Количество теплоты - Тепловые процессы

Физический словарик

Калориметр (от лат. calor - тепло, жар и греч. metreo - измеряю) - прибор для определения количества теплоты в исследуемом процессе.

Историческая справка

Важнейшим этапом в развитии учения о тепловых явлениях было установление различия между понятиями «количество теплоты» и «температура». Путаница в использовании этих понятий мешала как правильному описанию тепловых процессов, так и уяснению достоинств и недостатков выдвигавшихся теорий теплоты. Первым, кто отчетливо сформулировал мысль о необходимости различать две характеристики тепловых явлений - экстенсивную (теплоту) и интенсивную (температуру), - был английский ученый Дж. Блэк.

Джозеф Блэк родился 16 апреля 1728 г. во французском городе Бордо. Научные исследования он начал вести в Глазго, когда выполнял обязанности ассистента Каллена. Начало исследований Блэка по теплоте относится к 1760 г. Его первые опыты были поставлены с целью проверки линейности шкал термометров. Эти эксперименты привели ученого к мысли о различии двух характеристик тепловых процессов: теплоты и температуры. Интересно, что сначала Блэк пришел к выводу о существовании скрытых теплот и лишь затем сформулировал идею об удельной теплоемкости как характеристике вещества.

Работы Блэка по теплоте имели практическое значение: его советами пользовался при усовершенствовании паровой машины Дж. Уатт, работавший механиком в университете Глазго.

Интересные факты (Я. И. Перельман)

1. Часто спрашивают, что требует больше времени: нагревание воды на примусе от 10 до 20 °С или от 90 до 100 °С?

Следя за ходом нагревания с часами в руках, легко убедиться, что нагревание воды на последние десять градусов длится всегда дольше, чем на первые десять градусов; и это несмотря на то, что количество нагреваемой воды постепенно уменьшается вследствие испарения. Объясняется загадка так: тепло, выделяемое пламенем, расходуется не только на усиленное испарение воды, но и на потери тепла водою вследствие излучения. При высоких температурах (90-100 °С) вода излучает больше энергии, чем при низких (10-20 °С). Поэтому, несмотря на равномерное подведение тепла к воде, температура ее повышается тем медленнее, чем сильнее вода нагрелась.

2. Почему нельзя расплавить гвоздь в пламени свечи? «Потому что пламя свечи недостаточно горячо для этого», - отвечают обыкновенно. Но температура пламени свечи около 1 600 °С, т. е. на сотню градусов выше температуры плавления железа. Значит, пламя свечи достаточно горячо, и все же железо не удается таким пламенем довести до расплавления.

Причина в том, что одновременно с получением тепла от пламени гвоздь теряет тепло путем излучения. Чем выше поднимается температура нагреваемого предмета, тем сильнее и излучение: потеря тепла растет; наступает наконец момент, когда потеря и приход тепла уравновешиваются, - дальнейшее повышение температуры прекращается.

Если бы гвоздь целиком умещался в пламени свечи, точнее, в самой горячей его части, то наивысшая температура гвоздя при нагревании равнялась бы температуре пламени; тогда гвоздь расплавился бы. Но так как обычно в пламени помещается только часть гвоздя и выступающие части беспрепятственно излучают тепло, то равенство притока и потери тепла наступает значительно раньше, чем гвоздь нагреется до температуры свечи и даже до температуры плавления железа.

Значит, гвоздь не нагревается в пламени свечи до температуры плавления не оттого, что пламя недостаточно горячо, а оттого, что оно недостаточно велико, не окружает гвоздь со всех сторон.

Схема для запоминания расчета количества теплоты, массы, теплоемкости, температуры

Задачи на перевод единиц измерения в СИ

34,5 г = 0,0345 кг

245 кДж = 245 000 Дж

8,7 МДж = 8 700 000 Дж

3,5 т = 3 500 кг

840 см = 8,4 м

3,6 км/ч = 1 м/с

8,3 кДж = 8 300 Дж

0,05 МДж = 50 000 Дж

0,89 т = 890 кг

Качественные задачи и вопросы

1. Два тела одинаковой массы из серебра и меди опустили в кипяток. Одинаковое ли количество теплоты получили тела? (Если температуры тел в начальный момент были одинаковы, то тело из меди получило большее количество тепла, чем тело из серебра.)

2. Двум телам из меди и свинца, имеющим одинаковую температуру, передали одинаковое количество теплоты. Какое тело горячее, если массы тел одинаковые? (Тело из свинца горячее.)

3. Стальную и медную детали нагрели до одинаковой температуры и для закалки опустили в воду. Одинаковое ли количество теплоты отдали заготовки, если массы деталей равны? (Стальная деталь отдала большее количество энергии.)

Задачи для любителей литературы

1. «Маленькая дверь по-деревенски скрипнула, и они вошли в очень просторное, в рост, убежище, наполненное душной сыростью, запахом горячего железа (печка в углу была накалена до малинового свечения)...» (К). В. Бондарев. Горячий снег).

Какое количество теплоты необходимо было передать железной печке массой 8 кг, чтобы она накалилась от температуры 0 °С до малинового свечения при 600 °С? (≈2,2 МДж)

2. «Каждую минуту громадный пылающий зев печи широко раскрывался, чтобы поглощать один за другими двадцатипудовые «пакеты» раскаленной добела стали, только что вышедшие из пламенных печей. Через четверть часа они, протянувшись с страшным грохотом через десятки станков, уже складывались на другом конце мастерской длинными, гладкими, блестящими рельсами» (А. И. Куприн. Молох).

