Het concept van de hoeveelheid warmte ontstond in de vroege stadia van de ontwikkeling van de moderne natuurkunde, toen er nog geen duidelijke ideeën over bestonden interne structuur stoffen, wat energie is, welke vormen van energie er in de natuur bestaan ​​en energie als een vorm van beweging en transformatie van materie.

De hoeveelheid warmte wordt opgevat als een fysieke hoeveelheid die equivalent is aan de energie die wordt overgedragen naar een materieel lichaam tijdens het proces van warmte-uitwisseling.

De verouderde eenheid van warmte is de calorie, gelijk aan 4,2 J; tegenwoordig wordt deze eenheid praktisch niet gebruikt en heeft de joule zijn plaats ingenomen.

Aanvankelijk werd aangenomen dat de drager van thermische energie een volledig gewichtloos medium was met de eigenschappen van een vloeistof. Talrijke fysieke problemen van warmteoverdracht zijn en worden nog steeds opgelost op basis van dit uitgangspunt. Het bestaan ​​van hypothetische calorieën vormde de basis voor veel in wezen correcte constructies. Men geloofde dat calorieën vrijkomen en worden geabsorbeerd bij de verschijnselen van verwarming en koeling, smelten en kristallisatie. De juiste vergelijkingen voor warmteoverdrachtsprocessen werden verkregen op basis van onjuiste fysieke concepten. Er is een bekende wet volgens welke de hoeveelheid warmte direct evenredig is met de massa van het lichaam dat deelneemt aan de warmte-uitwisseling en de temperatuurgradiënt:

Waar Q de hoeveelheid warmte is, is m de lichaamsmassa en de coëfficiënt Met– een hoeveelheid die specifieke warmtecapaciteit wordt genoemd. Specifieke warmtecapaciteit is een kenmerk van een stof die bij een proces betrokken is.

Werk in de thermodynamica

Als resultaat van thermische processen, schoon mechanisch werk. Wanneer een gas bijvoorbeeld opwarmt, neemt het volume ervan toe. Laten we een situatie nemen zoals op de onderstaande afbeelding:

In dit geval zal de mechanische arbeid gelijk zijn aan de kracht van de gasdruk op de zuiger, vermenigvuldigd met het pad dat de zuiger onder druk aflegt. Dit is natuurlijk het eenvoudigste geval. Maar zelfs daarin kun je één moeilijkheid opmerken: de drukkracht zal afhangen van het volume van het gas, wat betekent dat we niet met constanten te maken hebben, maar met variabele hoeveelheden. Omdat alle drie de variabelen: druk, temperatuur en volume met elkaar verband houden, wordt het rekenwerk aanzienlijk ingewikkelder. Er zijn enkele ideale, oneindig langzame processen: isobaar, isotherm, adiabatisch en isochoor - waarvoor dergelijke berekeningen relatief eenvoudig kunnen worden uitgevoerd. Er wordt een grafiek van druk versus volume uitgezet en de arbeid wordt berekend als een integraal van de vorm.

De interne energie van een thermodynamisch systeem kan op twee manieren worden veranderd:

1. voorbij doen systeem werk,
2. gebruikmakend van thermische interactie.

De overdracht van warmte naar een lichaam houdt geen verband met het uitvoeren van macroscopisch werk aan het lichaam. In dit geval wordt de verandering in interne energie veroorzaakt door het feit dat individuele moleculen van een lichaam met een hogere temperatuur wel werken op sommige moleculen van een lichaam met een lagere temperatuur. In dit geval wordt thermische interactie gerealiseerd vanwege de thermische geleidbaarheid. Energieoverdracht is ook mogelijk met behulp van straling. Het systeem van microscopische processen (die niet betrekking hebben op het hele lichaam, maar op individuele moleculen) wordt warmteoverdracht genoemd. De hoeveelheid energie die van het ene lichaam naar het andere wordt overgedragen als gevolg van warmteoverdracht wordt bepaald door de hoeveelheid warmte die van het ene lichaam naar het andere wordt overgedragen.

Definitie

Warmte is de energie die wordt ontvangen (of afgegeven) door een lichaam tijdens het proces van warmte-uitwisseling met omringende lichamen (omgeving). Het symbool voor warmte is meestal de letter Q.

Dit is een van de basisgrootheden in de thermodynamica. Warmte is opgenomen in de wiskundige uitdrukkingen van de eerste en tweede wet van de thermodynamica. Van warmte wordt gezegd dat het energie is in de vorm van moleculaire beweging.

Warmte kan worden overgedragen aan het systeem (lichaam) of daaraan worden onttrokken. Er wordt aangenomen dat als warmte naar het systeem wordt overgedragen, dit positief is.

