Ilość ciepła. Jednostki ilości ciepła. Jednostki ciepła

1. Zmiana energii wewnętrznej w wyniku wykonania pracy charakteryzuje się ilością pracy, tj. praca jest miarą zmiany energii wewnętrznej w danym procesie. Zmiana energii wewnętrznej ciała podczas wymiany ciepła charakteryzuje się wielkością tzw ilość ciepła.

Ilość ciepła to zmiana energii wewnętrznej ciała podczas wymiany ciepła bez wykonania pracy.

Ilość ciepła oznaczona jest literą \(Q\) . Ponieważ ilość ciepła jest miarą zmiany energii wewnętrznej, jej jednostką jest dżul (1 J).

Kiedy ciało przekazuje pewną ilość ciepła, nie wykonując pracy, jego energia wewnętrzna wzrasta; jeśli ciało oddaje pewną ilość ciepła, wówczas jego energia wewnętrzna maleje.

2. Jeżeli do dwóch identycznych naczyń wlejemy po 100 g wody, do jednego i po 400 g do drugiego o tej samej temperaturze i postawimy je na identycznych palnikach, to w pierwszym naczyniu woda zagotuje się wcześniej. Zatem im większa masa ciała, tym duża ilość aby się ogrzać, potrzebne jest ciepło. To samo dotyczy chłodzenia: kiedy ciało o większej masie jest schładzane, wydziela większą ilość ciepła. Ciała te zbudowane są z tej samej substancji i nagrzewają się lub ochładzają o tę samą liczbę stopni.

​3. Jeśli teraz podgrzejemy 100 g wody od 30 do 60°C, tj. w temperaturze 30°C, a następnie do 100°C, tj. o 70°C, to w pierwszym przypadku nagrzewanie zajmie mniej czasu niż w drugim, w związku z czym podgrzanie wody o 30°C będzie wymagało mniej ciepła niż podgrzanie wody o 70°C. Zatem ilość ciepła jest wprost proporcjonalna do różnicy między końcową \(t_2\,^\circ C) \) ​ i początkową \((t_1\,^\circ C) \) temperaturą: \( Q\sim(t_2- t_1) \) ​.

4. Jeśli teraz do jednego naczynia wlejemy 100 g wody, a do drugiego, identycznego naczynia wlejemy trochę wody i włożymy do niego metalowy korpus tak, aby jego masa i masa wody wyniosły 100 g, i podgrzejemy naczynia na identycznych płytkach, to zauważysz, że w naczyniu zawierającym tylko wodę będzie miała niższą temperaturę niż naczynie zawierające wodę i metalowy korpus. Dlatego, aby temperatura zawartości obu naczyń była taka sama, należy przekazać więcej ciepła wodzie niż wodzie i metalowemu korpusowi. Zatem ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy od rodzaju substancji, z której ciało jest zbudowane.

5. Scharakteryzowano zależność ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała od rodzaju substancji wielkość fizyczna, zwany Ciepło właściwe substancji.

Wielkość fizyczna równa ilości ciepła, jaką należy przekazać 1 kg substancji, aby ogrzać ją o 1 ° C (lub 1 K), nazywa się ciepłem właściwym substancji.

1 kg substancji wydziela taką samą ilość ciepła po ochłodzeniu o 1°C.

Ciepło właściwe jest oznaczone literą \(c\) . Jednostką ciepła właściwego jest 1 J/kg °C lub 1 J/kg K.

Ciepło właściwe substancji określa się eksperymentalnie. Ciecze mają wyższą pojemność cieplną właściwą niż metale; Woda ma najwyższe ciepło właściwe, złoto ma bardzo małe ciepło właściwe.

Ciepło właściwe ołowiu wynosi 140 J/kg°C. Oznacza to, że aby ogrzać 1 kg ołowiu o 1°C, należy wydać ilość ciepła 140 J. Taka sama ilość ciepła zostanie wydzielona, ​​gdy 1 kg wody ostygnie o 1°C.

Ponieważ ilość ciepła jest równa zmianie energii wewnętrznej ciała, można powiedzieć, że pojemność cieplna właściwa pokazuje, jak bardzo zmienia się energia wewnętrzna 1 kg substancji, gdy jej temperatura zmienia się o 1°C. W szczególności energia wewnętrzna 1 kg ołowiu wzrasta o 140 J po podgrzaniu o 1 °C i maleje o 140 J po ochłodzeniu.

