Ciepło właściwe: obliczanie ilości ciepła. Jakie jest ciepło właściwe?

05.04.2019, 01:47

Ciepło właściwe

Pojemność cieplna to ilość ciepła pochłonięta przez ciało podgrzane o 1 stopień.

Pojemność cieplna ciała jest oznaczona wielką literą łacińską Z.

Od czego zależy pojemność cieplna ciała? Przede wszystkim z jego masy. Oczywiste jest, że podgrzanie na przykład 1 kilograma wody będzie wymagało więcej ciepła niż podgrzanie 200 gramów.

A co z rodzajem substancji? Zróbmy eksperyment. Weźmy dwa identyczne naczynia i wlewając do jednego z nich wodę o wadze 400 g, a do drugiego olej roślinny o wadze 400 g, zaczniemy je podgrzewać za pomocą identycznych palników. Obserwując wskazania termometru zobaczymy, że olej nagrzewa się szybciej. Aby ogrzać wodę i olej do tej samej temperatury, wodę należy podgrzewać dłużej. Ale im dłużej podgrzewamy wodę, tym więcej ciepła otrzymuje ona z palnika.

Zatem do ogrzania tej samej masy różnych substancji do tej samej temperatury potrzeba różnej ilości ciepła. Ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała, a co za tym idzie, jego pojemność cieplna, zależą od rodzaju substancji, z której zbudowane jest ciało.

I tak np. do ogrzania wody o masie 1 kg o 1°C potrzeba ciepła 4200 J, a do ogrzania tej samej masy oleju słonecznikowego o 1°C ilość ciepła równa Wymagane jest 1700 J.

Wielkość fizyczna pokazująca, ile ciepła potrzeba do ogrzania 1 kg substancji o 1°C, nazywa się ciepłem właściwym tej substancji.

Każda substancja ma swoją pojemność cieplną właściwą, oznaczoną łacińską literą c i mierzoną w dżulach na kilogram stopnia (J/(kg·K)).

Ciepło właściwe tej samej substancji w różnych stanach skupienia (stałym, ciekłym i gazowym) jest różne. Na przykład ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/(kg·K) i ciepło właściwe lodu J/(kg·K) ; aluminium w stanie stałym ma ciepło właściwe 920 J/(kg K), a w cieczy - J/(kg K).

Należy pamiętać, że woda ma bardzo duże ciepło właściwe. Dlatego też woda w morzach i oceanach nagrzewając się latem, pochłania dużą ilość ciepła z powietrza. Dzięki temu w miejscach położonych w pobliżu dużych zbiorników wodnych lato nie jest tak gorące, jak w miejscach oddalonych od wody.

Ciepło właściwe ciał stałych

W tabeli przedstawiono średnie wartości ciepła właściwego substancji w zakresie temperatur od 0 do 10°C (chyba że wskazano inną temperaturę)

Substancja	Ciepło właściwe, kJ/(kg·K)
Stały azot (w t=-250°C)	0,46
Beton (przy t=20°C)	0,88
Papier (w t=20°C)	1,50
Powietrze jest ciałem stałym (w t=-193°C)	2,0
Grafit	0,75
dąb	2,40
Sosna, świerk	2,70
Sól kamienna	0,92
Kamień	0,84
Cegła (w t=0°C)	0,88

Ciepło właściwe cieczy

Substancja	Temperatura, °C
Benzyna (B-70)	20	2,05
Woda	1-100	4,19
Glicerol	0-100	2,43
Nafta oczyszczona	0-100	2,09
Olej maszynowy	0-100	1,67
Olej słonecznikowy	20	1,76
Miód	20	2,43
mleko	20	3,94
Olej	0-100	1,67-2,09
Rtęć	0-300	0,138
Alkohol	20	2,47
Eter	18	3,34

Ciepło właściwe metali i stopów

Substancja	Temperatura, °C	Ciepło właściwe, kJ/(kg·K)
Aluminium	0-200	0,92
Wolfram	0-1600	0,15
Żelazo	0-100	0,46
Żelazo	0-500	0,54
Złoto	0-500	0,13
Iryd	0-1000	0,15
Magnez	0-500	1,10
Miedź	0-500	0,40
Nikiel	0-300	0,50
Cyna	0-200	0,23
Platyna	0-500	0,14
Ołów	0-300	0,14
Srebro	0-500	0,25
Stal	50-300	0,50
Cynk	0-300	0,40
Żeliwo	0-200	0,54

Ciepło właściwe roztopionych metali i stopów ciekłych

Substancja	Temperatura, °C	Ciepło właściwe, kJ/(kg·K)
Azot	-200,4	2,01
Aluminium	660-1000	1,09
Wodór	-257,4	7,41
Powietrze	-193,0	1,97
Hel	-269,0	4,19
Złoto	1065-1300	0,14
Tlen	-200,3	1,63
Sód	100	1,34
Cyna	250	0,25
Ołów	327	0,16
Srebro	960-1300	0,29

Ciepło właściwe gazów i par

przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym

Substancja	Temperatura, °C	Ciepło właściwe, kJ/(kg·K)
Azot	0-200	1,0
Wodór	0-200	14,2
para wodna	100-500	2,0
Powietrze	0-400	1,0
Hel	0-600	5,2
Tlen	20-440	0,92
Tlenek węgla(II).	26-200	1,0
Tlenek węgla	0-600	1,0
Opary alkoholu	40-100	1,2
Chlor	13-200	0,50

Jak myślisz, co nagrzewa się szybciej na kuchence: litr wody w rondlu czy sam rondel o wadze 1 kilograma? Masa ciał jest taka sama, można założyć, że nagrzewanie będzie następowało z tą samą szybkością.

Ale tak nie było! Możesz przeprowadzić eksperyment - postaw na ogień pusty rondelek na kilka sekund, tylko go nie przypal i pamiętaj, do jakiej temperatury się rozgrzał. Następnie wlej do garnka dokładnie tyle samo wody, ile waży patelnia. Teoretycznie woda powinna nagrzać się do tej samej temperatury, co pusta patelnia, w dwa razy dłuższym czasie, gdyż w tym przypadku nagrzewają się obie – zarówno woda, jak i patelnia.

Jednak nawet jeśli poczekasz trzy razy dłużej, będziesz przekonany, że woda nadal będzie się mniej nagrzewać. Woda potrzebuje prawie dziesięć razy więcej czasu, aby osiągnąć tę samą temperaturę, co patelnia o tej samej wadze. Dlaczego to się dzieje? Co zapobiega nagrzewaniu się wody? Dlaczego powinniśmy marnować dodatkową wodę do ogrzewania gazowego podczas gotowania? Ponieważ istnieje wielkość fizyczna zwana ciepłem właściwym substancji.

Ciepło właściwe substancji

Wartość ta pokazuje, ile ciepła należy przekazać ciału o masie jednego kilograma, aby jego temperatura wzrosła o jeden stopień Celsjusza. Mierzone w J/(kg * ˚С). Wartość ta istnieje nie z powodu własnego kaprysu, ale z powodu różnicy we właściwościach różnych substancji.

Ciepło właściwe wody jest około dziesięciokrotnie wyższe niż ciepło właściwe żelaza, dlatego naczynie nagrzewa się dziesięć razy szybciej niż znajdująca się w nim woda. Ciekawe, że ciepło właściwe lodu jest o połowę mniejsze niż woda. Dlatego lód nagrzewa się dwa razy szybciej niż woda. Topienie lodu jest łatwiejsze niż podgrzewanie wody. Choć może to zabrzmieć dziwnie, jest to fakt.

Obliczanie ilości ciepła

Ciepło właściwe jest oznaczone literą C I użyte we wzorze na obliczenie ilości ciepła:

Q = c*m*(t2 - t1),

gdzie Q jest ilością ciepła,
c - ciepło właściwe,
m - masa ciała,
t2 i t1 to odpowiednio końcowa i początkowa temperatura ciała.

