Предположим, вы налили фиксированное количество воды в два разных стакана. Один стакан высокий и узкий, а другой высокий и широкий. Если количество воды, налитой в каждый стакан, одинаково, можно ожидать, что уровень воды в узком стакане будет выше.
Ширина этих ковшей аналогична понятию удельной теплоемкости. По этой аналогии воду, наливаемую в ведра, можно рассматривать как тепловую энергию, добавляемую к двум различным материалам. Повышение уровня в ковшах аналогично повышению температуры.
Что такое удельная теплоемкость?
Удельная теплоемкость материала - это количество тепловой энергии, необходимое для поднятия единицы массы этого материала на 1 Кельвин (или градус Цельсия). Единицы измерения удельной теплоемкости в системе СИ - Дж / кг · К (джоуль на килограмм × Кельвин).
Удельная теплоемкость варьируется в зависимости от физических свойств материала. Таким образом, это значение, которое вы обычно ищите в таблице. ЖараQдобавлен к материалу массымс удельной теплоемкостьюcприводит к изменению температурыΔTопределяется следующим соотношением:
Q = mc \ Delta T
Удельная теплоемкость воды
Удельная теплоемкость гранита составляет 790 Дж / кг · К, свинца - 128 Дж / кг · К, стекла - 840 Дж / кг · К, меди - 386 Дж / кг · К, воды - 4 186 Дж / кг · К. Обратите внимание, насколько большая удельная теплоемкость воды по сравнению с другими веществами в списке. Оказывается, вода имеет одну из самых высоких удельных теплоемкостей среди всех веществ.
Вещества с большей удельной теплоемкостью могут иметь гораздо более стабильные температуры. То есть их температура не будет сильно колебаться при добавлении или удалении тепловой энергии. (Вернитесь к аналогии со стаканом в начале этой статьи. Если вы добавляете и вычитаете одинаковое количество жидкости в широкий и узкий стакан, уровень в широком стакане изменится намного меньше.)
Именно из-за этого в прибрежных городах гораздо более умеренный климат, чем в городах внутри страны. Близость к такому большому водоему стабилизирует их температуру.
Большая удельная теплоемкость воды также является причиной того, что, когда вы достаете пиццу из духовки, соус все равно обжигает вас даже после того, как корочка остынет. Соус, содержащий воду, должен отдать намного больше тепловой энергии, прежде чем его температура снизится по сравнению с коркой.
Пример удельной теплоемкости
Предположим, что на 1 кг песка (cs = 840 Дж / кг · K) первоначально при 20 градусах Цельсия, в то время как такое же количество тепловой энергии добавляется к смеси 0,5 кг песка и 0,5 кг воды, также первоначально при 20 C. Как конечная температура песка соотносится с конечной температурой смеси песка и воды?
Решение:Сначала решите тепловую формулу дляΔTчтобы получить:
\ Delta T = \ frac {Q} {mc}
Таким образом, для песка вы получите следующее изменение температуры:
\ Delta T = \ frac {10,000} {1 \ times 840} = 11,9 \ text {градусы}
Это дает конечную температуру 31,9 ° C.
Для смеси песка и воды все немного сложнее. Вы не можете просто разделить тепловую энергию поровну между водой и песком. Они смешаны вместе, поэтому они должны претерпеть одинаковое изменение температуры.
Хотя вы знаете общую тепловую энергию, вы сначала не знаете, сколько каждый из них получает. ПозволятьQsбыть количеством энергии тепла, которое получает песок иQшбыть количеством энергии, которое получает вода. Теперь воспользуйтесь тем, чтоQ = Qs + Qшполучить следующее:
Q = Q_s + Q_w = m_sc_s \ Delta T + m_wc_w \ Delta T = (m_sc_s + m_wc_w) \ Delta T
Теперь легко решить дляΔT:
\ Delta T = \ frac {Q} {m_sc_s + m_wc_w}
Затем вставка чисел дает:
\ Delta T = \ frac {10,000} {0,5 \ times 840 + 0,5 \ times 4,186} = 4 \ text {градусы}
Температура смеси повышается всего на 4 ° C, а конечная температура составляет 24 ° C, что значительно ниже, чем у чистого песка!
