Теплота (Теория на русском)
Теплота
Теплота или количество теплоты \(\large Q\) показывает, каким количеством энергии обменивается две системы с разными температурами в процессе теплового обмена. Единица измерения — джоуль [Дж] (как и для всех других форм энергии).
Теплоемкость
Сколько энергии требуется данному веществу или телу, чтобы нагреться на определенную температуру? На этот вопрос поможет ответить понятие теплоемкость.
Удельная теплоемкость (\(\large c\)) показывает, сколько тепловой энергии (\(\large Q\)) требуется одному килограмму (\(\large 1\) кг) данного вещества для изменения его температуры на один кельвин (\(\large 1 \ K\)).
\(\large c = \Delta Q / (m\cdot \Delta T)\)
\(\large Q\) — количество теплоты
\(\large m\) — масса в кг
\(\large \Delta T\) — изменение температуры в кельвинах
\(\large c\) — удельная теплоемкость в Дж/кг \(\large\cdot\) К.
У каждого вещества своя величина удельной теплоемкости (смотрят в таблицах теплоемкости материалов).
Для перевода из градусов Цельсия в Кельвины надо прибавить \(\large 273,\!15 \ K\).
Для обозначения температуры в кельвинах используется символ \(\large T\), для температуры в градусах Цельсия — в российской школьной физике \(\large t\), а в немецкой — греческий символ \(\large \vartheta\) (тета) — он и будет использоваться далее по тексту.
Соответственно \(\large T= \vartheta+273,\!15\ K\)
Из чего следует, что изменение температуры в кельвинах \(\large \Delta T\) будет равно изменению температуры в градусах Цельсия \(\large \Delta \vartheta\).
Поэтому формула удельной теплоемкости при изменении температуры в градусах Цельсия идентична формуле, где изменение температуры в кельвинах:
\(\large c = \Delta Q / (m\cdot \Delta \vartheta)\)
Для расчета теплоты преобразуем эту формулу и выразим \(\large Q\). Получаем следующую формулу:
\(\large Q=c \cdot m \cdot \Delta \vartheta\)
Чтобы описать нагревание (или охлаждение) вещества, можно также построить график зависимости температуры от теплоты \(\large T\!\!-\!\!Q\) или \(\large \vartheta\!\!-\!\!Q\) (диаграмма температура–тепло). На горизонтальной оси (\(\large x\)) откладывается количество подаваемого тепла, а на вертикальной оси (\(\large y\)) — температура.
При постоянной массе вещества получается линейная функция.
На рисунке рассматривается нагрев двух разных веществ с одинаковой массой. Видно, что для нагрева от \(\large 0\ ^{\circ}C\) до некоторой температуры \(\large\vartheta\) второе вещество требует больше тепловой энергии, чем первое. Отсюда следует, что удельная теплоемкость второго вещества больше.
Можно также сравнить удельные теплоемкости по наклону графиков.
Чем круче прямая, тем меньше удельная теплоемкость.
При охлаждении диаграмма \(\large \vartheta\!\!-\!\!Q\) становится убывающей линейной функцией.
На рисунке ниже показано охлаждение двух разных веществ с одинаковой массой. Проверьте сами, правильно ли вы сравниваете удельные теплоемкости.
Ответ: теплоемкость второго вещества будет больше, чем первого.
Теплообмен между двумя телами
Когда два тела с разной температурой вступают в контакт друг с другом, тело с более высокой температурой отдает тепло, а тело с более низкой температурой поглощает тепло. Это продолжается до тех пор, пока не установится одинаковая для обоих тел температура. С энергетической точки зрения этот процесс можно описать с помощью основного закона теплообмена.
\(\large Q_{отд}= Q_{получ}\)\(\large Q_{отд}\) — отданное количество теплоты
\(\large Q_{получ}\) — полученное количество теплоты
Тепло, выделяемое телом с более высокой температурой, равно теплу, поглощаемому телом с более низкой температурой.