Wzór na pojemność cieplną właściwą: c = Q / m*(t2 - t1)

Za pomocą tego wzoru możesz także wyrazić:

• m = Q / c*(t2-t1) - masa ciała
• t1 = t2 - (Q / c*m) - początkowa temperatura ciała
• t2 = t1 + (Q / c*m) - końcowa temperatura ciała
• Δt = t2 - t1 = (Q / c*m) - różnica temperatur (delta t)

A co z ciepłem właściwym gazów? Tutaj wszystko jest bardziej zagmatwane. W przypadku ciał stałych i cieczy sytuacja jest znacznie prostsza. Ich ciepło właściwe jest wartością stałą, znaną i łatwą do obliczenia. Jeśli chodzi o ciepło właściwe gazów, wartość ta jest bardzo różna w różnych sytuacjach. Weźmy na przykład powietrze. Ciepło właściwe powietrza zależy od jego składu, wilgotności i ciśnienia atmosferycznego.

Jednocześnie wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się objętość gazu i musimy wprowadzić jeszcze jedną wartość - objętość stałą lub zmienną, co również będzie miało wpływ na pojemność cieplną. Dlatego przy obliczaniu ilości ciepła dla powietrza i innych gazów stosuje się specjalne wykresy ciepła właściwego gazów w zależności od różnych czynników i warunków.

Każdy uczeń spotyka się na lekcjach fizyki z pojęciem „ciepło właściwe”. W większości przypadków ludzie zapominają o szkolnej definicji, a często w ogóle nie rozumieją znaczenia tego terminu. Na uczelniach technicznych większość studentów prędzej czy później spotka się z określoną pojemnością cieplną. Być może w ramach studiowania fizyki, a może ktoś będzie miał taką dyscyplinę jak „inżynieria cieplna” lub „termodynamika techniczna”. W takim przypadku będziesz musiał pamiętać o programie nauczania w szkole. Poniżej rozważamy definicję, przykłady i znaczenia niektórych substancji.

Definicja

Ciepło właściwe to wielkość fizyczna charakteryzująca, ile ciepła należy dostarczyć lub odprowadzić do jednostki substancji, aby jej temperatura zmieniła się o jeden stopień. Ważne jest, aby anulować, że nie ma znaczenia, stopnie Celsjusza, Kelvina i Fahrenheita, najważniejsze jest zmiana temperatury o jednostkę.

Ciepło właściwe ma swoją własną jednostkę miary - w międzynarodowym układzie jednostek (SI) - dżul podzielony przez iloczyn kilograma i stopnia Kelvina, J/(kg · K); jednostką nieukładową jest stosunek kalorii do iloczynu kilograma i stopnia Celsjusza, cal/(kg °C). Wartość ta jest najczęściej oznaczona literą c lub C, czasami stosuje się indeksy. Na przykład, jeśli ciśnienie jest stałe, wówczas indeks wynosi p, a jeśli objętość jest stała, to v.

Odmiany definicji

Możliwych jest kilka sformułowań definicji omawianej wielkości fizycznej. Oprócz powyższego akceptowalną definicją jest to, że ciepło właściwe to stosunek pojemności cieplnej substancji do jej masy. W takim przypadku konieczne jest jasne zrozumienie, czym jest „pojemność cieplna”. Zatem pojemność cieplna jest wielkością fizyczną, która pokazuje, ile ciepła należy dostarczyć do ciała (substancji) lub usunąć, aby zmienić jego temperaturę o jeden. Ciepło właściwe substancji o masie większej niż kilogram określa się w taki sam sposób, jak w przypadku wartości jednostkowej.

