Удельная теплоёмкость - это энергия, которая требуется для увеличения температуры 1 грамма чистого вещества на 1°. Параметр зависит от его химического состава и агрегатного состояния: газообразное, жидкое или твёрдое тело. После его открытия начался новый виток развития термодинамики, науки о переходных процессах энергии, которые касаются теплоты и функционирования системы.

Как правило, удельная теплоёмкость и основы термодинамики используются при изготовлении радиаторов и систем, предназначенных для охлаждения автомобилей, а также в химии, ядерной инженерии и аэродинамике. Если вы хотите узнать, как рассчитывается удельная теплоёмкость, то ознакомьтесь с предложенной статьёй.

Перед тем, как приступить к непосредственному расчёту параметра следует ознакомиться с формулой и её компонентами.

Формула для расчёта удельной теплоёмкости имеет следующий вид:

• с = Q/(m*∆T)

Знание величин и их символических обозначений, использующихся при расчёте, крайне важно. Однако необходимо не только знать их визуальный вид, но и чётко представлять значение каждого из них. Расчёт удельной теплоёмкости вещества представлен следующими компонентами:

ΔT – символ, означающий постепенное изменение температуры вещества. Символ «Δ» произносится как дельта.

ΔT = t2–t1, где

• t1 – первичная температура;
• t2 – конечная температура после изменения.

m – масса вещества используемого при нагреве (гр).

Q – количество теплоты (Дж/J)

На основании Цр можно вывести и другие уравнения:

• Q = m*цp*ΔT – количество теплоты;
• m = Q/цр*(t2 — t1) – массы вещества;
• t1 = t2–(Q/цp*m) – первичной температуры;
• t2 = t1+(Q/цp*m) – конечной температуры.

Инструкция по расчёту параметра

1. Взять расчётную формулу: Теплоемкость = Q/(m*∆T)
2. Выписать исходные данные.
3. Подставить их в формулу.
4. Провести расчёт и получим результат.

В качестве примера произведём расчёт неизвестного вещества массой 480 грамм обладающего температурой 15ºC, которая в результате нагрева (подвода 35 тыс. Дж) увеличилась до 250º.

Согласно инструкции приведённой выше производим следующие действия:

Выписываем исходные данные:

• Q = 35 тыс. Дж;
• m = 480 г;
• ΔT = t2–t1 =250–15 = 235 ºC.

Берём формулу, подставляем значения и решаем:

с=Q/(m*∆T)=35тыс.Дж/(480 г*235º)=35тыс.Дж/(112800 г*º)=0,31 Дж/г*º.

Расчёт

Выполним расчёт C P воды и олова при следующих условиях:

• m = 500 грамм;
• t1 =24ºC и t2 = 80ºC – для воды;
• t1 =20ºC и t2 =180ºC – для олова;
• Q = 28 тыс. Дж.

Для начала определяем ΔT для воды и олова соответственно:

• ΔТв = t2–t1 = 80–24 = 56ºC
• ΔТо = t2–t1 = 180–20 =160ºC

Затем находим удельную теплоёмкость:

1. с=Q/(m*ΔТв)= 28 тыс. Дж/(500 г *56ºC) = 28 тыс.Дж/(28 тыс.г*ºC) = 1 Дж/г*ºC.
2. с=Q/(m*ΔТо)=28тыс.Дж/(500 гр*160ºC)=28 тыс.Дж/(80 тыс.г*ºC)=0,35 Дж/г*ºC.

Таким образом, удельная теплоемкость воды составила 1 Дж/г *ºC, а олова 0,35 Дж/г*ºC. Отсюда можно сделать вывод о том, что при равном значении подводимого тепла в 28 тыс. Дж олово нагрется быстрее воды, поскольку его теплоёмкость меньше.

Теплоёмкостью обладают не только газы, жидкости и твёрдые тела, но и продукты питания.

Как рассчитать теплоемкость продуктов питания

При расчёте емкости питания уравнение примет следующий вид:

с=(4.180*w)+(1.711*p)+(1.928*f)+(1.547*c)+(0.908 *a), где:

• w – количество воды в продукте;
• p – количество белков в продукте;
• f – процентное содержание жиров;
• c – процентное содержание углеводов;
• a – процентное содержание неорганических компонентов.