Formule voor het berekenen van warmte wanneer de temperatuur verandert

Laten we de elementaire hoeveelheid warmte aangeven als . Laten we opmerken dat het warmte-element dat het systeem ontvangt (geeft) bij een kleine verandering in zijn toestand geen volledig verschil is. De reden hiervoor is dat warmte een functie is van het proces waarbij de toestand van het systeem verandert.

De elementaire hoeveelheid warmte die aan het systeem wordt gegeven, en de temperatuurveranderingen van T naar T+dT, is gelijk aan:

waarbij C de warmtecapaciteit van het lichaam is. Als het lichaam in kwestie homogeen is, kan formule (1) voor de hoeveelheid warmte worden weergegeven als:

waar is de soortelijke warmtecapaciteit van het lichaam, m is de massa van het lichaam, is de molaire warmtecapaciteit, is de molaire massa substantie, is het aantal mol van de stof.

Als het lichaam homogeen is en de warmtecapaciteit onafhankelijk van de temperatuur wordt beschouwd, kan de hoeveelheid warmte () die het lichaam ontvangt wanneer de temperatuur met een bepaalde hoeveelheid stijgt, worden berekend als:

waarbij t 2, t 1 lichaamstemperaturen voor en na verwarming. Houd er rekening mee dat bij het vinden van het verschil () in berekeningen de temperaturen zowel in graden Celsius als in Kelvin kunnen worden vervangen.

Formule voor de hoeveelheid warmte tijdens faseovergangen

De overgang van de ene fase van een stof naar de andere gaat gepaard met de opname of afgifte van een bepaalde hoeveelheid warmte, die de faseovergangswarmte wordt genoemd.

Dus om een ​​materie-element van een vaste toestand naar een vloeistof over te brengen, moet het een hoeveelheid warmte () krijgen die gelijk is aan:

Waar - specifieke hitte smelten, dm – element van lichaamsmassa. Houd er rekening mee dat het lichaam een ​​temperatuur moet hebben die gelijk is aan het smeltpunt van de stof in kwestie. Tijdens kristallisatie komt warmte vrij gelijk aan (4).

De hoeveelheid warmte (verdampingswarmte) die nodig is om vloeistof in damp om te zetten, kan worden gevonden als:

waarbij r de soortelijke verdampingswarmte is. Wanneer stoom condenseert, komt er warmte vrij. De verdampingswarmte is gelijk aan de condensatiewarmte van gelijke massa's stof.

Eenheden voor het meten van de hoeveelheid warmte

De basismeeteenheid voor de hoeveelheid warmte in het SI-systeem is: [Q]=J

Een extra systeemeenheid voor warmte, die vaak wordt aangetroffen in technische berekeningen. [Q]=cal (calorie). 1 cal=4,1868 J.

Voorbeelden van probleemoplossing

Voorbeeld

Oefening. Welke volumes water moeten worden gemengd om 200 liter water te verkrijgen bij een temperatuur van t = 40C, als de temperatuur van één massa water t 1 = 10 C is, is de temperatuur van de tweede massa water t 2 = 60 C ?

Oplossing. Laten we de warmtebalansvergelijking in de vorm schrijven:

waarbij Q=cmt de hoeveelheid warmte is die wordt bereid na het mengen van het water; Q 1 = cm 1 t 1 - de hoeveelheid warmte van een deel van water met temperatuur t 1 en massa m 1; Q 2 = cm 2 t 2 - de hoeveelheid warmte van een deel van het water met temperatuur t 2 en massa m 2.

Uit vergelijking (1.1) volgt:

Wanneer we koude (V 1) en warme (V 2) delen water combineren tot één volume (V), kunnen we aannemen dat:

We krijgen dus een systeem van vergelijkingen:

Nadat we het hebben opgelost, krijgen we:

Zoals bekend, op verschillende mechanische processen mechanische energieveranderingen W meh. Een maatstaf voor de verandering in mechanische energie is het werk van krachten die op het systeem worden uitgeoefend:

\(~\Delta W_(meh) = A.\)

Tijdens de warmte-uitwisseling vindt er een verandering plaats in de interne energie van het lichaam. Een maatstaf voor de verandering in interne energie tijdens warmteoverdracht is de hoeveelheid warmte.

Hoeveelheid warmte is een maatstaf voor de verandering in interne energie die een lichaam ontvangt (of opgeeft) tijdens het proces van warmte-uitwisseling.

Zowel de arbeid als de hoeveelheid warmte karakteriseren dus de verandering in energie, maar zijn niet identiek aan energie. Ze karakteriseren niet de toestand van het systeem zelf, maar bepalen het proces van energietransitie van het ene type naar het andere (van het ene lichaam naar het andere) wanneer de toestand verandert, en zijn in belangrijke mate afhankelijk van de aard van het proces.

