Fizika i toplinski fenomen je prilično opsežan dio koji se temeljito proučava školski tečaj. Nije posljednje mjesto u ovoj teoriji dano specifičnim količinama. Prvi od njih je specifični toplinski kapacitet.

Međutim, tumačenju riječi “specifičan” obično se ne posvećuje dovoljno pažnje. Učenici to jednostavno pamte kao datost. Što to znači?

Ako pogledate Ozhegovljev rječnik, možete pročitati da je takva količina definirana kao omjer. Štoviše, može se izvesti u odnosu na masu, volumen ili energiju. Sve te količine moraju se uzeti jednake jedan. Uz što je vezan specifični toplinski kapacitet?

Umnošku mase i temperature. Štoviše, njihove vrijednosti moraju biti jednake jedan. Odnosno, djelitelj će sadržavati broj 1, ali će njegova dimenzija kombinirati kilogram i stupanj Celzija. To se mora uzeti u obzir pri formuliranju definicije specifičnog toplinskog kapaciteta, koja je dana malo niže. Postoji i formula iz koje je jasno da su te dvije veličine u nazivniku.

Što je?

Specifični toplinski kapacitet tvari uvodi se u trenutku kada se razmatra situacija s njezinim zagrijavanjem. Bez njega je nemoguće znati koliko će topline (ili energije) biti potrebno za ovaj proces. I također izračunajte njegovu vrijednost kada se tijelo ohladi. Usput, ove dvije količine topline jednake su jedna drugoj u modulu. Ali imaju različite znakove. Dakle, u prvom slučaju to je pozitivno, jer energiju treba potrošiti i ona se prenosi u tijelo. Druga situacija hlađenja daje negativan broj, jer se oslobađa toplina i smanjuje unutarnja energija tijela.

Ova fizikalna veličina je označena latinično pismo c. Definira se kao određena količina topline potrebna za zagrijavanje jednog kilograma tvari za jedan stupanj. U školskom tečaju fizike, ovaj stupanj je onaj koji se uzima na Celzijevoj ljestvici.

Kako to prebrojati?

Ako želite znati koliki je specifični toplinski kapacitet, formula izgleda ovako:

c = Q / (m * (t 2 - t 1)), gdje je Q količina topline, m je masa tvari, t 2 je temperatura koju je tijelo steklo kao rezultat izmjene topline, t 1 je početna temperatura tvari. Ovo je formula broj 1.

Na temelju ove formule, mjerna jedinica ove količine u međunarodnom sustavu jedinica (SI) je J/(kg*ºS).

Kako iz te jednakosti pronaći ostale količine?

Prvo, količina topline. Formula će izgledati ovako: Q = c * m * (t 2 - t 1). Samo je potrebno zamijeniti vrijednosti u SI jedinicama. Odnosno, masa u kilogramima, temperatura u stupnjevima Celzija. Ovo je formula broj 2.

Drugo, masa tvari koja se hladi ili zagrijava. Formula za to će biti: m = Q / (c * (t 2 - t 1)). Ovo je formula broj 3.

Treće, promjena temperature Δt = t 2 - t 1 = (Q / c * m). Znak "Δ" čita se kao "delta" i označava promjenu vrijednosti, in u ovom slučaju temperatura. Formula br. 4.

Četvrto, početna i konačna temperatura tvari. Formule koje vrijede za zagrijavanje tvari izgledaju ovako: t 1 = t 2 - (Q / c * m), t 2 = t 1 + (Q / c * m). Ove formule su br. 5 i 6. Ako se problem odnosi na hlađenje tvari, onda su formule: t 1 = t 2 + (Q / c * m), t 2 = t 1 - (Q / c * m) . Ove formule su br. 7 i 8.

Kakva značenja može imati?

Eksperimentalno je utvrđeno koje vrijednosti ima za svaku pojedinu tvar. Stoga je izrađena posebna tablica specifičnog toplinskog kapaciteta. Najčešće sadrži podatke koji su važeći u normalnim uvjetima.

Koji je laboratorijski rad uključen u mjerenje specifičnog toplinskog kapaciteta?