Определим теплоемкость плавленого сливочного сыра Viola . Для этого выписываем нужные значения из состава продукта (масса 140 грамм):

• вода – 35 г;
• белки – 12,9 г;
• жиры – 25,8 г;
• углеводы – 6,96 г;
• неорганические компоненты – 21 г.

Затем находим с:

• 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 кДж /кг*ºC.

Всегда помните, что:

• процесс нагревания металла проходит быстрее, чем у воды, так как он обладает C P в 2,5 раза меньше;
• по возможности преобразуйте полученные результаты в более высокий порядок, если позволяют условия;
• в целях проверки результатов можно воспользоваться интернетом и посмотреть с для расчётного вещества;
• при равных экспериментальных условиях более значительные температурные изменения будут наблюдаться у материалов с низкой удельной теплоёмкостью.

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер паропроницаемости и скорости переноса пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Исходная величина

Преобразованная величина

джоуль на килограмм на кельвин джоуль на килограмм на °C джоуль на грамм на °C килоджоуль на килограмм на кельвин килоджоуль на килограмм на °C калория (межд.) на грамм на °C калория (межд.) на грамм на °F калория (терм.) на грамм на °C килокалория (межд.) на кг на °C калория (терм.) на кг на °C килокалория (межд.) на кг на кельвин килокалория (терм.) на кг на кельвин кгс-метр на килограмм на кельвин фунт-сила фут на фунт на °Ранкина BTU (межд.) на фунт на °F BTU (терм.) на фунт на °F BTU (межд.) на фунт на °Ранкина BTU (терм.) на фунт на °Ранкина BTU (межд.) на фунт на °C стоградусная тепл. ед. на фунт на °C

Массовая концентрация в растворе

Подробнее об удельной теплоемкости

Общие сведения

Молекулы движутся под воздействием тепла - это движение называется молекулярной диффузией . Чем выше температура вещества, тем быстрее молекулы движутся и тем более интенсивно происходит диффузия. На движение молекул влияет не только температура, но и давление, вязкость вещества и его концентрация, сопротивление диффузии, расстояние, которое проходят молекулы при их перемещениях, и их масса. Например, если сравнить как происходит процесс диффузии в воде и в мёде, когда все другие переменные, кроме вязкости, равны, то очевидно, что молекулы в воде движутся и диффундируют быстрее, чем в мёде, так как у мёда более высокая вязкость.

Для движения молекулам необходима энергия, и чем быстрее они движутся, тем больше энергии им требуется. Тепло - один из видов энергии, используемой в этом случае. То есть, если поддерживать в веществе определенную температуру, то молекулы будут двигаться, а если температуру увеличить, то и движение ускорится. Энергию в форме тепла получают, сжигая топливо, например природный газ, уголь, или древесину. Если нагреть несколько веществ, используя одинаковое количество энергии, то некоторые вещества, скорее всего, будут нагреваться быстрее, чем остальные, из-за более интенсивной диффузии. Теплоемкость и удельная теплоемкость описывают как раз эти свойства веществ.

Удельная теплоемкость определяет какое количество энергии (то есть, тепла) требуется, чтобы изменить температуру тела или вещества определенной массы на определенную величину. Это свойство отличается от теплоемкости , которая определяет количество энергии, необходимое чтобы изменить температуру всего тела или вещества на определенную температуру. В вычислениях теплоемкости, в отличие от удельной теплоемкости, не учитывают массу. Теплоемкость и удельную теплоемкость вычисляют только для веществ и тел в устойчивом агрегатном состоянии, например для твердых тел. В этой статье рассматриваются оба эти понятия, так как они взаимосвязаны.

Теплоемкость и удельная теплоемкость материалов и веществ

Металлы

У металлов очень прочная молекулярная структура, так как расстояние между молекулами в металлах и других твердых телах намного меньше, чем в жидкостях и газах. Благодаря этому, молекулы могут двигаться только на очень маленькие расстояния, и, соответственно, для того чтобы заставить их двигаться с большей скоростью необходимо намного меньше энергии, чем для молекул жидкостей и газов. Благодаря этому свойству, их удельная теплоемкость мала. Это значит, что температуру металла поднять очень легко.

Вода

С другой стороны, у воды очень высокая удельная теплоемкость, даже по сравнению с другими жидкостями, поэтому нужно намного больше энергии, чтобы нагреть одну единицу массы воды на один градус, по сравнению с веществами, удельная теплоемкость которых ниже. Вода имеет высокую теплоемкость благодаря прочным связям между атомами водорода в молекуле воды.

Вода - один из главных составляющих всех живых организмов и растений на Земле, поэтому ее удельная теплоемкость играет большую роль для жизни на нашей планете. Благодаря высокой удельной теплоемкости воды, температура жидкости в растениях и температура полостной жидкости в организме животных мало изменяется даже в очень холодные или очень жаркие дни.

Вода обеспечивает систему поддержания теплового режима как у животных и растений, так и на поверхности Земле в целом. Огромная часть нашей планеты покрыта водой, поэтому именно вода играет большую роль в регулировании погоды и климата. Даже при большом количестве тепла, поступающем в результате воздействия солнечного излучения на поверхность Земли, температура воды в океанах, морях и других водоемах увеличивается постепенно, и окружающая температура тоже меняется медленно. С другой стороны, влияние на температуру интенсивности тепла от солнечного излучения велико на планетах, где нет больших поверхностей, покрытых водой, таких как Земля, или в районах Земли, где мало воды. Это особенно заметно, если посмотреть на разность дневных и ночных температур. Так, например, вблизи океана разница между дневной и ночной температурами невелика, но в пустыне она огромна.

Высокая теплоемкость воды также означает, что вода не только медленно нагревается, но и медленно остывает. Благодаря этому свойству воду часто используют как хладагент, то есть, как охлаждающую жидкость. К тому же, использовать воду выгодно благодаря ее низкой цене. В странах с холодным климатом горячая вода циркулирует в трубах для обогрева. В смеси с этиленгликолем ее используют в радиаторах автомобилей для охлаждения двигателя. Такие жидкости называют антифризом. Теплоемкость этиленгликоля ниже, чем теплоемкость воды, поэтому теплоемкость такой смеси тоже ниже, а значит эффективность системы охлаждения с антифризом также ниже, чем системы с водой. Но с этим приходится мириться, так как этиленгликоль не дает воде замерзнуть зимой и повредить каналы системы охлаждения автомобиля. В охлаждающие жидкости, предназначенные для более холодного климата, добавляют больше этиленгликоля.

Теплоемкость в повседневной жизни

При прочих равных условиях, теплоемкость материалов определяет, как быстро они нагреваются. Чем выше теплоемкость, тем больше энергии необходимо, чтобы нагреть этот материал. То есть, если два материала с разной теплоемкостью нагревать одинаковым количеством тепла и в одинаковых условиях, то вещество с меньшей теплоемкостью будет быстрее нагреваться. Материалы с высокой теплоемкостью, наоборот, нагреваются и отдают тепло назад в окружающую среду медленнее.

Кухонные принадлежности и посуда

Чаще всего мы выбираем материалы для посуды и кухонных принадлежностей, основываясь на их теплоемкости. Это в основном касается предметов, которые напрямую контактируют с теплом, например кастрюль, тарелок, форм для выпекания, и другой аналогичной посуды. Например, для кастрюль и сковородок лучше использовать материалы с низкой теплоемкостью, например металлы. Это помогает теплу легче и быстрее передаваться от нагревателя через кастрюлю к продуктам питания и ускоряет процесс приготовления пищи.

С другой стороны, так как материалы с высокой теплоемкостью долго держат тепло, их хорошо использовать для изоляции, то есть когда необходимо сохранить тепло продуктов, и не дать ему уйти в окружающую среду или, наоборот, не дать теплу помещения нагреть охлажденные продукты. Чаще всего такие материалы используют для тарелок и чашек, в которых подают горячую или, наоборот, очень холодную еду и напитки. Они помогают не только сохранить температуру продукта, но и не дают людям обжечься. Посуда из керамики и вспененного полистирола - хорошие примеры использования таких материалов.

Теплоизолирующие продукты питания

В зависимости от ряда факторов, например содержания воды и жира в продуктах, их теплоемкость и удельная теплоемкость бывает разной. В кулинарии знания о теплоемкости продуктов дают возможность использовать некоторые продукты для изоляции. Если теплоизолирующими продуктами накрыть другую еду, то они помогут этой еде под ними дольше сохранить тепло. Если у блюд под этими теплоизолирующими продуктами высокая теплоемкость, то они и так медленно отдают тепло в окружающую среду. После того, как они хорошо прогреются, они теряют тепло и воду еще медленнее благодаря изолирующим продуктам сверху. Поэтому они дольше остаются горячими.

