Если вы наблюдаете, как поверхность замерзшего пруда медленно тает нетипично теплым зимним днем, и наблюдаете, как то же самое происходит на воде. поверхность ближайшей замороженной лужи хорошего размера, вы можете заметить, что лед в каждой, кажется, превращается в воду примерно с одинаковыми показатель.
Но что, если бы весь солнечный свет, падающий на открытую поверхность пруда, размером может быть акр, был одновременно сфокусирован на поверхности лужи?
Ваша интуиция, вероятно, подсказывает вам, что поверхность лужи не только очень быстро растворилась бы в воде, но и вся лужа может даже почти мгновенно превратиться в водяной пар, минуя жидкую фазу, чтобы стать водянистым газ. Но почему с точки зрения физики это должно быть?
Та же самая интуиция, вероятно, подсказывает вам, что существует связь между теплотой, массой и изменением температуры льда, воды или того и другого.
Как оказалось, дело обстоит именно так, и идея распространяется также и на другие вещества, каждое из которых имеет разные свойства. «устойчивость» к нагреванию, что проявляется в различных изменениях температуры в ответ на заданное количество при добавлении нагревать. Эти идеи объединяются, чтобы предложить концепции
удельная теплоемкость а также теплоемкость.Что такое тепло в физике?
Тепло - одна из, казалось бы, бесчисленных форм величины, известной в физике как энергия. Энергия выражается в единицах силы, умноженной на расстояние, или в ньютон-метрах, но обычно это называется джоуль (Дж). В некоторых приложениях стандартная единица измерения - 4,18 Дж; в третьих, правит btu, или британская тематическая единица.
Тепло имеет тенденцию «перемещаться» из более теплых областей в более прохладные, то есть в регионы, в которых в настоящее время меньше тепла. Хотя тепло невозможно удержать или увидеть, изменения его величины можно измерить по изменению температуры.
Температура - это мера средней кинетической энергии набора молекул, такого как стакан с водой или емкость с газом. Добавление тепла увеличивает эту молекулярную кинетическую энергию и, следовательно, температуру, а уменьшение ее снижает температуру.
Что такое калориметрия?
Почему джоуль равен 4,18 калории? Потому что калория (cal), хотя и не единица тепла в системе СИ, является производной от метрических единиц и в некотором смысле является фундаментальной: количество тепла необходимо поднять 1 грамм воды комнатной температуры на 1 K или 1 ° C. (Изменение на 1 градус по шкале Кельвина идентично изменению на 1 градус по шкале Цельсия; однако они смещены примерно на 273 градуса, так что 0 K = 273,15 ° C.)
- «Калорийность» на этикетках продуктов питания - это килокалория (ккал), что означает, что банка сладкой газировки объемом 12 унций содержит около 150 000 настоящих калорий.
Способ определить такую вещь экспериментально, с использованием воды или другого вещества, - это поместить заданную массу в сосуд. контейнера, добавьте заданное количество тепла, не допуская выхода какого-либо вещества или тепла из сборки, и измерьте изменение температура.
Поскольку вы знаете массу вещества и можете предположить, что тепло и температура одинаковы во всем, вы простым делением можно определить, насколько тепло изменит единицу количества, например, 1 грамм, на то же температура.
Объяснение уравнения теплоемкости
Формула теплоемкости бывает разных форм, но все они сводятся к одному и тому же основному уравнению:
Q = mCΔT
Это уравнение просто утверждает, что изменение тепла Q замкнутой системы (жидкость, газ или твердое тело материала) равна массе образца m, умноженной на изменение температуры ΔT, умноженное на параметр C называется удельная теплоемкость, или просто удельная теплоемкость. Чем выше значение C, тем больше тепла может поглотить система, поддерживая такое же повышение температуры.
Что такое удельная теплоемкость?
Теплоемкость - это количество тепла, необходимое для повышения температуры объекта на определенную величину (обычно на 1 К), поэтому в системе СИ используются Дж / К. Предмет может быть однородным, а может и не быть. Было бы возможно приблизительно определить теплоемкость смеси веществ, таких как грязь, если бы вы знал его массу и измерял изменение его температуры в ответ на нагрев в герметичном устройстве с Сортировать.
Более полезное количество в химии, физике и технике - удельная теплоемкость C, измеряется в единицах тепла на единицу массы. Единицами удельной теплоемкости обычно являются джоули на грамм-кельвин или Дж / г⋅К, хотя килограмм (кг) является единицей массы в системе СИ. Одна из причин, по которой удельная теплоемкость полезна, заключается в том, что если у вас есть известная масса однородного вещества и известна его теплоемкость емкости, вы можете оценить его пригодность для использования в качестве «радиатора», чтобы избежать риска возгорания в некоторых экспериментальных ситуации.
На самом деле вода обладает очень высокой теплоемкостью. Учитывая, что человеческое тело должно выдерживать добавление или вычитание значительного количества тепла благодаря земному В различных условиях это было бы основным требованием для любого биологического объекта, состоящего в основном из воды, поскольку почти все существенные живые существа вещи есть.
Теплоемкость vs. Удельная теплоемкость
Представьте себе спортивный стадион, вмещающий 100 000 человек, и другой стадион в другом конце города, вмещающий 50 000 человек. С первого взгляда видно, что абсолютная «вместимость» первого стадиона вдвое больше, чем второго. Но также представьте, что второй стадион построен таким образом, что он занимает только одна четвертая объема первого.
Если вы сделаете алгебру, то обнаружите, что на меньшем стадионе фактически в два раза больше людей. на единицу площади как больший, что дает ему удвоенное значение «конкретного места».
В этой аналогии подумайте об отдельных зрителях как о единицах тепла одинаковой величины, втекающих на стадион и выходящих из него. В то время как более крупный стадион может удерживать в два раза больше «тепла», меньший стадион фактически имеет в два раза больше возможностей для «хранения» этой версии «тепла» на единицу площади.
Если предполагается, что каждая секция одинакового размера на обоих стадионах при заполнении производит одинаковое количество мусора после игры, независимо от того, сколько человек он вмещает, меньший будет вдвое эффективнее уменьшать помет из физическое лицо зрители; Считайте это вдвое более устойчивым к повышению температуры на единицу добавленного тепла.
Из этого вы можете видеть, что если два объекта с одинаковой удельной теплоемкостью имеют разную массу, у большего из них будет большая теплоемкость на величину, которая зависит от того, насколько он массивнее. При сравнении объектов разной массы и разной теплоемкости ситуация усложняется.
Пример расчета удельной теплоемкости
Металлическая медь имеет удельную теплоемкость 0,386 Дж / г⋅К. Сколько тепла необходимо для повышения температуры 1 кг (1000 г или 2,2 фунта) меди с 0 ° C до 100 ° C?
Q = (м) (C) (ΔT) = (1000 г) (0,386 Дж / г⋅K) (100 K) = 38600 Дж = 38,6 кДж.
Что это теплоемкость этого куска меди? Вам нужно 38600 Дж, чтобы поднять всю массу на 100 К, поэтому вам понадобится 1/100 от этого, чтобы подтолкнуть ее на 1 К. Таким образом, теплоемкость меди в этом размере составляет 386 Дж.