U školskom tečaju fizike definirano je za čvrsta. Štoviše, njegov toplinski kapacitet izračunava se usporedbom s onim koji je poznat. To ćete najlakše učiniti vodom.

Tijekom rada potrebno je mjeriti početne temperature vode i zagrijane krutine. Zatim ga spustite u tekućinu i pričekajte toplinsku ravnotežu. Cijeli eksperiment se izvodi u kalorimetru, tako da se gubici energije mogu zanemariti.

Zatim trebate zapisati formulu za količinu topline koju voda dobiva zagrijavanjem od krutine. Drugi izraz opisuje energiju koju tijelo odaje pri hlađenju. Ove dvije vrijednosti su jednake. Matematičkim izračunima preostaje odrediti specifični toplinski kapacitet tvari koja čini krutinu.

Najčešće se predlaže usporedba s tabličnim vrijednostima kako bi se pokušalo pogoditi od koje je tvari sastavljeno tijelo koje se proučava.

Zadatak br. 1

Stanje. Temperatura metala varira od 20 do 24 stupnja Celzijusa. Pritom mu se unutarnja energija povećala za 152 J. Kolika je specifična toplina metala ako mu je masa 100 grama?

Riješenje. Da biste pronašli odgovor, morat ćete koristiti formulu napisanu pod brojem 1. Sve količine potrebne za izračune su tu. Samo prvo trebate pretvoriti masu u kilograme, inače će odgovor biti pogrešan. Jer sve količine moraju biti one koje su prihvaćene u SI.

U jednom kilogramu ima 1000 grama. To znači da se 100 grama mora podijeliti s 1000, dobivate 0,1 kilogram.

Zamjenom svih veličina dobiva se sljedeći izraz: c = 152 / (0,1 * (24 - 20)). Izračuni nisu osobito teški. Rezultat svih radnji je broj 380.

Odgovor: s = 380 J/(kg * ºS).

Problem br. 2

Stanje. Odredite konačnu temperaturu na koju će se voda volumena 5 litara ohladiti ako je uzeta na 100 ºS i razdvojena u okoliš 1680 kJ topline.

Riješenje. Vrijedno je početi s činjenicom da se energija daje u nesustavnoj jedinici. Kilodžule je potrebno pretvoriti u džule: 1680 kJ = 1680000 J.

Da biste pronašli odgovor, trebate koristiti formulu broj 8. Međutim, u njoj se pojavljuje masa, au zadatku je nepoznata. Ali volumen tekućine je dan. To znači da možemo koristiti formulu poznatu kao m = ρ * V. Gustoća vode je 1000 kg/m3. Ali ovdje će trebati zamijeniti volumen kubičnih metara. Da biste ih pretvorili iz litara, trebate podijeliti s 1000. Dakle, volumen vode je 0,005 m 3.

Zamjenom vrijednosti u formulu mase dobiva se sljedeći izraz: 1000 * 0,005 = 5 kg. Morat ćete potražiti specifični toplinski kapacitet u tablici. Sada možete prijeći na formulu 8: t 2 = 100 + (1680000 / 4200 * 5).

Prva radnja je množenje: 4200 * 5. Rezultat je 21000. Druga je dijeljenje. 1680000: 21000 = 80. Posljednje je oduzimanje: 100 - 80 = 20.

Odgovor. t 2 = 20 ºS.

Problem br. 3

Stanje. Postoji čaša mase 100 g. U nju se ulije 50 g vode. Početna temperatura vode sa staklom je 0 stupnjeva Celzijusa. Koliko je topline potrebno da voda zavrije?

Riješenje. Dobro mjesto za početak je uvođenje odgovarajuće oznake. Neka podaci koji se odnose na staklo imaju indeks 1, a za vodu - indeks 2. U tablici trebate pronaći specifične toplinske kapacitete. Čaša je izrađena od laboratorijskog stakla, pa je njezina vrijednost c 1 = 840 J/ (kg * ºC). Podaci za vodu su: c 2 = 4200 J/ (kg * ºS).