Пример теплоизолирующего продукта - сыр, особенно на пицце и других похожих блюдах. Пока он не расплавился, он пропускает водяные пары, что позволяет продуктам под ним быстро остыть, так как содержащаяся в них вода испаряется и при этом охлаждает содержащие ее продукты. Растаявший же сыр покрывает поверхность блюда и изолирует продукты под ним. Часто под сыром оказываются продукты с высоким содержанием воды, например соусы и овощи. Благодаря этому у них высокая теплоемкость, и они долго держат тепло, особенно потому, что находятся под расплавленным сыром, который не выпускает наружу водяные пары. Именно поэтому пицца из духовки настолько горяча, что можно легко обжечься соусом или овощами, даже когда тесто по краям уже остыло. Поверхность пиццы под сыром долго не остывает, что делает возможным доставку пиццы на дом в хорошо изолированной термо-сумке.

В некоторых рецептах соусы используют так же, как и сыр, для теплоизоляции продуктов под ним. Чем больше содержание жира в соусе, тем лучше он изолирует продукты - особенно хороши в этом случае соусы, основанные на масле или сливках. Это опять связано с тем, что жир препятствует испарению воды и, следовательно, отбору тепла, требуемого для испарения.

В кулинарии для термоизоляции иногда используют также материалы, не пригодные в пищу. Повара в странах Центральной Америке, на Филиппинах, в Индии, Таиланде, Вьетнаме и во многих других странах часто используют в этих целях листья банана. Их можно не только собрать в саду, но и купить в магазине или на рынке - их даже импортируют для этих целей в страны, где не выращивают бананы. Иногда в целях изоляции используют алюминиевую фольгу. Она не только предотвращает испарение воды, но и помогает сохранить тепло внутри за счет предотвращения теплопередачи в форме излучения. Если обернуть в фольгу крылышки и другие выступающие части птицы при ее запекании, то фольга не даст им перегреться и сгореть.

Приготовление пищи

У продуктов с высоким содержанием жира, например у сыра, низкая теплоёмкость. Они сильнее нагреваются при меньшем количестве энергии, по сравнению с продуктами с высокой теплоёмкостью, и достигают температур, достаточно высоких для того, чтобы произошла реакция Майяра. Реакция Майяра - это химическая реакция, которая происходит между сахарами и аминокислотами, и изменяет вкус и внешний вид продуктов. Эта реакция важна в некоторых способах приготовления пищи, например для выпечки хлеба и кондитерских изделий из муки, запекания продуктов в духовом шкафу, а также для жарения. Чтобы увеличить температуру продуктов до температуры, при которой протекает эта реакция, в кулинарии используют продукты с высоким содержанием жира.

Сахар в кулинарии

Удельная теплоемкость сахара еще ниже, чем у жира. Так как сахар быстро нагревается до температур более высоких, чем температура кипения воды, работа с ним на кухне требует соблюдения правил безопасности, особенно во время приготовления карамели или конфет. Необходимо быть предельно осторожным, расплавляя сахар, и не пролить его на незащищенную кожу, так как температура сахара достигает 175° C (350° F) и ожог от расплавленного сахара будет очень серьезный. В некоторых случаях необходимо проверить консистенцию сахара, но этого ни в коем случае нельзя делать голыми руками, если сахар нагрет. Часто люди забывают, как быстро и насколько сильно сахар может нагреться, поэтому и получают ожоги. В зависимости от того, для чего нужен расплавленный сахар, его консистенцию и температуру можно проверить, используя холодную воду, как описано ниже.

Свойства сахара и сахарного сиропа изменяются в зависимости от того, при какой температуре его готовить. Горячий сахарный сироп может быть жидким, как самый жидкий мед, густым, или где-то между жидким и густым. В рецептах конфет, карамели и сладких соусов обычно указана не только температура, до которой должен быть нагрет сахар или сироп, но и стадия твердости сахара, например стадия «мягкого шара» или стадия «твердого шара». Название каждой стадии соответствует консистенции сахара. Чтобы определить консистенцию кондитер капает несколько капель сиропа в ледяную воду, охлаждая их. После этого консистенцию проверяют на ощупь. Так, например, если охлажденный сироп загустел, но не затвердел, а остается мягким и из него можно слепить шарик, то считается, что сироп в стадии «мягкого шара». Если форму застывшего сиропа очень трудно, но все же можно изменить руками, то он в стадии «твердого шара». Кондитеры часто используют пищевой термометр а также проверяют консистенцию сахара вручную.