Het belangrijkste verschil tussen arbeid en de hoeveelheid warmte is dat arbeid het proces kenmerkt van het veranderen van de interne energie van een systeem, vergezeld van de transformatie van energie van het ene type naar het andere (van mechanisch naar intern). De hoeveelheid warmte karakteriseert het proces van overdracht van interne energie van het ene lichaam naar het andere (van meer verwarmd naar minder verwarmd), dat niet gepaard gaat met energietransformaties.

De ervaring leert dat de hoeveelheid warmte die nodig is om een ​​lichaamsmassa te verwarmen M op temperatuur T 1 op temperatuur T 2, berekend met de formule

\(~Q = cm (T_2 - T_1) = cm \Delta T, \qquad (1)\)

Waar C- soortelijke warmtecapaciteit van de stof;

\(~c = \frac(Q)(m (T_2 - T_1)).\)

De SI-eenheid van soortelijke warmtecapaciteit is joule per kilogram Kelvin (J/(kg K)).

Specifieke hitte C is numeriek gelijk aan de hoeveelheid warmte die moet worden afgegeven aan een lichaam van 1 kg om het met 1 K te verwarmen.

Warmte capaciteit lichaam C T is numeriek gelijk aan de hoeveelheid warmte die nodig is om de lichaamstemperatuur met 1 K te veranderen:

\(~C_T = \frac(Q)(T_2 - T_1) = cm.\)

De SI-eenheid van warmtecapaciteit van een lichaam is joule per Kelvin (J/K).

Om een ​​vloeistof bij een constante temperatuur in stoom om te zetten, is er een bepaalde hoeveelheid warmte nodig

\(~Q = Lm, \qquad (2)\)

Waar L- soortelijke verdampingswarmte. Wanneer stoom condenseert, komt dezelfde hoeveelheid warmte vrij.

Om een ​​kristallijn lichaam te laten smelten M op het smeltpunt moet het lichaam de hoeveelheid warmte doorgeven

\(~Q = \lambda m, \qquad (3)\)

Waar λ - soortelijke smeltwarmte. Wanneer een lichaam kristalliseert, komt er dezelfde hoeveelheid warmte vrij.

De hoeveelheid warmte die vrijkomt bij volledige verbranding van een massa brandstof M,

\(~Q = qm, \qquad (4)\)

Waar Q- soortelijke verbrandingswarmte.

De SI-eenheid van soortelijke warmte van verdamping, smelten en verbranding is joule per kilogram (J/kg).

Literatuur

Aksenovich L.A. Natuurkunde in middelbare school: Theorie. Taken. Toetsen: leerboek. tegemoetkoming voor instellingen die algemeen vormend onderwijs verzorgen. milieu, onderwijs / L.A. Aksenovich, N.N. Rakina, K.S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyhavanne, 2004. - P. 154-155.

De focus van ons artikel ligt op de hoeveelheid warmte. We zullen het concept van interne energie bekijken, dat wordt getransformeerd wanneer deze hoeveelheid verandert. We zullen ook enkele voorbeelden laten zien van de toepassing van berekeningen in menselijke activiteit.

Warmte

Met welk woord dan ook moedertaal Iedereen heeft zijn eigen associaties. Ze zijn vastberaden persoonlijke ervaring en irrationele gevoelens. Waar denk jij meestal aan als je het woord ‘warmte’ hoort? Zachte deken, werkende batterij centrale verwarming in de winter, het eerste zonlicht in de lente, cat. Of de blik van een moeder, het geruststellende woord van een vriendin, tijdige aandacht.

Natuurkundigen bedoelen hiermee een heel specifieke term. En heel belangrijk, vooral in sommige delen van deze complexe maar fascinerende wetenschap.

Thermodynamica

Het is niet de moeite waard om de hoeveelheid warmte los te zien van de eenvoudigste processen waarop de wet van behoud van energie is gebaseerd - niets zal duidelijk zijn. Laten we daarom eerst onze lezers eraan herinneren.

De thermodynamica beschouwt elk ding of object als een verbinding grote hoeveelheid elementaire delen - atomen, ionen, moleculen. De vergelijkingen beschrijven elke verandering in de collectieve toestand van het systeem als geheel en als onderdeel van het geheel wanneer macroparameters veranderen. Dit laatste verwijst naar temperatuur (aangeduid als T), druk (P), concentratie van componenten (meestal C).