Njihove su mase dane u gramima. Morate ih pretvoriti u kilograme. Mase ovih tvari bit će označene na sljedeći način: m 1 = 0,1 kg, m 2 = 0,05 kg.

Dana je početna temperatura: t 1 = 0 ºS. Za konačnu vrijednost se zna da odgovara točki u kojoj voda ključa. Ovo je t 2 = 100 ºS.

Budući da se staklo zagrijava zajedno s vodom, potrebna količina topline bit će zbroj dva. Prvi, koji je potreban za zagrijavanje stakla (Q 1), i drugi, koji se koristi za zagrijavanje vode (Q 2). Da biste ih izrazili, trebat će vam druga formula. Mora se zapisati dva puta s različitim indeksima, a zatim ih zbrojiti.

Ispada da je Q = c 1 * m 1 * (t 2 - t 1) + c 2 * m 2 * (t 2 - t 1). Zajednički faktor (t 2 - t 1) može se izbaciti iz zagrade radi lakšeg izračunavanja. Tada će formula koja će biti potrebna za izračunavanje količine topline imati sljedeći oblik: Q = (c 1 * m 1 + c 2 * m 2) * (t 2 - t 1). Sada možete zamijeniti količine poznate u zadatku i izračunati rezultat.

Q = (840 * 0,1 + 4200 * 0,05) * (100 - 0) = (84 + 210) * 100 = 294 * 100 = 29400 (J).

Odgovor. Q = 29400 J = 29,4 kJ.

Promjenu unutarnje energije vršenjem rada karakterizira količina rada, tj. rad je mjera promjene unutarnje energije u određenom procesu. Promjena unutarnje energije tijela tijekom prijenosa topline karakterizirana je veličinom koja se naziva količina topline.

je promjena unutarnje energije tijela tijekom procesa prijenosa topline bez obavljanja rada. Količina topline označena je slovom Q .

Rad, unutarnja energija i toplina mjere se istim jedinicama - džulima ( J), kao i svaka vrsta energije.

U toplinskim mjerenjima prije se kao jedinica količine topline koristila posebna jedinica energije - kalorija ( izmet), jednak količina topline potrebna za zagrijavanje 1 grama vode za 1 stupanj Celzija (točnije od 19,5 do 20,5°C). Ova jedinica se trenutno koristi za izračunavanje potrošnje topline (toplinske energije) u stambene zgrade. Eksperimentalno je utvrđen mehanički ekvivalent topline - odnos između kalorija i džula: 1 cal = 4,2 J.

Kada tijelo preda određenu količinu topline bez obavljanja rada, njegova unutarnja energija se povećava, a ako tijelo preda određenu količinu topline, tada mu se unutarnja energija smanjuje.

Ako u dvije jednake posude, jednu i 400 g, ulijete 100 g vode iste temperature i stavite ih na iste plamenike, tada će voda u prvoj posudi prije prokuhati. Dakle, što je veća tjelesna težina, to velika količina potrebna mu je toplina da se zagrije. Isto je i sa hlađenjem.

Količina topline potrebna za zagrijavanje tijela ovisi i o vrsti tvari od koje je tijelo izgrađeno. Ovu ovisnost količine topline potrebne za zagrijavanje tijela o vrsti tvari karakterizira fizikalna veličina tzv. specifični toplinski kapacitet tvari.

je fizikalna veličina jednaka količini topline koja se mora predati 1 kg tvari da se zagrije za 1 °C (ili 1 K). 1 kg tvari oslobađa istu količinu topline kada se ohladi za 1 °C.

Specifični toplinski kapacitet označen je slovom S. Jedinica specifičnog toplinskog kapaciteta je 1 J/kg °C ili 1 J/kg °K.

Specifični toplinski kapacitet tvari određuje se eksperimentalno. Tekućine imaju veći specifični toplinski kapacitet od metala; Voda ima najveću specifičnu toplinu, zlato ima vrlo malu specifičnu toplinu.