Пищевая безопасность

Зная теплоемкость продуктов, можно определить, как долго их нужно охлаждать или нагревать, чтобы достичь температуры, при которой они не будет портиться, и при которой погибают вредные для организма бактерии. Например, чтобы достичь определенной температуры, продукты с более высокой теплоемкостью охлаждают или нагревают дольше, чем продукты с низкой теплоемкостью. То есть, продолжительность приготовления блюда зависит от того, какие в него входят продукты, а также - насколько быстро из него испаряется вода. Испарение важно, так как оно требует больших затрат энергии. Часто, чтобы проверить, до какой температуры нагрелось блюдо или продукты в нем, используют пищевой термометр. Особенно удобно использовать его во время приготовления рыбы, мяса и птицы.

Микроволновые печи

То, насколько эффективно нагревается еда в микроволновой печи, зависит, кроме других факторов, от удельной теплоемкости продуктов. Микроволновое излучение, вырабатываемое магнетроном микроволновой печи, заставляет молекулы воды, жира и некоторых других веществ двигаться быстрее, в результате чего еда нагревается. Молекулы жира легко заставить двигаться благодаря их низкой теплоемкости, и поэтому жирная еда нагревается до более высоких температур, чем еда, содержащая много воды. Достигнутая температура может быть настолько высока, что ее достаточно для реакции Майяра. Продукты с высоким содержанием воды не достигают таких температур из-за высокой теплоемкости воды, поэтому и реакция Майяра в них не протекает.

Высокие температуры, которых достигает жир в микроволновой печи, позволяют получить жареную корочку у некоторых продуктов, например бекона, но эти температуры могут представлять опасность при использовании микроволновых печей, особенно если не следовать правилам пользования печью, описанными в инструкции по эксплуатации. Например, когда в печи разогревают или готовят блюда из жирных продуктов, то не следует использовать пластмассовую посуду, так как даже посуда для микроволновых печей не рассчитана на температуры, которых достигает жир. Также следует не забывать, что жирная еда очень горяча, и есть ее осторожно, чтобы не обжечься.

Удельная теплоемкость материалов, используемых в быту

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Вода является одним из самых удивительных веществ. Несмотря на широкое распространение и повсеместное использование, она - настоящая загадка природы. Являясь одним из соединений кислорода, вода, казалось бы, должна иметь совсем низкими такие характеристики, как и замерзания, теплота парообразования и т. п. Но этого не происходит. Одна лишь теплоемкость воды, вопреки всему, чрезвычайно высока.

Вода способна поглощать огромное количество тепла, сама при этом практически не нагреваясь - в этом ее физическая особенность. воды выше теплоемкости песка примерно в пять раз, и в десять раз - железа. Поэтому вода является природным охладителем. Ее свойство накапливать большое количество энергии позволяет сглаживать колебания температуры на поверхности Земли и регулировать тепловой режим в рамках всей планеты, причем происходит это независимо от времени года.

Это уникальное свойство воды позволяет использовать ее в качестве охлаждающего вещества в промышленности и в быту. К тому же вода является общедоступным и сравнительно дешевым сырьем.

Что же понимается под теплоемкостью? Как известно из курса термодинамики, передача тепла происходит всегда от горячего к холодному телу. При этом речь идет о переходе определенного количества тепла, а температура обоих тел, являясь характеристикой их состояния, показывает направление этого обмена. В процессе металлического тела с водой равной массы при одинаковых исходных температурах металл меняет свою температуру в несколько раз больше воды.

Если принять за постулат основное утверждение термодинамики - из двух тел (изолированных от прочих), при теплообмене одно отдает, а другое получает равное количество тепла, то становится ясно, что у металла и воды совершенно разная теплоемкость.

Таким образом, теплоемкость воды (как и любого вещества) - это показатель, характеризующий способность данного вещества отдавать (или получать) какое-то при остывании (нагреве) на единицу температуры.

Удельной теплоемкостью вещества считается количество тепла, требуемое для того, чтобы нагреть единицу этого вещества (1 килограмм) на 1 градус.