Interne energie

Interne energie is een nogal complexe term, waarvan de betekenis de moeite waard is om te begrijpen voordat we het hebben over de hoeveelheid warmte. Het duidt de energie aan die verandert wanneer de waarde van de macroparameters van een object toeneemt of afneemt, en is niet afhankelijk van het referentiesysteem. Het maakt deel uit van de totale energie. Het valt ermee samen in omstandigheden waarin het massamiddelpunt van het onderzochte ding in rust is (dat wil zeggen, er is geen kinetische component).

Wanneer iemand voelt dat een voorwerp (bijvoorbeeld een fiets) warm of koud is geworden, laat dit zien dat alle moleculen en atomen waaruit het lichaam bestaat dit systeem, ervoer een verandering in interne energie. De constante temperatuur betekent echter niet het behoud van deze indicator.

Werk en hitte

De interne energie van elk thermodynamisch systeem kan op twee manieren worden getransformeerd:

• door eraan te werken;
• tijdens warmte-uitwisseling met de omgeving.

De formule voor dit proces ziet er als volgt uit:

dU=Q-A, waarbij U - interne energie, Q - warmte, A - werk.

Laat de lezer niet misleid worden door de eenvoud van de uitdrukking. De herschikking laat zien dat Q=dU+A, maar de introductie van entropie (S) brengt de formule naar de vorm dQ=dSxT.

Omdat in dit geval de vergelijking de vorm aanneemt van een differentiële vergelijking, vereist de eerste uitdrukking hetzelfde. Afhankelijk van de krachten die inwerken op het te bestuderen object en de parameter die wordt berekend, wordt vervolgens de vereiste verhouding afgeleid.

Laten we een metalen bal nemen als voorbeeld van een thermodynamisch systeem. Als je erop drukt, overgeeft, in een diepe put laat vallen, dan betekent dit dat je eraan moet werken. Uiterlijk zullen al deze onschadelijke acties de bal geen schade toebrengen, maar de interne energie zal veranderen, zij het in zeer geringe mate.

De tweede methode is warmte-uitwisseling. Nu komen we bij het hoofddoel van dit artikel: een beschrijving van wat de hoeveelheid warmte is. Dit is een verandering in de interne energie van een thermodynamisch systeem die optreedt tijdens warmte-uitwisseling (zie bovenstaande formule). Het wordt gemeten in joules of calorieën. Uiteraard als de bal boven een aansteker, in de zon of gewoon erin wordt gehouden warme hand, dan wordt het warm. En dan kun je de temperatuurverandering gebruiken om de hoeveelheid warmte te vinden die naar hem is gecommuniceerd.

Waarom gas het beste voorbeeld is van een verandering in de interne energie, en waarom schoolkinderen hierdoor niet van natuurkunde houden

Hierboven hebben we veranderingen in thermodynamische parameters beschreven metalen bal. Ze zijn zonder speciale apparaten zijn niet erg opvallend, en de lezer kan alleen maar iets zeggen over de processen die met het object plaatsvinden. Het is een andere zaak als het systeem op gas is. Druk erop - het zal zichtbaar zijn, verwarm het - de druk zal stijgen, laat het ondergronds zakken - en het kan gemakkelijk worden vastgelegd. Daarom wordt gas in schoolboeken meestal gebruikt als een visueel thermodynamisch systeem.

Maar helaas, binnen modern onderwijs echte ervaringen er wordt niet veel aandacht aan besteed. Wetenschapper die schrijft Gereedschapskist, begrijpt perfect waar hij het over heeft we praten over. Het lijkt hem dat aan de hand van het voorbeeld van gasmoleculen alle thermodynamische parameters goed zullen worden aangetoond. Maar een student die deze wereld net ontdekt, verveelt zich als hij hoort over een ideale fles met een theoretische zuiger. Als er echte mensen op school zaten onderzoekslaboratoria en er uren voor werk in werden toegewezen, zou alles anders zijn. Tot nu toe zijn de experimenten helaas alleen op papier. En hoogstwaarschijnlijk is dit precies de reden dat mensen deze tak van de natuurkunde als iets puur theoretisch beschouwen, ver van het leven en onnodig.

Daarom hebben we besloten de hierboven genoemde fiets als voorbeeld te gebruiken. Een persoon drukt op de pedalen en werkt eraan. Naast het geven van koppel aan het hele mechanisme (waardoor de fiets in de ruimte beweegt), verandert de interne energie van de materialen waaruit de hendels zijn gemaakt. De fietser drukt op de hendels om te draaien en doet opnieuw het werk.

De interne energie van de buitenste coating (kunststof of metaal) neemt toe. Een persoon rijdt naar een open plek onder de felle zon - de fiets wordt warm, de hoeveelheid warmte verandert. Stopt om uit te rusten in de schaduw van een oude eik en het systeem koelt af, waarbij calorieën of joules verloren gaan. Verhoogt de snelheid - verhoogt de energie-uitwisseling. Het berekenen van de hoeveelheid warmte in al deze gevallen zal echter een zeer kleine, onmerkbare waarde opleveren. Daarom lijkt het erop dat de manifestaties van de thermodynamische fysica in echte leven Nee.