Kako je količina topline jednaka promjeni unutarnje energije tijela, možemo reći da specifični toplinski kapacitet pokazuje koliko se mijenja unutarnja energija 1 kg tvari kada joj se temperatura promijeni za 1 °C. Konkretno, unutarnja energija 1 kg olova se povećava za 140 J kada se zagrije za 1 °C, a smanjuje se za 140 J kada se ohladi.

Q = c ∙ m (t 2 - t 1)

Ista se formula koristi za izračunavanje količine topline koju tijelo predaje pri hlađenju. Samo u tom slučaju treba konačnu temperaturu oduzeti od početne temperature, tj. iz veću vrijednost oduzmite nižu temperaturu.

Ovo je sažetak teme „Količina topline. Određena toplina". Odaberite sljedeće korake:

• Idi na sljedeći sažetak:

Količina topline, nakon čijeg prijema temperatura tijela poraste za jedan stupanj, naziva se toplinski kapacitet. Prema ovoj definiciji.

Toplinski kapacitet po jedinici mase naziva se specifično toplinski kapacitet. Toplinski kapacitet po molu naziva se kutnjak toplinski kapacitet.

Dakle, toplinski kapacitet se određuje kroz pojam količine topline. Ali ovo drugo, kao i rad, ovisi o procesu. To znači da toplinski kapacitet također ovisi o procesu. Moguće je prenijeti toplinu - zagrijati tijelo - pod različitim uvjetima. Međutim, pod različitim uvjetima, isto povećanje tjelesne temperature zahtijevat će različite količine topline. Posljedično, tijela se ne mogu karakterizirati jednim toplinskim kapacitetom, već bezbrojnim brojevima (onoliko koliko se može sjetiti svih vrsta procesa u kojima dolazi do prijenosa topline). Međutim, u praksi se obično koristi definicija dva toplinska kapaciteta: toplinski kapacitet pri konstantnom volumenu i toplinski kapacitet pri konstantnom tlaku.

Toplinski kapacitet varira ovisno o uvjetima u kojima se tijelo zagrijava - pri stalnom volumenu ili pri stalnom tlaku.

Ako se zagrijavanje tijela događa pri konstantnom volumenu, tj. dV= 0, tada je rad nula. U ovom slučaju, prenosi se na tijelo dolazi vrućina samo promjenom unutarnje energije, dQ= dE, a u tom slučaju toplinski kapacitet jednak je promjeni unutarnje energije pri promjeni temperature za 1 K, tj.

.Jer za plin
, To
.Ova formula određuje toplinski kapacitet 1 mola idealnog plina, koji se naziva molar. Kada se plin zagrijava pri konstantnom tlaku, njegov volumen se mijenja; toplina predana tijelu ide ne samo za povećanje njegove unutarnje energije, već i za obavljanje rada, tj. dQ= dE+ PdV. Toplinski kapacitet pri konstantnom tlaku
.

Za idealan plin PV= RT i stoga PdV= RdT.

Uzimajući to u obzir, nalazimo
.Stav
je veličina karakteristična za svaki plin i određena brojem stupnjeva slobode molekula plina. Mjerenje toplinskog kapaciteta tijela stoga je način izravnog mjerenja mikroskopskih karakteristika njegovih sastavnih molekula.

F
Formule za toplinski kapacitet idealnog plina približno točno opisuju eksperiment, uglavnom za jednoatomske plinove. Prema gore dobivenim formulama, toplinski kapacitet ne bi trebao ovisiti o temperaturi. Zapravo, promatra se slika prikazana na sl., dobivena eksperimentalno za dvoatomni plin vodik. U odjeljku 1 plin se ponaša kao sustav čestica koje imaju samo translacijske stupnjeve slobode; u odjeljku 2 pobuđuje se gibanje povezano s rotacijskim stupnjevima slobode; i konačno, u odjeljku 3 pojavljuju se dva vibracijska stupnja slobode. Koraci na krivulji dobro se slažu s formulom (2.35), ali među njima toplinski kapacitet raste s temperaturom, što odgovara necijelobrojnoj varijabli broja stupnjeva slobode. Ovakvo ponašanje toplinskog kapaciteta ukazuje na nedostatnost ideje o idealnom plinu kojom opisujemo stvarna svojstva tvari.