Для чего стальные детали перед обработкой нагревают? Сколько энергии выделяет сталь при обработке, если температура выхода «пакетов» из печи 1 300 °С, а рельсы складывались, имея температуру 50 °С? (При нагревании сталь становится пластичной, что и позволяет ее легко обрабатывать. Охлаждаясь, стальной рельс выделит 18,4 МДж энергии; 1 пуд = 16 кг, удельная теплоемкость стали с = 460 Дж/(кг·К))

По пословицам и поговоркам

3. На каком амбаре снег, из того покупай хлеб. (Потому что он сух, над прелым хлебом снег раньше сходит.)

Почему над прелым хлебом снег быстрее сходит? (При гниении хлеба выделяется энергия, которая и идет на нагревание и плавление снега на амбаре.)

Физический эксперимент

Сравнение теплоемкости веществ.

Приборы и материалы: набор цилиндров одинаковой массы из стали, меди, алюминия; сосуд с горячей водой; пластинка из парафина.

Задание: опустите цилиндры в сосуд с горячей водой и подержите 3-4 мин. Затем аккуратно поставьте их на парафиновую пластинку и пронаблюдайте за плавлением парафина под каждым цилиндром. Сделайте вывод.

Материал	Глубина погружения цилиндра в пластинку из парафина, мм
Сталь	2
Алюминий	4
Медь	1

Вывод: максимальная теплоемкость у алюминия, минимальная — у меди.

Проверка знаний и умений.

Индивидуальные карточки-задания

1	2
1. Почему в строительной технике широко используют пористый материал? (Пористый материал легче, и теплопроводность у него очень плохая.) 2. Какая шляпа лучше защищает голову от жары: темная или светлая - и почему? (Светлая - она практически отражает всю солнечную энергию, темная же шляпа почти всю энергию поглощает.) 3. На сколько градусов нагреется цинковая деталь массой 40 г, если ей сообщить 760 Дж энергии? (На 47,5°С.) 4. Определите удельную теплоемкость металла массой 100 г, если при нагревании от 20 до 40 °С внутренняя энергия увеличилась на 280 Дж. (140 Дж/(кг·°С.) 5. Какое количество теплоты потребуется для нагревания олова объемом 400 см3 на 10 °С? (6 716 Дж.)	1. Почему грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый? (Он поглощает больше солнечной энергии.) 2. Почему алюминиевая кружка с чаем обжигает губы, а фарфоровая чашка нет? (Алюминий лучше, чем фарфор, проводит тепло.) 3. На сколько градусов остынет вода объемом 100 л, если отдаст в окружающую среду 1 680 кДж энергии? (На 4 °С.) 4. При охлаждении куска свинца массой 20 г внутренняя энергия уменьшилась на 2 кДж. Как изменилась при этом температура куска свинца? (Уменьшилась на 833 °С.) 5. Какое количество теплоты потребуется для нагревания воды объемом 2 л на 15 °С? (126 кДж.)
3	4
1. Можно ли предсказать, какое направление будет иметь ветер у моря с наступлением осенней холодной погоды? {Можно.) 2. Чем объяснить сильный нагрев покрышек колес автомобиля во время длительной езды? (Механическая работа превращается во внутреннюю энергию.) 3. Какую массу воды можно нагреть от 15 до 45 °С, затратив для этого энергию 1 260 кДж? (10 кг.) 4. Определите удельную теплоемкость металла, если для изменения температуры от 20 до 24 °С внутренняя энергия увеличилась на 152 Дж. Масса бруска 100 г. (380 Дж/(кг·°С).) 5. Какое количество теплоты потребуется для нагревания бруска серебра объемом 20 см3на 20 °С? (1 050 Дж.)	1. Зачем ствол винтовки покрывают деревянной ствольной накладкой? (Чтобы не обжигать руки.) 2. По каким соображениям холодильники изнутри и снаружи красят в белый цвет? (Белый цвет отражает излучение.) 3. Какую массу воды можно нагреть от 10 до 60 °С, затратив для этого энергию 210 кДж? (1 кг.) 4. На сколько градусов изменится температура воды в стакане, если ей сообщить количество теплоты 100 Дж? Вместимость стакана 200 см3. (≈ 0,12 °С.) 5. Какое количество теплоты потребуется для нагревания стали объемом 0,5 м3 на 100 °С? (195 МДж.)

Кроссворд

1. От этого параметра зависит количество тепла, которое надо подвести к телу при его нагревании до определенной температуры. 2. Один из способов теплопередачи. 3. Единица измерения энергии. 4. Единица измерения температуры, а также единица измерения углов в геометрии. 5. Величина, характеризующая взаимодействие тел. 6. От этой величины зависит скорость движения молекул. 7. Кинетическая, потенциальная, внутренняя... 8. Одна из основных единиц измерения в СИ. 9. Ученый, в честь которого названа одна из температурных шкал.

Ответы: 1 - масса, 2 - излучение, 3 - Джоуль, 4 - градус, 5 - сила, 6 - температура, 7 - энергия, 8 - метр, 9 - Фаренгейт.

Ключевое слово: калориметр.