Количество тепла, выделяемое или поглощаемое телом, равно произведению величин удельной теплоемкости, массы и разности температур. Измеряется оно в калориях. Одна калория - именно то количество тепла, которого достаточно, чтобы нагреть 1 г воды на 1 градус. Для сравнения: удельная теплоемкость воздуха - 0.24 кал/г ∙°С, алюминия - 0.22, железа - 0.11, ртути - 0.03.

Теплоемкость воды не является константой. С ростом температуры от 0 до 40 градусов она незначительно снижается (от 1,0074 до 0,9980), тогда как у всех остальных веществ в процессе нагревания эта характеристика растет. Кроме того, она может понижаться с ростом давления (на глубине).

Как известно, вода имеет три агрегатных состояния - жидкое, твердое (лед) и газообразное (пар). При этом удельная теплоемкость льда примерно в 2 раза ниже, чем у воды. В этом - основное отличие воды от других веществ, величины удельной теплоемкости которых в твердом и расплавленном состоянии не меняются. В чем же тут секрет?

Дело в том, что лед имеет кристаллическую структуру, которая при нагревании разрушается не сразу. Вода содержит небольшие частицы льда, состоящие из нескольких молекул и именуемые ассоциатами. При нагревании воды часть расходуется на разрушение водородных связей в этих образованиях. Этим и объясняется необычайно высокая теплоемкость воды. Полностью связи между ее молекулами разрушаются только при переходе воды в пар.

Удельная теплоемкость при температуре 100° С почти не отличается от таковой у льда при 0° С. Это еще раз подтверждает правильность данного объяснения. Теплоемкость пара, как и теплоемкость льда, в настоящее время изучены гораздо лучше, чем воды, в отношении которой ученые до сих пор не пришли к единому мнению.

Приборы и принадлежности, используемые в работе:

2. Разновесы.

3. Термометр.

4. Калориметр.

6. Калориметрическое тело.

7. Плитка бытовая.

Цель работы:

Научиться опытным путем определять удельную теплоемкость вещества.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Теплопроводность - передача теплоты от более нагретых частей тела к менее нагретым в следствии столкновений быстрых молекул с медленными, в результате этого быстрые молекулы передают часть своей энергии медленным.

Изменение внутренней энергии какого- либо тела прямо пропорционально его массе и изменению температуры тела.

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

Величина с, характеризующая зависимость изменения внутренней энергии тела при нагревании или охлаждении от рода вещества и внешних условий называется удельной теплоемкостью тела.

(4)

Величина C, характеризующая зависимость тела поглощать теплоту при нагревании и равная отношению количества теплоты сообщенной телу, к приращению его температуры, называется теплоемкостью тела .

C = c × m. (5)
(6)
Q = CDT (7)

Молярной теплоемкостью C m , называют количество теплоты, которое необходимо для нагревания одного моля вещества на 1 Кельвин

C m = сM. (8)
C m = (9)

Удельная теплоемкость зависит от характера процесса, при котором происходит его нагревание.

Уравнение теплового баланса.

При теплообмене суммы количеств теплоты, отданных всеми телами, у которых внутренняя энергия уменьшается, равна сумме количеств теплоты, полученных всеми телами, у которых внутренняя энергия увеличивается.

SQ отд = SQ получ (10)

Если тела образуют замкнутую систему и между ними происходит только теплообмен, то алгебраическая сумма полученных и отданных количеств теплоты равна 0.

SQ отд + SQ получ = 0.

Пример:

В теплообмене участвуют тело, калориметр, жидкость. Тело отдает теплоту, калориметр и жидкость принимают.

Q т = Q к + Q ж

Q т = c т m т (T 2 – Q)

Q к = c к m к (Q – T 1)

Q ж = c ж m ж (Q – T 1)

Где Q(тау) – общая конечная температура.

с т m т (T 2 -Q) = с к m к (Q- T 1) + с ж m ж (Q- T 1)

с т = ((Q - Т 1)*(с к m к + с ж m ж)) / m т (Т 2 - Q)

Т = 273 0 + t 0 С

2. ХОД РАБОТЫ.

ВСЕ ВЗВЕШИВАНИЯ ПРОВОДИТЬ С ТОЧНОСТЬЮ ДО 0,1 г.

1. Определите взвешиванием массу внутреннего сосуда, калори­метра m 1 .