Kilka przykładów i znaczeń różnych substancji

Doświadczalnie stwierdzono, że wartość ta jest różna dla różnych substancji. Na przykład ciepło właściwe wody wynosi 4,187 kJ/(kg·K). Największa wartość tej wielkości fizycznej dla wodoru wynosi 14,300 kJ/(kg K), najmniejsza dla złota wynosi 0,129 kJ/(kg K). Jeśli potrzebujesz wartości dla konkretnej substancji, musisz wziąć podręcznik i znaleźć odpowiednie tabele, a w nich interesujące wartości. Nowoczesne technologie pozwalają jednak znacznie przyspieszyć proces wyszukiwania – na dowolnym telefonie, który ma możliwość zalogowania się do sieci WWW, wystarczy wpisać interesujące nas pytanie w pasku wyszukiwania, rozpocząć wyszukiwanie i poszukać odpowiedź na podstawie wyników. W większości przypadków należy skorzystać z pierwszego linku. Czasami jednak nie ma potrzeby w ogóle jechać gdziekolwiek indziej – odpowiedź na pytanie widoczna jest w krótkim opisie informacji.

Najczęstszymi substancjami, dla których poszukuje się pojemności cieplnej, w tym ciepła właściwego, są:

• powietrze (suche) - 1,005 kJ/(kg K),
• aluminium - 0,930 kJ/(kg·K),
• miedź - 0,385 kJ/(kg·K),
• etanol - 2,460 kJ/(kg·K),
• żelazo - 0,444 kJ/(kg·K),
• rtęć - 0,139 kJ/(kg·K),
• tlen - 0,920 kJ/(kg · K),
• drewno - 1700 kJ/(kg·K),
• piasek - 0,835 kJ/(kg·K).

Urządzenia i akcesoria wykorzystywane w pracy:

2. Ciężary.

3. Termometr.

4. Kalorymetr.

6. Ciało kalorymetryczne.

7. Płytki domowe.

Cel pracy:

Naucz się eksperymentalnie określać ciepło właściwe substancji.

I. WSTĘP TEORETYCZNY.

Przewodność cieplna- przenoszenie ciepła z bardziej nagrzanych części ciała do mniej nagrzanych w wyniku zderzeń szybkich cząsteczek z powolnymi, w wyniku czego szybkie cząsteczki przekazują część swojej energii wolniejszym.

Zmiana energii wewnętrznej dowolnego ciała jest wprost proporcjonalna do jego masy i zmiany temperatury ciała.

DU = cmDT (1)
Q = cmDT (2)

Nazywa się wielkość c charakteryzującą zależność zmiany energii wewnętrznej ciała podczas ogrzewania lub chłodzenia od rodzaju substancji i warunków zewnętrznych pojemność cieplna właściwa ciała.

(4)

Nazywa się wartość C, która charakteryzuje zależność ciała od pochłaniania ciepła podczas ogrzewania i jest równa stosunkowi ilości ciepła przekazanego ciału do wzrostu jego temperatury. pojemność cieplna ciała.

C = do × m. (5)
(6)
Q = CDT (7)

Molowa pojemność cieplna Cm, to ilość ciepła potrzebna do ogrzania jednego mola substancji o 1 kelwin

Cm = cM. (8)
C m = (9)

Ciepło właściwe zależy od charakteru procesu, w którym jest podgrzewany.

Równanie bilansu cieplnego.

Podczas wymiany ciepła suma ilości ciepła oddanego przez wszystkie ciała, których energia wewnętrzna maleje, jest równa sumie ilości ciepła otrzymanego przez wszystkie ciała, których energia wewnętrzna wzrasta.

Dział SQ = odbiór SQ (10)

Jeżeli ciała tworzą układ zamknięty i zachodzi między nimi tylko wymiana ciepła, to suma algebraiczna ilości ciepła odebranego i oddanego jest równa 0.

Dział SQ + odbiór SQ = 0.

Przykład:

Wymiana ciepła obejmuje ciało, kalorymetr i ciecz. Ciało oddaje ciepło, kalorymetr i ciecz odbierają je.