Odnos između molarnog toplinskog kapaciteta i specifičnog toplinskog kapacitetaS=M s, gdje je s - određena toplina, M - molekulska masa.Mayerova formula.

Za svaki idealni plin vrijedi Mayerova relacija:

, gdje je R univerzalna plinska konstanta, molarni toplinski kapacitet pri konstantnom tlaku, molarni toplinski kapacitet pri konstantnom volumenu.

Uređaji i pribor koji se koriste u radu:

2. Utezi.

3. Termometar.

4. Kalorimetar.

6. Kalorimetrijsko tijelo.

7. Pločice za kućanstvo.

Cilj rada:

Naučiti eksperimentalno odrediti specifični toplinski kapacitet tvari.

I. TEORIJSKI UVOD.

Toplinska vodljivost- prijenos topline s jače zagrijanih dijelova tijela na manje zagrijane kao rezultat sudara brzih molekula sa sporima, pri čemu brze molekule predaju dio svoje energije sporima.

Promjena unutarnje energije svakog tijela upravno je proporcionalna njegovoj masi i promjeni tjelesne temperature.

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

Vrijednost c koja karakterizira ovisnost promjene unutarnje energije tijela tijekom zagrijavanja ili hlađenja o vrsti tvari i vanjski uvjeti nazvao specifični toplinski kapacitet tijela.

(4)

Vrijednost C, koja karakterizira ovisnost tijela o apsorbiranju topline kada se zagrije i jednaka je omjeru količine topline koja se preda tijelu i porastu njegove temperature, naziva se toplinski kapacitet tijela.

C = c × m. (5)
(6)
Q = CDT (7)

Molarni toplinski kapacitet Cm, je količina topline potrebna da se jedan mol tvari zagrije za 1 Kelvin

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

Specifični toplinski kapacitet ovisi o prirodi procesa u kojem se zagrijava.

Jednadžba toplinske ravnoteže.

Pri izmjeni topline zbroj količina topline koje odaju sva tijela čija se unutarnja energija smanjuje jednak je zbroju količina topline koje primaju sva tijela čija se unutarnja energija povećava.

SQ odjel = SQ prijem (10)

Ako tijela tvore zatvoreni sustav i među njima se odvija samo izmjena topline, tada algebarski zbroj primljena i predana količina topline jednake su 0.

SQ dept + SQ primanje = 0.

Primjer:

U izmjeni topline sudjeluju tijelo, kalorimetar i tekućina. Tijelo predaje toplinu, kalorimetar i tekućina je primaju.

Q t = Q k + Q f

Q t = c t m t (T 2 – Q)

Q k = c k m k (Q – T 1)

Q f = c f m f (Q – T 1)

Gdje je Q(tau) ukupna konačna temperatura.

s t m t (T 2 -Q) = s do m do (Q- T 1) + s f m f (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. NAPREDAK RADA.

SVA MJERENJA SE VRŠE S TOČNOŠĆU DO 0,1 g.

1. Odredite vaganjem masu unutarnje posude, kalorimetar m 1.

2. U unutarnju posudu kalorimetra ulijte vodu, izvažite unutarnju čašu zajedno s ulivenom tekućinom m do.

3. Odredite masu izlivene vode m = m do - m 1

4. Stavite unutarnju posudu kalorimetra u vanjsku i izmjerite početnu temperaturu vode T 1.

5. Izvadite ispitno tijelo iz kipuće vode, brzo ga prenesite u kalorimetar, određujući T 2 - početnu temperaturu tijela, jednaka je temperaturi kipuće vode.

6. Dok miješate tekućinu u kalorimetru, pričekajte dok temperatura ne prestane rasti: izmjerite konačnu (stalnu) temperaturu Q.

