$ до $300 \degree C$.
Возьмем значение теплоемкости железа из таблицы — $460 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C}$. Объясним смысл этой величины: на нагревание куска железа массой $1 \space кг$ на $1 \degree C$ необходимо затратить количество теплоты, равное $460 \space Дж$.
- Масса детали у нас в 3 раза больше, значит, на ее нагрев потребуется в 3 раза большее количество теплоты — $1380 \space Дж$
- Температура изменилась не на $1 \degree C$, а на $280 \degree C$
- Значит, необходимо в 280 раз большее количество теплоты: $1380 \space Дж \cdot 280 = 386 400 \space Дж$
Тогда, формула для расчета количества теплоты, необходимой для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении примет вид:
$Q = cm(t_2 — t_1)$,
где $Q$ — количество теплоты, $c$ — удельная теплоемкость вещества, из которого состоит тело, $m$ — масса тела, $t_1$ — начальная температура тела, $t_2$ — конечная температура тела.
Чтобы рассчитать количество теплоты, которое необходимо затратить для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, нужно удельную теплоемкость умножить на массу тела и на разность конечной и начальной температур.
Рассмотрим подробнее особенности расчета количества теплоты на примерах решения задач.
Удельная теплоемкость вещества
Это физическая величина, выражающая количество тепла, необходимое веществу на единицу массы для повышения температуры на одну единицу.
Таким образом, удельная теплоёмкость является свойством вещества, поскольку его значение является репрезентативным для каждого вещества, каждое из которых, в свою очередь, имеет различные значения в зависимости от того, в каком состоянии оно находится (жидкое, твердое или газообразное).
Удельная теплоёмкость обозначается маленькой буквой c и измеряется в Дж/кг∗°С, представляет собой коэффициент повышения температуры в одной единице всей системы или всей массы вещества.
Кроме того, удельная теплоёмкость меняется в зависимости от физического состояния вещества, особенно в случае твердых частиц и газов, поскольку его молекулярная структура влияет на теплопередачу в системе частиц. То же самое относится и к условиям атмосферного давления: чем выше давление, тем ниже удельное тепло.
Основной состав удельной теплоты вещества должен быть с = С/m, т. е. удельная теплота равна соотношению калорийности и массы.
Однако когда это применяется к данному изменению температуры, говорят о средней удельной теплоемкости, которая рассчитывается на основе следующей формулы:
где:
Q — передача тепловой энергии между системой и средой (Дж);
m — масса системы (кг);
Δt или (t2 — t1) — повышение температуры, которой она подвергается (°C).
Формула для нахождения количества теплоты Q:
Q = c∗m(t2
— t1)
Чем выше удельная теплоёмкость вещества, тем больше тепловой энергии потребуется, чтобы его температура повысилась. Например, для нагрева воды (своды = 4200 Дж/кг∗°С) потребуется больше тепловой энергии, чем для нагрева свинца (ссвинца = 140 Дж/кг∗°С).
Уравнение теплового баланса:
Q отданное + Q полученное = 0.
Ниже представлена таблица значений удельной теплоёмкости некоторых веществ:
Расчет количества теплоты, затраченного на нагревание двух тел
В железный котелок массой $4 \space кг$ налили воду массой $10 \space кг$ (рисунок 1). Их температура $25 \degree C$. Какое количество теплоты нужно затратить, чтобы нагреть котелок и воду до температуры $100 \degree C$?
Рисунок 1. Нагревание воды в котелке.
Обратите внимание, что нагреваться будут сразу два тела: и котелок, и вода в нем. Между постоянно будет происходить теплообмен. Поэтому их температуры мы можем считать одинаковыми.
Отметим, что массы котелка и воды различные. Также они имеют различные теплоемкости. Значит, полученные ими количества теплоты будет различными.
Теперь мы можем записать условие задачи и решить ее.
Дано: $m_1 = 4 \space кг$ $c_1 = 460 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C}$ $m_2 = 10 \space кг$ $c_2 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C}$ $t_1 = 25 \degree C$ $t_2 = 100 \degree C$
Q-?
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Для расчета полученного количества теплоты используем формулу $Q = cm(t_2 — t_1)$.
Запишем эту формулу для количества теплоты, полученного котелком: $Q_1 = c_1m_1(t_2 — t_1)$.
Рассчитаем это количество теплоты: $Q_1 = 460 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C} \cdot 4 \space кг \cdot (100 \degree C — 25 \degree C) = 1840 \frac{Дж}{\degree C} \cdot 75 \degree C = 138 000 \space Дж = 138 \space кДж$.
Количество теплоты, полученное водой при нагревании будет равно: $Q_2 = c_2m_2(t_2 — t_1)$.
Подставим численные значения и рассчитаем: $Q_2 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C} \cdot 10 \space кг \cdot (100 \degree C — 25 \degree C) = 42000 \frac{Дж}{\degree C} \cdot 75 \degree C = 3 150 000 \space Дж = 3150 \space кДж$.
Общее количество теплоты, затраченное на нагревание котелка и воды: $Q = Q_1 +Q_2$, $Q = 138 \space кДж + 3150 \space кДж = 3288 \space кДж$.
Ответ: $Q = 3288 \space кДж$.
Примеры решения задач
Следующие задачи покажут примеры расчета необходимого количества теплоты.