Q t = Q k + Q fa

Q t = do t m t (T 2 – Q)

Q k = c k m k (Q – T 1)

Q f = do fa m fa (Q – T 1)

Gdzie Q(tau) jest całkowitą temperaturą końcową.

s t m t (T 2 -Q) = s do m do (Q- T 1) + s fa m fa (Q- T 1)

s t = ((Q - T 1)*(s do m do + s w m w)) / m t (T 2 - Q)

T = 273 0 + t 0 C

2. POSTĘP PRACY.

WSZYSTKIE WAŻENIA PROWADZONE SĄ Z DOKŁADNOŚCIĄ DO 0,1 g.

1. Określ, ważąc masę naczynia wewnętrznego, kalorymetr m 1.

2. Do wewnętrznego naczynia kalorymetru wlać wodę, zważyć wewnętrzne szkło wraz z wlaną cieczą m do.

3. Określ masę wylanej wody m = m do - m 1

4. Umieścić naczynie wewnętrzne kalorymetru w naczyniu zewnętrznym i zmierzyć początkową temperaturę wody T 1.

5. Wyjmij korpus testowy z wrzącej wody, szybko przenieś go do kalorymetru, wyznaczając T 2 - początkową temperaturę ciała, równą temperaturze wrzącej wody.

6. Mieszając ciecz w kalorymetrze, odczekać, aż temperatura przestanie rosnąć: zmierzyć temperaturę końcową (stała) Q.

7. Wyjmij bryłę z kalorymetru, osusz ją bibułą filtracyjną i ważąc na wadze, określ jej masę m 3 .

8. Wyniki wszystkich pomiarów i obliczeń wpisz do tabeli. Wykonuj obliczenia z dokładnością do drugiego miejsca po przecinku.

9. Utwórz równanie bilansu cieplnego i znajdź z niego ciepło właściwe substancji Z.

10. Na podstawie wyników uzyskanych we wniosku określić substancję.

11. Oblicz błąd bezwzględny i względny otrzymanego wyniku w stosunku do wyniku tabelarycznego, korzystając ze wzorów:

;

12. Wniosek dotyczący wykonanej pracy.

TABELA WYNIKÓW POMIARÓW I OBLICZEŃ

Ciepło właściwe to energia potrzebna do podniesienia temperatury 1 grama czystej substancji o 1°. Parametr zależy od jego składu chemicznego i stanu skupienia: gazowy, ciekły lub stały. Po jego odkryciu rozpoczął się nowy etap rozwoju termodynamiki, nauki o stanach nieustalonych energii związanych z ciepłem i funkcjonowaniem układu.

Zazwyczaj, Do produkcji wykorzystuje się ciepło właściwe i podstawową termodynamikę chłodnice i systemy przeznaczone do chłodzenia samochodów, a także w chemii, inżynierii nuklearnej i aerodynamice. Jeśli chcesz wiedzieć, jak obliczana jest pojemność cieplna właściwa, przeczytaj proponowany artykuł.

Zanim zaczniesz bezpośrednio obliczać parametr, powinieneś zapoznać się ze wzorem i jego składnikami.

Wzór na obliczenie właściwej pojemności cieplnej jest następujący:

• c = Q/(m*∆T)

Znajomość wielkości i ich symbolicznych oznaczeń stosowanych w obliczeniach jest niezwykle istotna. Konieczne jest jednak nie tylko poznanie ich wyglądu wizualnego, ale także dokładne zrozumienie znaczenia każdego z nich. Obliczenie ciepła właściwego substancji jest reprezentowane przez następujące składniki:

ΔT jest symbolem wskazującym na stopniową zmianę temperatury substancji. Symbol „Δ” wymawia się jako delta.

ΔT = t2–t1, gdzie

• t1 – temperatura pierwotna;
• t2 – temperatura końcowa po zmianie.

m – masa substancji zużytej podczas ogrzewania (g).

Q – ilość ciepła (J/J)

Na podstawie CR można wyprowadzić inne równania:

• Q = m*кp*ΔT – ilość ciepła;
• m = Q/cr*(t2 - t1) – masa substancji;
• t1 = t2–(Q/tp*m) – temperatura pierwotna;
• t2 = t1+(Q/tp*m) – temperatura końcowa.