Toepassing van berekeningen voor veranderingen in de hoeveelheid warmte

De lezer zal waarschijnlijk zeggen dat dit allemaal heel leerzaam is, maar waarom worden we op school zo gekweld met deze formules? En nu zullen we voorbeelden geven op welke gebieden van menselijke activiteit ze direct nodig zijn en hoe dit iedereen in zijn dagelijks leven aangaat.

Kijk eerst om je heen en tel: hoeveel metalen voorwerpen omringen je? Waarschijnlijk meer dan tien. Maar voordat het een paperclip, een koets, een ring of een flashdrive wordt, wordt elk metaal eerst gesmolten. Elke fabriek die bijvoorbeeld ijzererts verwerkt, moet begrijpen hoeveel brandstof er nodig is om de kosten te optimaliseren. En bij het berekenen hiervan is het noodzakelijk om de warmtecapaciteit van de metaalhoudende grondstof te kennen en de hoeveelheid warmte die eraan moet worden doorgegeven om alles te laten gebeuren. technologische processen. Omdat de energie die vrijkomt door een eenheid brandstof wordt berekend in joules of calorieën, zijn de formules direct nodig.

Of nog een voorbeeld: de meeste supermarkten hebben een afdeling met diepvriesproducten: vis, vlees, fruit. Waar grondstoffen uit dierlijk vlees of zeevruchten worden omgezet in halffabrikaten, moet u weten hoeveel elektriciteit koel- en vrieseenheden per ton of eenheid zullen verbruiken afgewerkt product. Om dit te doen, moet je berekenen hoeveel warmte een kilo aardbeien of inktvis verliest als deze met één graad Celsius wordt gekoeld. En uiteindelijk zal dit aantonen hoeveel elektriciteit een vriezer van een bepaald vermogen zal verbruiken.

Vliegtuigen, schepen, treinen

Hierboven hebben we voorbeelden getoond van relatief bewegingloze, statische objecten waaraan een bepaalde hoeveelheid warmte wordt verleend of waaraan juist een bepaalde hoeveelheid warmte wordt onttrokken. Voor objecten die tijdens bedrijf bewegen onder omstandigheden waarbij de temperatuur voortdurend verandert, zijn berekeningen van de hoeveelheid warmte om een ​​andere reden belangrijk.

Er bestaat zoiets als ‘metaalmoeheid’. Het omvat ook de maximaal toelaatbare belastingen bij een bepaalde temperatuurverandering. Stel je een vliegtuig voor dat opstijgt vanuit de vochtige tropen naar de bevroren bovenste atmosfeer. Ingenieurs moeten hard werken om ervoor te zorgen dat het niet uit elkaar valt als gevolg van scheuren in het metaal die ontstaan ​​als de temperatuur verandert. Ze zijn op zoek naar een legeringssamenstelling die bestand is tegen echte belastingen en een grote veiligheidsmarge heeft. En om niet blind te zoeken, in de hoop per ongeluk tegen te komen de gewenste compositie, moet je veel berekeningen uitvoeren, inclusief berekeningen die betrekking hebben op veranderingen in de hoeveelheid warmte.

1. De verandering in interne energie door het doen van werk wordt gekenmerkt door de hoeveelheid werk, d.w.z. arbeid is een maatstaf voor de verandering in interne energie in een bepaald proces. De verandering in de interne energie van een lichaam tijdens warmteoverdracht wordt gekenmerkt door een hoeveelheid die wordt genoemd hoeveelheid warmte.

De hoeveelheid warmte is de verandering in de interne energie van een lichaam tijdens het proces van warmteoverdracht zonder arbeid te verrichten.

De hoeveelheid warmte wordt aangegeven met de letter ​\(Q\) ​. Omdat de hoeveelheid warmte een maatstaf is voor de verandering in interne energie, is de eenheid ervan de joule (1 J).

Wanneer een lichaam een ​​bepaalde hoeveelheid warmte overdraagt ​​zonder arbeid te verrichten, neemt de interne energie toe; als het lichaam een ​​bepaalde hoeveelheid warmte afgeeft, neemt de interne energie af.

2. Als je 100 g water in twee identieke vaten giet, de ene en 400 g in de andere met dezelfde temperatuur, en deze op identieke branders plaatst, zal het water in het eerste vat eerder koken. Dus hoe groter de massa van een lichaam, hoe groter de hoeveelheid warmte die het nodig heeft om op te warmen. Hetzelfde geldt voor koeling: een lichaam met een grotere massa geeft bij afkoeling meer warmte af. Deze lichamen zijn gemaakt van dezelfde stof en worden met hetzelfde aantal graden opgewarmd of afgekoeld.