Ilość ciepła \(Q \) ​ potrzebna do ogrzania ciała o masie \(m \) ​ od temperatury \((t_1\,^\circ C) \) do temperatury \((t_2\,^\ circ C) \) jest równy iloczynowi ciepła właściwego substancji, masy ciała i różnicy między temperaturą końcową i początkową, tj.

\[ Q=cm(t_2()^\circ-t_1()^\circ) \]

Ten sam wzór służy do obliczenia ilości ciepła wydzielanego przez ciało podczas chłodzenia. Tylko w tym przypadku należy od temperatury początkowej odjąć temperaturę końcową, tj. Od temperatury wyższej odejmij niższą temperaturę.

6. Przykład rozwiązania problemu. Do szklanki zawierającej 200 g wody o temperaturze 80°C wlewa się 100 g wody o temperaturze 20°C. Po czym temperatura w naczyniu osiągnęła 60°C. Ile ciepła otrzymała zimna woda, a ile ciepła oddała ciepła woda?

Rozwiązując problem, należy go wykonać następującą sekwencję działania:

1. zapisz krótko warunki wystąpienia problemu;
2. przekonwertować wartości wielkości na SI;
3. przeanalizuj problem, ustal, które ciała biorą udział w wymianie ciepła, które oddają energię, a które odbierają;
4. rozwiązać problem w ogólna perspektywa;
5. wykonywać obliczenia;
6. przeanalizuj otrzymaną odpowiedź.

1. Zadanie.

Dany:
\(m_1 \) ​ = 200 g
\(m_2\) ​ = 100 g
\(t_1 \) ​ = 80 °C
\(t_2 \) ​ = 20 °C
\(t\) ​ = 60 °C
______________

\(Q_1 \) ​ —? \(Q_2 \) ​ —?
\(c_1 \) ​ = 4200 J/kg °C

2. SI:\(m_1\) ​ = 0,2 kg; \(m_2\) ​ = 0,1 kg.

3. Analiza zadań. Problem opisuje proces wymiany ciepła pomiędzy ciepłą i zimną wodą. Gorąca woda oddaje pewną ilość ciepła ​\(Q_1 \) ​ i ochładza się od temperatury ​\(t_1 \) ​ do temperatury ​\(t \) ​. Zimna woda odbiera ilość ciepła ​\(Q_2\) ​ i nagrzewa się od temperatury ​\(t_2\) ​ do temperatury​\(t\) ​.

4. Rozwiązanie problemu w formie ogólnej. Ilość oddanego ciepła gorąca woda, oblicza się ze wzoru: \(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) ​.

Ilość ciepła odbieranego przez zimną wodę oblicza się ze wzoru: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) .

5. Obliczenia.
\(Q_1 \) ​ = 4200 J/kg · °С · 0,2 kg · 20 °С = 16800 J
\(Q_2\) = 4200 J/kg °C 0,1 kg 40 °C = 16800 J

6. Odpowiedź jest taka, że ​​ilość ciepła oddanego przez gorącą wodę jest równa ilości ciepła otrzymanego przez zimną wodę. W tym przypadku brano pod uwagę sytuację wyidealizowaną i nie wzięto pod uwagę tego, że pewna ilość ciepła została wykorzystana do ogrzania szyby, w której znajdowała się woda, oraz otaczającego powietrza. W rzeczywistości ilość ciepła oddawanego przez gorącą wodę jest większa niż ilość ciepła odbieranego przez zimną wodę.

Część 1

1. Ciepło właściwe srebra wynosi 250 J/(kg°C). Co to znaczy?

1) gdy 1 kg srebra ostygnie do temperatury 250°C, wydzieli się ciepło o wartości 1 J
2) gdy 250 kg srebra ostygnie o 1°C, wydzieli się ciepło o wartości 1 J
3) gdy 250 kg srebra ostygnie o 1°C, pochłonie ilość ciepła 1 J
4) gdy 1 kg srebra ostygnie o 1°C, wydzieli się ciepło o wartości 250 J

2. Ciepło właściwe cynku wynosi 400 J/(kg°C). To znaczy, że

1) po ogrzaniu 1 kg cynku o 400°C jego energia wewnętrzna wzrasta o 1 J
2) gdy 400 kg cynku ogrzeje się o 1°C, jego energia wewnętrzna wzrośnie o 1 J
3) aby ogrzać 400 kg cynku o 1°C, należy wydać 1 J energii
4) po ogrzaniu 1 kg cynku o 1°C jego energia wewnętrzna wzrasta o 400 J

3. Podczas przenoszenia ciało stałe masa \(m \) ​ ilość ciepła \(Q \) ​ temperatura ciała zwiększona o \(\Delta t^\circ \) ​. Które z poniższych wyrażeń określa ciepło właściwe substancji tego ciała?