Instrukcje obliczania parametru

1. Skorzystaj ze wzoru obliczeniowego: Pojemność cieplna = Q/(m*∆T)
2. Zapisz oryginalne dane.
3. Zastąp je wzorem.
4. Wykonaj obliczenia i uzyskaj wynik.

Dla przykładu obliczmy nieznaną substancję o masie 480 gramów i temperaturze 15°C, która w wyniku ogrzewania (dostarczenie 35 tys. J) wzrosła do 250°.

Zgodnie z instrukcją podaną powyżej wykonujemy następujące czynności:

Zapiszmy początkowe dane:

• Q = 35 tysięcy J;
• m = 480 g;
• ΔT = t2–t1 =250–15 = 235°C.

Bierzemy wzór, zastępujemy wartości i rozwiązujemy:

c=Q/(m*∆T)=35 tys. J/(480 g*235°)=35 tys. J/(112800 g*°)=0,31 J/g*°.

Obliczenie

Zróbmy obliczenia C P wodę i cynę w następujących warunkach:

• m = 500 gramów;
• t1 =24°C i t2 = 80°C – dla wody;
• t1 =20°C i t2 =180°C – dla cyny;
• Q = 28 tysięcy J.

Najpierw wyznaczamy ΔT odpowiednio dla wody i cyny:

• ΔТв = t2–t1 = 80–24 = 56°C
• ΔTo = t2–t1 = 180–20 =160°C

Następnie znajdujemy ciepło właściwe:

1. c=Q/(m*ΔTv)= 28 tys. J/(500 g *56°C) = 28 tys. J/(28 tys. g*°C) = 1 J/g*°C.
2. c=Q/(m*ΔTo)=28 tys. J/(500 g*160°C)=28 tys. J/(80 tys. g*°C)=0,35 J/g*°C.

Zatem ciepło właściwe wody wynosiło 1 J/g*°C, a cyny 0,35 J/g*°C. Z tego możemy wywnioskować, że przy równej wartości doprowadzonego ciepła wynoszącej 28 tysięcy dżuli, cyna nagrzeje się szybciej niż woda, ponieważ jej pojemność cieplna jest mniejsza.

Pojemność cieplną mają nie tylko gazy, ciecze i ciała stałe, ale także produkty spożywcze.

Jak obliczyć pojemność cieplną żywności

Przy obliczaniu mocy równanie przyjmie następującą postać:

с=(4,180*w)+(1,711*p)+(1,928*f)+(1,547*c)+(0,908 *a), gdzie:

• w – ilość wody w produkcie;
• p – ilość białek w produkcie;
• f – procent tłuszczu;
• c – procent węglowodanów;
• a jest procentem składników nieorganicznych.

Określmy pojemność cieplną serka śmietankowego Viola. Aby to zrobić, wypisz wymagane wartości ze składu produktu (waga 140 gramów):

• woda – 35 g;
• białka – 12,9 g;
• tłuszcze – 25,8 g;
• węglowodany – 6,96 g;
• składniki nieorganiczne – 21 g.

Następnie znajdujemy za pomocą:

• с=(4,180*w)+(1,711*p)+(1,928*f)+(1,547*c)+(0,908*a)=(4,180*35)+(1,711*12,9)+(1,928*25,8 ) + (1,547*6,96)+(0,908*21)=146,3+22,1+49,7+10,8+19,1=248 kJ/kg*°C.

Zawsze pamiętaj że:

• Proces nagrzewania metalu jest szybszy niż wody, ponieważ tak jest C P 2,5 razy mniej;
• Jeśli to możliwe, przekonwertuj wyniki do wyższego rzędu, jeśli pozwalają na to warunki;
• w celu sprawdzenia wyników można skorzystać z Internetu i spojrzeć na obliczoną substancję;
• w równych warunkach doświadczalnych większe zmiany temperatury będą obserwowane w przypadku materiałów o niskim cieple właściwym.