2. Налейте во внутренний сосуд калориметра воды, взвесьте внутренний стакан вместе с налитой жидкостью m к.

3. Определите массу налитой воды m = m к - m 1

4. Поместите внутренний сосуд калориметра во внешний и измерь­те начальную температуру воды Т 1 .

5. Выньте из кипящей воды испытуемое тело, быстро перенесите его в калориметр, определив Т 2 -начальную температуру тела, она равна температуре кипящей воды.

6. Перемешивая жидкость в калориметре, выждите, когда перестанет повышаться температура: измерьте окончательную (установившуюся) температуру Q.

7. Выньте из калориметра испытуемое тело, высушите его фильтро­вальной бумагой и взвешиванием на весах определите его массу m 3 .

8. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу. Вычисления производить до второго знака после запятой.

9. Составьте уравнение теплового баланса и найдите из него удельную теплоемкость вещества с .

10. По полученным результатам в приложении определить вещество.

11. Вычислите абсолютную и относительную погрешность полученного результата относительно табличного результата по формулам:

;

12. Вывод о проделанной работе.

ТАБЛИЦА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ

Как вы думаете, что быстрее нагревается на плите: литр воды в кастрюльке или же сама кастрюлька массой 1 килограмм? Масса тел одинакова, можно предположить, что нагревание будет происходить с одинаковой скоростью.

А не тут-то было! Можете проделать эксперимент - поставьте пустую кастрюльку на огонь на несколько секунд, только не спалите, и запомните, до какой температуры она нагрелась. А потом налейте в кастрюлю воды ровно такого же веса, как и вес кастрюли. По идее, вода должна нагреться до такой же температуры, что и пустая кастрюля за вдвое большее время, так как в данном случае нагреваются они обе - и вода, и кастрюля.

Однако, даже если вы выждете втрое большее время, то убедитесь, что вода нагрелась все равно меньше. Воде потребуется почти в десять раз большее время, чтобы нагреться до такой же температуры, что и кастрюля того же веса. Почему это происходит? Что мешает воде нагреваться? Почему мы должны тратить лишний газ на подогрев воды при приготовлении пищи? Потому что существует физическая величина, называемая удельной теплоемкостью вещества.

Удельная теплоемкость вещества

Эта величина показывает, какое количество теплоты надо передать телу массой один килограмм, чтобы его температура увеличилась на один градус Цельсия. Измеряется в Дж/(кг * ˚С). Существует эта величина не по собственной прихоти, а по причине разности свойств различных веществ.

Удельная теплоемкость воды примерно в десять раз выше удельной теплоемкости железа, поэтому кастрюля нагреется в десять раз быстрее воды в ней. Любопытно, что удельная теплоемкость льда в два раза меньше теплоемкости воды. Поэтому лед будет нагреваться в два раза быстрее воды. Растопить лед проще, чем нагреть воду. Как ни странно звучит, но это факт.

Расчет количества теплоты

Обозначается удельная теплоемкость буквой c и применяется в формуле для расчета количества теплоты:

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

где Q - это количество теплоты,
c - удельная теплоемкость,
m - масса тела,
t2 и t1 - соответственно, конечная и начальная температуры тела.

Формула удельной теплоемкости: c = Q / m*(t2 - t1)

Также из этой формулы можно выразить:

• m = Q / c*(t2-t1) - массу тела
• t1 = t2 - (Q / c*m) - начальную температуру тела
• t2 = t1 + (Q / c*m) - конечную температуру тела
• Δt = t2 - t1 = (Q / c*m) - разницу температур (дельта t)

А что насчет удельной теплоемкости газов? Тут все запутанней. С твердыми веществами и жидкостями дело обстоит намного проще. Их удельная теплоемкость - величина постоянная, известная, легко рассчитываемая. А что касается удельной теплоемкости газов, то величина эта очень различна в разных ситуациях. Возьмем для примера воздух. Удельная теплоемкость воздуха зависит от состава, влажности, атмосферного давления.

При этом, при увеличении температуры, газ увеличивается в объеме, и нам надо ввести еще одно значение - постоянного или переменного объема, что тоже повлияет на теплоемкость. Поэтому при расчетах количества теплоты для воздуха и других газов пользуются специальными графиками величин удельной теплоемкости газов в зависимости от различных факторов и условий.