​3. Als we nu 100 g water verwarmen van 30 naar 60 °C, d.w.z. bij 30 °C en vervolgens tot 100 °C, d.w.z. met 70 °C, dan zal het in het eerste geval minder tijd kosten om op te warmen dan in het tweede, en dienovereenkomstig zal het verwarmen van water met 30 °C minder warmte vereisen dan het verwarmen van water met 70 °C. De hoeveelheid warmte is dus recht evenredig met het verschil tussen de uiteindelijke ​\((t_2\,^\circ C) \) ​ en initiële \((t_1\,^\circ C) \) temperaturen: ​\( Q\sim(t_2-t_1) \) ​.

4. Als je nu 100 g water in één vat giet, en een beetje water in een ander, identiek vat giet en daarin een metalen lichaam plaatst, zodat de massa en de watermassa 100 g zijn, en de vaten op identieke tegels verwarmt, dan je zult merken dat een vat dat alleen water bevat een lagere temperatuur zal hebben dan een vat dat water en een metalen lichaam bevat. Om de temperatuur van de inhoud in beide vaten hetzelfde te laten zijn, is het daarom noodzakelijk om meer warmte aan het water over te dragen dan aan het water en het metalen lichaam. De hoeveelheid warmte die nodig is om een ​​lichaam te verwarmen, hangt dus af van het type stof waaruit het lichaam is gemaakt.

5. Gekenmerkt wordt de afhankelijkheid van de hoeveelheid warmte die nodig is om een ​​lichaam te verwarmen van het type stof fysieke hoeveelheid, genaamd specifieke warmte capaciteit stoffen.

Een fysieke hoeveelheid die gelijk is aan de hoeveelheid warmte die aan 1 kg van een stof moet worden overgedragen om deze met 1 ° C (of 1 K) te verwarmen, wordt de soortelijke warmtecapaciteit van de stof genoemd.

1 kg stof geeft dezelfde hoeveelheid warmte af bij afkoeling met 1 °C.

De soortelijke warmtecapaciteit wordt aangegeven met de letter ​\(c\) ​. Eenheid specifieke warmte capaciteit is 1 J/kg °C of 1 J/kg K.

De specifieke warmtecapaciteit van stoffen wordt experimenteel bepaald. Vloeistoffen hebben een hogere soortelijke warmtecapaciteit dan metalen; Water heeft de hoogste soortelijke warmte, goud heeft een zeer kleine soortelijke warmte.

De soortelijke warmte van lood bedraagt ​​140 J/kg °C. Dit betekent dat om 1 kg lood met 1 °C te verwarmen er een hoeveelheid warmte van 140 J nodig is. Dezelfde hoeveelheid warmte komt vrij wanneer 1 kg water 1 °C afkoelt.

Omdat de hoeveelheid warmte gelijk is aan de verandering in de interne energie van het lichaam, kunnen we zeggen dat de specifieke warmtecapaciteit aangeeft hoeveel de interne energie van 1 kg van een stof verandert wanneer de temperatuur met 1 °C verandert. In het bijzonder neemt de interne energie van 1 kg lood toe met 140 J bij verhitting met 1 °C, en neemt af met 140 J bij afkoeling.

De hoeveelheid warmte ​\(Q \) ​ die nodig is om een ​​massalichaam ​\(m \) ​ te verwarmen van temperatuur \((t_1\,^\circ C) \) naar temperatuur \((t_2\,^\ circ C) \) is gelijk aan het product van de soortelijke warmtecapaciteit van de stof, de lichaamsmassa en het verschil tussen de eind- en begintemperatuur, d.w.z.

\[ Q=cm(t_2()^\circ-t_1()^\circ) \]

Dezelfde formule wordt gebruikt om de hoeveelheid warmte te berekenen die een lichaam afgeeft bij afkoeling. Alleen in dit geval moet de eindtemperatuur worden afgetrokken van de begintemperatuur, d.w.z. van grotere waarde trek de laagste temperatuur af.

6. Voorbeeld van probleemoplossing. 100 g water van 20 °C wordt in een glas gegoten dat 200 g water van 80 °C bevat. Hierna bereikte de temperatuur in het vat 60 °C. Hoeveel warmte kreeg het koude water en hoeveel warmte gaf het warme water af?