1) ​\(\frac(m\Delta t^\circ)(Q) \)​
2) \(\frac(Q)(m\Delta t^\circ) \)​
3) \(\frac(Q)(\Delta t^\circ) \) ​
4) \(Qm\Delta t^\circ \) ​

4. Rysunek przedstawia wykres zależności ilości ciepła potrzebnego do ogrzania dwóch ciał (1 i 2) o tej samej masie od temperatury. Porównaj wartości ciepła właściwego (​\(c_1 \) ​ i ​\(c_2 \) ​) substancji, z których zbudowane są te ciała.

1) \(c_1=c_2 \) ​
2) \(c_1>c_2 \) ​
3)\(c_1 4) odpowiedź zależy od wartości masy ciał

5. Wykres przedstawia ilość ciepła przekazaną dwóm ciałom o jednakowych masach, gdy ich temperatura zmienia się o tę samą liczbę stopni. Która zależność jest poprawna dla ciepła właściwego substancji, z których zbudowane są ciała?

1) \(c_1=c_2\)
2) \(c_1=3c_2\)
3) \(c_2=3c_1\)
4) \(c_2=2c_1\)

6. Rysunek przedstawia wykres temperatury ciała stałego w zależności od ilości wydzielanego przez nie ciepła. Masa ciała 4kg. Jakie jest ciepło właściwe substancji tego ciała?

1) 500 J/(kg°C)
2) 250 J/(kg°C)
3) 125 J/(kg°C)
4) 100 J/(kg°C)

7. Podczas ogrzewania krystalicznej substancji o masie 100 g mierzono temperaturę tej substancji i ilość ciepła przekazanego tej substancji. Dane pomiarowe przedstawiono w formie tabelarycznej. Zakładając, że straty energii można pominąć, określ ciepło właściwe substancji w stanie stałym.

1) 192 J/(kg°C)
2) 240 J/(kg°C)
3) 576 J/(kg°C)
4) 480 J/(kg°C)

8. Aby ogrzać 192 g molibdenu o 1 K, należy przekazać mu ciepło o wartości 48 J. Jakie jest ciepło właściwe tej substancji?

1) 250 J/(kg·K)
2) 24 J/(kg·K)
3) 4,10 -3 J/(kg·K)
4) 0,92 J/(kg·K)

9. Jaka ilość ciepła jest potrzebna, aby ogrzać 100 g ołowiu od 27 do 47°C?

1) 390 J
2) 26 kJ
3) 260 J
4) 390 kJ

10. Ogrzanie cegły od 20 do 85°C wymaga takiej samej ilości ciepła, jak podgrzanie wody o tej samej masie o 13°C. Ciepło właściwe cegły wynosi

1) 840 J/(kg·K)
2) 21000 J/(kg·K)
3) 2100 J/(kg·K)
4) 1680 J/(kg·K)

11. Z poniższej listy stwierdzeń wybierz dwa poprawne i wpisz ich numery w tabelce.

1) Ilość ciepła, jaką otrzyma ciało, gdy jego temperatura wzrośnie o określoną liczbę stopni, jest równa ilości ciepła, które to ciało oddaje, gdy jego temperatura spadnie o tę samą liczbę stopni.
2) Kiedy substancja ochładza się, jej energia wewnętrzna wzrasta.
3) Ilość ciepła, jaką substancja otrzymuje po podgrzaniu, jest wykorzystywana głównie do zwiększenia energii kinetycznej jej cząsteczek.
4) Ilość ciepła, jaką substancja otrzymuje po podgrzaniu, jest wykorzystywana głównie w celu zwiększenia energii potencjalnej interakcji jej cząsteczek
5) Energię wewnętrzną ciała można zmienić jedynie poprzez przekazanie mu określonej ilości ciepła

12. W tabeli przedstawiono wyniki pomiarów masy ​\(m\) , zmian temperatury ​\(\Delta t\) ​ oraz ilości ciepła ​\(Q\) ​wydzielonego podczas chłodzenia cylindrów wykonanych z miedzi lub aluminium .