7. Izvadite ispitno tijelo iz kalorimetra, osušite ga filtar papirom i odredite njegovu masu m 3 vaganjem na vagi.

8. Rezultate svih mjerenja i izračuna unesite u tablicu. Izvršite izračune do drugog decimalnog mjesta.

9. Napravite jednadžbu toplinske bilance i iz nje pronađite specifični toplinski kapacitet tvari S.

10. Na temelju dobivenih rezultata u aplikaciji odredi tvar.

11. Izračunajte apsolutnu i relativnu pogrešku dobivenog rezultata u odnosu na tablični rezultat pomoću formula:

;

12. Zaključak o obavljenom poslu.

TABLICA REZULTATA MJERENJA I PRORAČUNA

Što mislite, što se brže zagrije na štednjaku: litra vode u loncu ili sam lonac od 1 kilograma? Masa tijela je ista, može se pretpostaviti da će se zagrijavanje odvijati istom brzinom.

Ali nije bilo tako! Možete napraviti eksperiment - stavite prazan lonac na vatru na nekoliko sekundi, samo da ne zagori i zapamtite na koju temperaturu se zagrijao. A zatim ulijte u tepsiju točno onoliko vode koliko je teška tepsija. U teoriji, voda bi se trebala zagrijati na istu temperaturu kao prazna posuda za duplo duže vrijeme, jer se u tom slučaju zagrijavaju obje - i voda i posuda.

No, čak i ako pričekate tri puta dulje, uvjerit ćete se da će se voda ipak manje grijati. Vodi će trebati gotovo deset puta više vremena da postigne istu temperaturu kao tava iste težine. Zašto se ovo događa? Što sprječava zagrijavanje vode? Zašto bismo trebali trošiti dodatni plin za grijanje vode prilikom kuhanja? Budući da postoji fizikalna veličina koja se naziva specifični toplinski kapacitet tvari.

Specifični toplinski kapacitet tvari

Ta vrijednost pokazuje koliko topline treba predati tijelu mase jednog kilograma da bi mu se temperatura povećala za jedan stupanj Celzija. Mjereno u J/(kg * ˚S). Ova vrijednost ne postoji zbog vlastitog hira, već zbog razlike u svojstvima različitih tvari.

Specifična toplina vode je oko deset puta veća od specifične topline željeza, pa će se posuda zagrijati deset puta brže od vode u njoj. Zanimljivo je da je specifični toplinski kapacitet leda upola manji od vode. Stoga će se led zagrijati dvostruko brže od vode. Topiti led je lakše nego grijati vodu. Koliko god čudno zvučalo, to je činjenica.

Proračun količine topline

Specifični toplinski kapacitet označen je slovom c I koristi se u formuli za izračunavanje količine topline:

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

gdje je Q količina topline,
c - specifični toplinski kapacitet,
m - tjelesna težina,
t2 i t1 su konačna odnosno početna temperatura tijela.

Formula specifičnog toplinskog kapaciteta: c = Q / m*(t2 - t1)

Također možete izraziti iz ove formule:

• m = Q / c*(t2-t1) - težina tijela
• t1 = t2 - (Q / c*m) - početna tjelesna temperatura
• t2 = t1 + (Q / c*m) - konačna tjelesna temperatura
• Δt = t2 - t1 = (Q / c*m) - temperaturna razlika (delta t)

Što je sa specifičnim toplinskim kapacitetom plinova? Ovdje je sve zbunjujuće. S čvrste tvari a s tekućinama je situacija mnogo jednostavnija. Njihov specifični toplinski kapacitet je konstantna, poznata i lako izračunata vrijednost. Što se tiče specifičnog toplinskog kapaciteta plinova, ova vrijednost je vrlo različita u različitim situacijama. Uzmimo zrak kao primjer. Specifični toplinski kapacitet zraka ovisi o njegovom sastavu, vlažnosti i atmosferskom tlaku.

Istodobno, s porastom temperature, plin se povećava u volumenu, a potrebno je unijeti još jednu vrijednost - konstantni ili varijabilni volumen, što će također utjecati na toplinski kapacitet. Stoga se pri proračunu količine topline za zrak i druge plinove koriste posebni grafikoni specifičnog toplinskog kapaciteta plinova ovisno o razni faktori i uvjetima.