Bij het oplossen van een probleem moet u de volgende reeks acties uitvoeren:

1. schrijf kort de omstandigheden van het probleem op;
2. converteer de waarden van hoeveelheden naar SI;
3. analyseer het probleem, stel vast welke lichamen betrokken zijn bij de warmte-uitwisseling, welke lichamen energie afgeven en welke ontvangen;
4. los het probleem op algemeen beeld;
5. berekeningen uitvoeren;
6. analyseer het ontvangen antwoord.

1. De taak.

Gegeven:
​\(m_1 \) ​ = 200 g
​\(m_2\) ​ = 100 g
​\(t_1 \) ​ = 80°C
​\(t_2 \) ​ = 20°C
​\(t\) ​ = 60°C
______________

​\(Q_1 \) ​ — ? ​\(Q_2 \) ​ — ?
​\(c_1 \) ​ = 4200 J/kg °C

2. SI:​\(m_1\) ​ = 0,2kg; ​\(m_2\) ​ = 0,1 kg.

3. Taakanalyse. Het probleem beschrijft het proces van warmte-uitwisseling tussen warme en koud water. Heet water geeft een hoeveelheid warmte af ​\(Q_1 \) ​ en koelt af van temperatuur ​\(t_1 \) ​ naar temperatuur ​\(t \) ​. Koud water ontvangt de hoeveelheid warmte ​\(Q_2 \) ​ en warmt op van temperatuur ​\(t_2 \) ​ naar temperatuur ​\(t \) ​.

4. Oplossing van het probleem in algemene vorm. De hoeveelheid warmte die wordt afgegeven heet water, wordt berekend met de formule: ​\(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) ​.

De hoeveelheid warmte die koud water ontvangt, wordt berekend met de formule: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) .

5. Berekeningen.
​\(Q_1 \) ​ = 4200 J/kg · °С · 0,2 kg · 20 °С = 16800 J
\(Q_2\) = 4200 J/kg °C 0,1 kg 40 °C = 16800 J

6. Het antwoord is dat de hoeveelheid warmte die door warm water wordt afgegeven gelijk is aan de hoeveelheid warmte die door koud water wordt ontvangen. In dit geval werd uitgegaan van een geïdealiseerde situatie en werd er geen rekening mee gehouden dat een bepaalde hoeveelheid warmte werd gebruikt om het glas waarin het water zich bevond en de omringende lucht te verwarmen. In werkelijkheid is de hoeveelheid warmte die door warm water wordt afgegeven groter dan de hoeveelheid warmte die door koud water wordt ontvangen.

Deel 1

1. De soortelijke warmtecapaciteit van zilver bedraagt ​​250 J/(kg °C). Wat betekent dit?

1) wanneer 1 kg zilver afkoelt tot 250 °C, komt er een hoeveelheid warmte vrij van 1 J
2) wanneer 250 kg zilver 1 °C afkoelt, komt er een hoeveelheid warmte vrij van 1 J
3) wanneer 250 kg zilver 1 °C afkoelt, wordt er een hoeveelheid warmte van 1 J geabsorbeerd
4) wanneer 1 kg zilver 1 °C afkoelt, komt er een hoeveelheid warmte vrij van 250 J

2. De soortelijke warmtecapaciteit van zink bedraagt ​​400 J/(kg °C). Het betekent dat

1) Wanneer 1 kg zink wordt verwarmd tot 400 °C, neemt de interne energie toe met 1 J
2) wanneer 400 kg zink met 1 °C wordt verwarmd, neemt de interne energie ervan met 1 J toe
3) om 400 kg zink met 1 °C te verwarmen is er 1 J energie nodig
4) wanneer 1 kg zink met 1 °C wordt verwarmd, neemt de interne energie ervan toe met 400 J

3. Bij het overbrengen stevig lichaam massa ​\(m \) ​ hoeveelheid warmte ​\(Q \) ​ lichaamstemperatuur verhoogd met ​\(\Delta t^\circ \) ​. Welke van de volgende uitdrukkingen bepaalt de soortelijke warmtecapaciteit van de substantie van dit lichaam?

1) ​\(\frac(m\Delta t^\circ)(Q) \)​
2) \(\frac(Q)(m\Delta t^\circ) \)​
3) \(\frac(Q)(\Delta t^\circ) \) ​
4) \(Qm\Delta t^\circ \) ​

4. De figuur toont een grafiek waarin de afhankelijkheid van de hoeveelheid warmte die nodig is om twee lichamen (1 en 2) met dezelfde massa te verwarmen, afhankelijk is van de temperatuur. Vergelijk de specifieke warmtecapaciteitswaarden (​\(c_1 \) ​ en ​\(c_2 \) ​) van de stoffen waaruit deze lichamen zijn gemaakt.

1) ​\(c_1=c_2 \) ​
2) ​\(c_1>c_2 \) ​
3)\(c_1 4) het antwoord hangt af van de waarde van de massa van de lichamen

5. Het diagram toont de hoeveelheid warmte die wordt overgedragen naar twee lichamen met dezelfde massa wanneer hun temperatuur met hetzelfde aantal graden verandert. Welke relatie is correct voor de soortelijke warmtecapaciteiten van de stoffen waaruit lichamen zijn gemaakt?

1) \(c_1=c_2\)
2) \(c_1=3c_2\)
3) \(c_2=3c_1\)
4) \(c_2=2c_1\)

6. De figuur toont een grafiek van de temperatuur van een vast lichaam, afhankelijk van de hoeveelheid warmte die het afgeeft. Lichaamsgewicht 4 kg. Wat is de soortelijke warmtecapaciteit van de substantie van dit lichaam?

1) 500 J/(kg °C)
2) 250 J/(kg °C)
3) 125 J/(kg °C)
4) 100 J/(kg °C)

7. Bij het verwarmen van een kristallijne substantie met een gewicht van 100 g werden de temperatuur van de substantie en de hoeveelheid warmte die aan de substantie werd verleend gemeten. De meetgegevens werden in tabelvorm gepresenteerd. Ervan uitgaande dat energieverliezen kunnen worden verwaarloosd, bepaalt u de specifieke warmtecapaciteit van de stof in vaste toestand.

1) 192 J/(kg °C)
2) 240 J/(kg °C)
3) 576 J/(kg °C)
4) 480 J/(kg °C)

8. Om 192 g molybdeen met 1 K te verwarmen, moet je er een hoeveelheid warmte van 48 J aan overdragen. Wat is de soortelijke warmte van deze stof?

1) 250 J/(kg·K)
2) 24 J/(kg·K)
3) 4·10 -3 J/(kg·K)
4) 0,92 J/(kg·K)

9. Hoeveel warmte is er nodig om 100 g lood van 27 naar 47 °C te verwarmen?

1) 390 J
2) 26 kJ
3) 260 J
4) 390 kJ

10. Voor het verwarmen van een steen van 20 naar 85 °C is evenveel warmte nodig als voor het verwarmen van water met dezelfde massa tot 13 °C. De soortelijke warmtecapaciteit van de steen is

1) 840 J/(kg·K)
2) 21000 J/(kg K)
3) 2100 J/(kg·K)
4) 1680 J/(kg K)

11. Selecteer uit de onderstaande lijst met uitspraken de twee juiste en noteer hun cijfers in de tabel.

1) De hoeveelheid warmte die een lichaam ontvangt als de temperatuur met een bepaald aantal graden stijgt, is gelijk aan de hoeveelheid warmte die dit lichaam afgeeft als de temperatuur met hetzelfde aantal graden daalt.
2) Wanneer een stof afkoelt, neemt de interne energie ervan toe.
3) De hoeveelheid warmte die een stof ontvangt bij verhitting wordt voornamelijk gebruikt om de kinetische energie van zijn moleculen te vergroten.
4) De hoeveelheid warmte die een stof ontvangt bij verhitting wordt voornamelijk gebruikt om de potentiële interactie-energie van zijn moleculen te vergroten
5) De interne energie van een lichaam kan alleen worden veranderd door er een bepaalde hoeveelheid warmte aan toe te voegen

12. De tabel presenteert de resultaten van metingen van massa ​\(m\) ​, temperatuurveranderingen ​\(\Delta t\) ​ en de hoeveelheid warmte ​\(Q\) ​ die vrijkomt tijdens het afkoelen van cilinders gemaakt van koper of aluminium .

Welke uitspraken komen overeen met de resultaten van het experiment? Selecteer twee juiste uit de weergegeven lijst. Vermeld hun nummers. Op basis van de metingen kan worden gesteld dat de hoeveelheid warmte die vrijkomt tijdens het koelen

1) hangt af van de stof waaruit de cilinder is gemaakt.
2) is niet afhankelijk van de stof waaruit de cilinder is gemaakt.
3) neemt toe met toenemende cilindermassa.
4) neemt toe met toenemend temperatuurverschil.
5) de soortelijke warmtecapaciteit van aluminium is 4 maal groter dan de soortelijke warmtecapaciteit van tin.

Deel 2

C1. Een vast lichaam met een gewicht van 2 kg wordt in een oven van 2 kW geplaatst en begint op te warmen. De figuur toont de afhankelijkheid van de temperatuur ​\(t\) ​ van dit lichaam en de verwarmingstijd ​\(\tau \) ​. Wat is de soortelijke warmtecapaciteit van de stof?

1) 400 J/(kg °C)
2) 200 J/(kg °C)
3) 40 J/(kg °C)
4) 20 J/(kg °C)

Antwoorden