Które stwierdzenia odpowiadają wynikom eksperymentu? Z podanej listy wybierz dwa prawidłowe. Podaj ich numery. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów można stwierdzić, że ilość ciepła wydzielanego podczas chłodzenia

1) zależy od substancji, z której wykonany jest cylinder.
2) nie zależy od substancji, z której wykonany jest cylinder.
3) wzrasta wraz ze wzrostem masy cylindra.
4) wzrasta wraz ze wzrostem różnicy temperatur.
5) Ciepło właściwe aluminium jest 4 razy większe niż ciepło właściwe cyny.

Część 2

C1. Ciało stałe o masie 2 kg umieszcza się w piecu o mocy 2 kW i zaczyna się nagrzewać. Rysunek przedstawia zależność temperatury \(t\) tego ciała od czasu nagrzewania \(\tau \) ​. Jakie jest ciepło właściwe substancji?

1) 400 J/(kg°C)
2) 200 J/(kg°C)
3) 40 J/(kg°C)
4) 20 J/(kg°C)

Odpowiedzi

Jak już wiemy, energia wewnętrzna ciała może się zmieniać zarówno podczas wykonywania pracy, jak i poprzez wymianę ciepła (bez wykonywania pracy). Zasadnicza różnica między pracą a ilością ciepła polega na tym, że praca określa proces przemiany energii wewnętrznej układu, któremu towarzyszy przemiana energii z jednego rodzaju na drugi.

W przypadku zmiany energii wewnętrznej za pomocą przenikanie ciepła, przeniesienie energii z jednego ciała na drugie odbywa się z powodu przewodność cieplna, promieniowanie lub konwekcja.

Nazywa się energię, którą ciało traci lub zyskuje podczas wymiany ciepła ilość ciepła.

Obliczając ilość ciepła, trzeba wiedzieć, jakie wielkości na nią wpływają.

Będziemy podgrzewać dwa naczynia za pomocą dwóch identycznych palników. Jedno naczynie zawiera 1 kg wody, drugie 2 kg. Temperatura wody w obu naczyniach jest początkowo taka sama. Widzimy, że w tym samym czasie woda w jednym z naczyń nagrzewa się szybciej, chociaż oba naczynia otrzymują równą ilość ciepła.

Zatem wnioskujemy: im większa masa danego ciała, tym więcej ciepła należy wydać, aby obniżyć lub podnieść jego temperaturę o tę samą liczbę stopni.

Kiedy ciało się ochładza, oddaje większą ilość ciepła sąsiadującym obiektom, im większa jest jego masa.

Wszyscy wiemy, że jeśli będziemy musieli podgrzać pełny czajnik z wodą do temperatury 50°C, poświęcimy na tę czynność mniej czasu niż podgrzanie czajnika z taką samą objętością wody, ale tylko do 100°C. W przypadku pierwszym do wody zostanie oddane mniej ciepła niż w przypadku drugim.

Zatem ilość ciepła potrzebna do ogrzewania zależy bezpośrednio od tego, czy ile stopni ciało może się rozgrzać. Możemy stwierdzić: ilość ciepła zależy bezpośrednio od różnicy temperatur ciała.

Ale czy można określić ilość ciepła potrzebną do podgrzania nie wody, ale innej substancji, powiedzmy ropy, ołowiu lub żelaza?

Napełnij jedno naczynie wodą, a drugie olejem roślinnym. Masy wody i oleju są równe. Obydwa naczynia będziemy podgrzewać równomiernie na identycznych palnikach. Rozpocznijmy doświadczenie w równych temperaturach początkowych oleju roślinnego i wody. Pięć minut później, po zmierzeniu temperatur podgrzanego oleju i wody, zauważymy, że temperatura oleju jest znacznie wyższa od temperatury wody, chociaż obie ciecze otrzymały taką samą ilość ciepła.

Oczywisty wniosek jest następujący: Podczas podgrzewania równych mas oleju i wody w tej samej temperaturze potrzebne są różne ilości ciepła.

I od razu wyciągamy kolejny wniosek: ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy bezpośrednio od substancji, z której składa się samo ciało (rodzaj substancji).

Zatem ilość ciepła potrzebnego do ogrzania ciała (lub uwolnionego podczas chłodzenia) zależy bezpośrednio od masy ciała, zmienności jego temperatury i rodzaju substancji.

Ilość ciepła oznaczona jest symbolem Q. Podobnie jak inne rodzaje energii, ilość ciepła mierzona jest w dżulach (J) lub kilodżulach (kJ).