Задача №1
Сколько теплоты нужно, чтобы изо льда массой 2 кг, взятого при температуре -10°С, получить пар при 100°С?
Решение:
Ответ: чтобы изо льда массой 2 кг, взятого при температуре -10°С, получить пар при 100°С, нужно взять 6,162 мегаджоулей теплоты.
Задача №2
В железный котёл массой 5 кг налита вода массой 10 кг. Какое количество теплоты нужно передать котлу с водой для изменения их температуры от 10 до 100°С?
Начнем решение и отметим, что нагреваться будет и котёл, и вода. Разница температур составит 1000С — 100С = 900С. Т. е. и температура котла изменится на 90 градусов, и температура воды также изменится на 90 градусов.
Количества теплоты, которые получили оба объекта (Q1 – для котла и Q2 — для воды), не будут одинаковыми. Мы найдем общее количество теплоты по формуле теплового баланса Q = Q1 + Q2.
Расчет количества теплоты при смешивании жидкостей
Горячую воду разбавили холодной и получили температуру смеси $30 \degree C$. Горячей воды с температурой $100 \degree C$ при этом было $0.3 \space кг$. Холодная вода имела массу $1.4 \space кг$ и температуру $15 \degree C$. Рассчитайте, какое количество теплоты было отдано горячей водой при остывании и получила холодная вода при нагревании. Сравните эти количества теплоты.
Дано: $c_1 = c_2 = c = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C}$ $m_1 = 0.3 \space кг$ $m_2 = 1.4 \space кг$ $t_1 = 100 \degree C$ $t_2 = 15 \degree C$ $t = 30 \degree C$
$Q_1 — ?$ $Q_2 — ?$
Посмотреть решение и ответ
Скрыть
Решение:
Запишем формулу для расчета количества теплоты, отданного горячей водой при остывании от $100 \degree C$ до $30 \degree C$: $Q_1 = cm_1(t_1 — t)$.
Рассчитаем эту величину: $Q_1 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C} \cdot 0.3 \space кг \cdot (100 \degree C — 30 \degree C) = 1260 \frac{Дж}{\degree C} \cdot 70 \degree C = 88 200 \space Дж = 88.2 \space кДж$.
Запишем формулу для расчета количества теплоты, полученного холодной водой при нагревании от $15 \degree C$ до $30 \degree C$: $Q_2 = cm_2(t — t_2)$.
Рассчитаем эту величину: $Q_1 = 4200 \frac{Дж}{кг \cdot \degree C} \cdot 1.4 \space кг \cdot (30 \degree C — 15 \degree C) = 5880 \frac{Дж}{\degree C} \cdot 15 \degree C = 88 200 \space Дж = 88.2 \space кДж$.
$Q_1 = Q_2 = 88.2 \space кДж$.
Ответ: $Q_1 = Q_2 = 88.2 \space кДж$.
В ходе решения этой задачи мы увидели, что количество теплоты, отданное горячей водой, и количество теплоты, полученное холодной водой, равны. Другие опыты дают схожие результаты.
Значит,
Если между телами происходит теплоообмен, то внутренняя энергия всех нагревающихся тел увеличивается на столько, на сколько уменьшается внутренняя энергия остывающих тел.
На практике часто получается так, что отданная горячей водой энергия больше, чем полученная холодной. На самом деле, горячая вода при охлаждении передает какую-то часть своей внутренней энергии воздуху и сосуду, в котором происходит смешивание.
Есть 2 способа учесть этот фактор:
- Если мы максимально сократим потери энергии, то добьемся приблизительного равенства отданной и полученной энергий
- Если рассчитать и учесть потери энергии, то можно получить точное равенство
Виды теплопередачи
Теплопередача — процесс передачи теплоты (обмена энергией).
Здесь все совсем несложно, видов всего три: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность
Тот вид теплопередачи, который можно охарактеризовать, как способность тел проводить энергию от более нагретого тела к менее нагретому.
Речь о том, чтобы передать тепло с помощью соприкосновения. Признавайтесь, грелись же когда-нибудь возле батареи. Если вы сидели к ней вплотную, то согрелись вы благодаря теплопроводности. Обниматься с котиком, у которого горячее пузо, тоже эффективно.
Порой мы немного перебарщиваем с возможностями этого эффекта, когда на пляже ложимся на горячий песок. Эффект есть, только не очень приятный. Ну а ледяная грелка на лбу дает обратный эффект — ваш лоб отдает тепло грелке.
Конвекция
Когда мы говорили о теплопроводности, мы приводили в пример батарею. Теплопроводность — это когда мы получаем тепло, прикоснувшись к батарее. Но все вещи в комнате к батарее не прикасаются, а комната греется. Здесь вступает конвекция.
Дело в том, что холодный воздух тяжелее горячего (холодный просто плотнее). Когда батарея нагревает некий объем воздуха, он тут же поднимается наверх, проходит вдоль потолка, успевает остыть и спуститься обратно вниз — к батарее, где снова нагревается. Таким образом, вся комната равномерно прогревается, потому что все более горячие потоки сменяют все менее холодные.
Излучение
Пляж мы уже упоминали, но речь шла только о горячем песочке. А вот тепло от солнышка — это излучение. В этом случае тепло передается через волны.
Если мы греемся у камина, то получаем тепло конвекцией или излучением?