Модель молекулярного строения вещества и агрегатные состояние вещества
Эта модель описывает строение материи:
- Все вещества состоят из частиц. Эти частицы называются атомами и молекулами. Упрощенно можно представить себе частицы как маленькие шарики.
- Частицы вещества находятся в постоянном беспорядочном движении. Чем теплее вещество, тем выше энергия частиц и тем быстрее они движутся.
- Между частицами тел действуют силы притяжения.
- Расположение, связь и характер движения частиц определяют агрегатное состояние вещества (твердое, жидкое и газообразное).
Изменение агрегатного состояния вещества на графике температуры (\( \vartheta\!\!-\!\!Q\))
До сих пор мы рассматривали подачу тепла (или отвод тепла) в веществе, находящемся в постоянном агрегатном состоянии. Подаваемая энергия приводила к ускорению движения частиц, то есть к повышению температуры.
Если веществу, например, находящемуся в твердом состоянии, продолжать подавать тепло, частицы сначала будут двигаться все быстрее и быстрее. Однако, когда вещество достигает определенной температуры (температуры плавления), подаваемая энергия больше не используется для увеличения скорости частиц, а идет на разрушение кристаллической решетки, то есть для разрыва связей между частицами.
Этот процесс называется плавлением — переходом из твердого состояния в жидкое. Пока продолжается процесс плавления, температура остается постоянной, потому что поступающее тепло полностью используется для разрыва связей.
То же самое относится и к обратному процессу — отвердеванию (кристаллизации). Только после завершения формирования кристаллической решетки температура снова меняется.
При фазовом переходе из жидкого в газообразное состояние температура во время кипения тоже остается постоянной. Поступающее тепло используется в качестве скрытой теплоты для разрыва связей между частицами. Только когда вся жидкость испарится, температура газа может продолжить повышаться.
На диаграмме «температура-тепло» эти фазовые переходы можно распознать по горизонтальным участкам, то есть по областям с постоянной температурой. Там происходит переход между состояниями вещества – плавление/отвердевание или кипение.
Температура плавления и затвердевания вещества одинакова. Но у разных веществ температуры плавления (или отвердевания) различаются. Температура кипения также зависит от вещества.
На диаграмме ниже показано поведение вещества, которое изначально находилось в твердом состоянии, при равномерном поступлении тепла.
Участок I — нагрев вещества в твердом состоянии
Участок II — плавление
Участок III — нагрев этого вещества уже в жидком состоянии
\(\large \vartheta_S\) — температура плавления
На диаграмме ниже показано поведение воды в различных состояниях при равномерном поступлении тепла.
На графике можно сравнить удельные теплоемкости воды в твердом и жидком состояниях. У льда она меньше (наклон прямой больше).
По графику также можно определить температуру плавления (\(\large 0 \ ^{\circ}C\)) и температуру кипения (\(\large 100 \ ^{\circ}C\)).
Линейное тепловое расширение
Из-за роста температуры тела расширяются. Чтобы посчитать, как изменяется длина тела в зависимости от материала, существует коэффициент линейного теплового расширения \(\large \alpha \ [1/K]\).
Коэффициент линейного теплового расширения \(\large \alpha\) показывает относительное изменение длины тела \(\large \Delta L /L_0\) при повышении его температуры на один градус Цельсия (или один Кельвин).
Формула линейного теплового расширения
\(\large\alpha=\displaystyle\frac{\Delta L}{L_0} \cdot \frac{1}{\Delta T}\)
или
\(\large\alpha=\displaystyle\frac{\Delta L}{L_0} \cdot \frac{1}{\Delta \vartheta}\)
\(\large L_0\) — начальная длина
\(\large \Delta L\) — изменение длины
\(\large \Delta T, \ \Delta \vartheta\) — изменение температуры
Коэффициент линейного теплового расширения \(\large \alpha\) — это величина зависящая от материала — (табличная величина).
Обратная связь