Количество теплоты и калориметр

В этом параграфе мы будем использовать два новых термина. Определим их. Теплообмен – это явление перехода внутренней энергии одного тела во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы. Количество теплоты – это энергия, перешедшая от одного тела к другому при теплообмене.

Вы видите калориметр – прибор для измерения количества теплоты. Простейший калориметр состоит из двух стаканов: внутреннего алюминиевого и внешнего пластмассового. Стаканы разделены воздушным промежутком.

Рассмотрим пример применения калориметра. Во внутренний стакан нальём 100 г воды. Измерим её температуру: 20 °С. Погрузим в воду горячее тело, например, металлический цилиндрик. В калориметре начнётся теплообмен, и некоторое количество теплоты перейдёт от цилиндрика к воде. В результате её температура повысится. На рисунке – до 60 °С.

Вычислим изменение температуры: Dt_воды = 60 °С – 20 °С = 40 °С.

Зная, что масса воды 100 г, инженер-теплотехник скажет: вода получила 100 г · 40 °С = 4000 калорий теплоты. В отличие от теплотехники, в физике количество теплоты измеряют джоулями. Для этого служит специальная формула.

Q – количество теплоты, Дж. с – удельная теплоемкость, Дж/(кг°С). m – масса тела, кг. Dt° – изменение температуры тела, °С.

Удельная теплоёмкость вещества – физическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1 кг этого вещества на 1 °С.

Используя табличное значение для коэффициента «с», легко подсчитать, что вода внутри калориметра получила от металлического цилиндрика 16,8 кДж теплоты:

Q_вод = 4200 Дж/(кг°С) · 0,1 кг · 40 °С = 16800 Дж.

Формулу Q = cmDt применяют не только в том случае, когда тело нагревается. Ее также используют для подсчета количества теплоты, которое отдают охлаждающиеся тела. Например, вода внутри отопительных батарей в вашей квартире.

Удельные теплоемкости различных веществ измерены и занесены в специальные таблицы. Например, для воды в жидком состоянии с = 4200 Дж/ (кг°С). Это значение показывает, что для нагревания 1 кг воды на 1 °С потребуется 4200 Дж теплоты. Можно сказать и иначе: остывая на 1°С, каждый килограмм воды отдаёт окружающим телам 4200 Дж тепловой энергии.

Поясним дополнительно, почему в определении теплообмена присутствуют слова «без совершения механической работы». Вспомним, что в § 5-е мы рассмотрели опыт с манометром и горячей гирей. Тогда внутренняя энергия гири уменьшалась. За счёт этого совершалась механическая работа – удлинялся «столбик» жидкости в манометре. В опыте с калориметром внутренняя энергия цилиндрика также уменьшалась. Однако она превращалась не в механическую работу, а во внутреннюю энергию воды (см. рисунок; для наглядности мы нарисовали цилиндрик вне калориметра).

Калориметрические измерения показывают, что теплообмен всегда протекает так, что убыль внутренней энергии одних тел всегда сопровождается таким же приращением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене.