Якщо ви спостерігаєте, як поверхня замерзлого ставка повільно тане в нетипово теплий зимовий день, і спостерігаєте, як те саме відбувається на поверхні сусідньої великої замороженої калюжі, ви можете спостерігати, що лід у кожній, здається, перетворюється на воду приблизно однаково ставка.
Але що, якби все сонячне світло, що падає на відкриту поверхню водойми, розміром може бути гектар, одночасно було сфокусовано на поверхні калюжі?
Ваша інтуїція, мабуть, підказує вам, що не тільки поверхня калюжі дуже швидко тане у воді, але і вся калюжа може навіть миттєво стати водяною парою, минаючи рідку фазу, щоб стати водянистою газ. Але чому, з точки зору фізичної науки, це повинно бути?
Ця ж інтуїція, ймовірно, говорить вам про те, що існує взаємозв'язок між теплом, масою та зміною температури льоду, води або того й іншого.
Буває так, і це ідея поширюється і на інші речовини, кожна з яких має різні "стійкість" до нагрівання, що виявляється в різних температурних перепадах у відповідь на задану кількість, якщо її додати тепло. Ці ідеї поєднуються, щоб запропонувати концепції
Що таке тепло у фізиці?
Тепло - одна з, здавалося б, незліченних форм величини, яка у фізиці відома як енергія. Енергія має одиниці сили, відраховані на відстань, або ньютон-метри, але це зазвичай називають джоулем (J). У деяких додатках калорія, що дорівнює 4,18 Дж, є стандартною одиницею; в інших - btu, або британська тематична одиниця, керує днем.
Тепло має тенденцію "переміщатися" з теплих в прохолодні райони, тобто в регіони, в які в даний час менше тепла. Хоча тепло неможливо затримати або побачити, зміни його величини можна виміряти за допомогою зміни температури.
Температура - це міра середньої кінетичної енергії набору молекул, наприклад мензурки з водою або ємності з газом. Додавання тепла підвищує цю молекулярну кінетичну енергію, а отже, і температуру, одночасно знижуючи її, знижує температуру.
Що таке калориметрія?
Чому джоуль дорівнює 4,18 калорій? Оскільки калорія (кал), хоча і не є одиницею теплоти СІ, отримується з метричних одиниць і є фундаментальною в певному сенсі: кількість тепла потрібно підняти один грам води кімнатної температури на 1 К або 1 ° С. (Зміна на 1 градус за шкалою Кельвіна ідентична зміні на 1 градус за шкалою Цельсія; однак ці два зміщуються приблизно на 273 градуси, так що 0 K = 273,15 ° C.)
- "Калорія" на етикетках харчових продуктів насправді є кілокалорією (ккал), що означає, що банка з цукровою содою на 12 унцій містить близько 150 000 справжніх калорій.
Спосіб, за допомогою якого можна визначити таку річ за допомогою експериментів, використовуючи воду або іншу речовину, полягає в тому, щоб помістити дану масу в контейнер, додайте задану кількість тепла, не дозволяючи жодній речовині або теплу вийти з агрегату, і виміряйте зміну в температури.
Оскільки ви знаєте масу речовини і можете припустити, що тепло і температура однакові на всьому протязі, ви можна визначити простим діленням, скільки тепла змінило б одиницю кількості, наприклад 1 грам, на стільки ж температури.
Пояснено рівняння теплової потужності
Формула теплоємності буває різних форм, але всі вони складають одне і те ж основне рівняння:
Q = mCΔT
Це рівняння просто говорить, що зміна теплоти Q замкнутої системи (рідини, газу або твердої речовини матеріалу) дорівнює масі m зразка, помноженому на зміну температури ΔT, помноженому на параметр C зателефонував питома теплоємність, або просто питоме тепло. Чим вище значення С, тим більше тепла може поглинути система, зберігаючи однакове підвищення температури.
Що таке питома теплоємність?
Теплоємність - це кількість тепла, необхідна для підвищення температури об’єкта на певну кількість (зазвичай 1 К), тому одиницями СІ є J / K. Предмет може бути однорідним, а може і не бути. Можна б приблизно визначити теплоємність суміші таких речовин, як грязь, якщо ви знали його масу і вимірювали її температурні зміни у відповідь на нагрівання в герметичному пристрої деяких сортувати.
Більш корисна кількість у хімії, фізиці та техніці питома теплоємність С, що вимірюється в одиницях тепла на одиницю маси. Одиниці питомої теплоємності, як правило, складають джоулі на грам-кельвін або Дж / г⋅К, хоча кілограм (кг) є одиницею маси СІ. Однією з причин корисної специфічної теплоти є те, що якщо у вас є відома маса однорідної речовини і ви знаєте її теплоту потужності, ви можете судити про його придатність служити "тепловідводом", щоб уникнути ризику пожежі в певних експериментах ситуації.
Вода насправді має дуже високу теплоємність. Враховуючи, що людський організм повинен переносити додавання або віднімання значної кількості тепла завдяки земному в різних умовах, це було б основною вимогою будь-якої біологічної сутності, яка здебільшого складається з води, оскільки майже весь значний прожиток речі є.
Теплоємність проти Специфічне тепло
Уявіть собі спортивний стадіон, який вміщує 100 000 людей, і ще один місто, який вміщує 50 000 людей. З одного погляду стає зрозуміло, що абсолютна "місткість" першого стадіону вдвічі перевищує другу. Але також уявіть, що другий стадіон побудований таким чином, що він займає лише одна четверта обсягу першого.
Якщо ви робите алгебру, ви виявите, що менший стадіон насправді вміщує вдвічі більше людей за одиницю простору як більший, надаючи йому вдвічі більше значення "конкретного місця".
У цій аналогії розглядайте окремих глядачів як одиниці тепла однакової величини, що надходять на стадіон і виходять із нього. Хоча більший стадіон може вмістити вдвічі більше "тепла", менший стадіон насправді має подвійну потужність для "зберігання" цієї версії "тепла" на одиницю площі.
Якщо передбачається, що кожна однакова за розміром секція обох стадіонів видає однакову кількість сміття після гри після заповнення, незалежно від того, скільки людей у ньому вміщено, тоді менший буде вдвічі ефективніший у зменшенні посліду з індивідуальна глядачі; подумайте про це як про те, що воно вдвічі стійкіше до підвищення температури на одиницю доданого тепла.
З цього видно, що якщо два об'єкти з однаковим питомим теплом мають різну масу, то більший матиме більшу теплоємність на величину, яка масштабується наскільки вона більш масивна. Порівнюючи предмети різної маси та різної питомої температури, ситуація ускладнюється.
Приклад розрахунку питомої теплової потужності
Металева мідь має питому теплоємність 0,386 Дж / г⋅K. Скільки тепла потрібно для підвищення температури 1 кг міді з 0 ° C до 100 ° C?
Q = (м) (С) (ΔT) = (1000 г) (0,386 Дж / г⋅К) (100 К) = 38 600 Дж = 38,6 кДж.
Що теплоємність цього шматка міді? Вам потрібно 38600 Дж, щоб підняти всю масу на 100 К, тому вам знадобиться 1/100 від цього, щоб підштовхнути її на 1 К. Таким чином, теплоємність міді в цьому розмірі становить 386 Дж.