1 kJ = 1000 J

Historia pokazuje jednak, że naukowcy zaczęli mierzyć ilość ciepła na długo przed pojawieniem się pojęcia energii w fizyce. Opracowano wówczas specjalną jednostkę do pomiaru ilości ciepła - kalorie (cal) lub kilokalorie (kcal). Słowo ma korzenie łacińskie, kalor - ciepło.

1 kcal = 1000 kalorii

Kaloria– jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 g wody o 1°C

1 kal = 4,19 J ≈ 4,2 J

1 kcal = 4190 J ≈ 4200 J ≈ 4,2 kJ

Nadal masz pytania? Nie wiesz jak odrobić pracę domową?
Aby uzyskać pomoc korepetytora zarejestruj się.
Pierwsza lekcja jest darmowa!

stronie internetowej, przy kopiowaniu materiału w całości lub w części wymagany jest link do źródła.

Energia wewnętrzna ciała zmienia się pod wpływem pracy lub wymiany ciepła. W zjawisku wymiany ciepła energia wewnętrzna przekazywana jest poprzez przewodzenie, konwekcję lub promieniowanie.

Każde ciało po podgrzaniu lub ochłodzeniu (poprzez wymianę ciepła) zyskuje lub traci pewną ilość energii. Na tej podstawie zwyczajowo nazywa się tę ilość energii ilością ciepła.

Więc, ilość ciepła to energia, którą ciało oddaje lub otrzymuje w procesie wymiany ciepła.

Ile ciepła potrzeba do ogrzania wody? Na prostym przykładzie można zrozumieć, że podgrzanie różnych ilości wody będzie wymagało różnej ilości ciepła. Załóżmy, że bierzemy dwie probówki z 1 litrem wody i 2 litrami wody. W którym przypadku będzie potrzebne więcej ciepła? W drugim, gdzie w probówce znajdują się 2 litry wody. Druga probówka będzie się nagrzewać dłużej, jeśli podgrzejemy ją tym samym źródłem ognia.

Zatem ilość ciepła zależy od masy ciała. Im większa masa, tym większa ilość ciepła potrzebna do ogrzania i odpowiednio, tym dłużej trwa chłodzenie ciała.

Od czego jeszcze zależy ilość ciepła? Naturalnie z różnicy temperatur ciała. Ale to nie wszystko. W końcu, jeśli będziemy próbować podgrzać wodę lub mleko, będziemy potrzebować innej ilości czasu. Oznacza to, że ilość ciepła zależy od substancji, z której składa się ciało.

W rezultacie okazuje się, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania lub ilość ciepła wydzielanego podczas ochładzania ciała zależy od jego masy, zmiany temperatury oraz rodzaju substancji, z której zbudowane jest ciało. opanowany.

Jak mierzy się ilość ciepła?

Za jednostka ciepła jest to ogólnie przyjęte 1 dżul. Przed pojawieniem się jednostki miary energii naukowcy uważali ilość ciepła za kalorie. Ta jednostka miary jest zwykle skracana jako „J”

Kaloria- jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 grama wody o 1 stopień Celsjusza. Skrócona forma pomiaru kalorii to „cal”.

1 kal = 4,19 J.

Należy pamiętać, że w tych jednostkach energii zwyczajowo podaje się wartość odżywczą żywności w kJ i kcal.

1 kcal = 1000 kalorii.

1 kJ = 1000 J

1 kcal = 4190 J = 4,19 kJ

Co to jest ciepło właściwe

Każda substancja w przyrodzie ma swoje właściwości, a ogrzanie każdej pojedynczej substancji wymaga innej ilości energii, tj. ilość ciepła.

Ciepło właściwe substancji- jest to ilość równa ilości ciepła, jaką należy przekazać ciału o masie 1 kilograma, aby ogrzać je do temperatury 1 0 C

Ciepło właściwe jest oznaczone literą c i ma wartość pomiarową J/kg*

Na przykład ciepło właściwe wody wynosi 4200 J/kg* 0 C. Oznacza to, że jest to ilość ciepła, którą należy przekazać 1 kg wody, aby ogrzać ją o 1 0 C

Należy pamiętać, że ciepło właściwe substancji w różnych stanach skupienia jest różne. Oznacza to podgrzanie lodu o 1 0 C będzie wymagało innej ilości ciepła.

Jak obliczyć ilość ciepła potrzebną do ogrzania ciała

Na przykład konieczne jest obliczenie ilości ciepła, które należy wydać, aby ogrzać 3 kg wody od temperatury 15 0 C do temperatury 85 0 C. Znamy ciepło właściwe wody, czyli ilość energii potrzebnej do ogrzania 1 kg wody o 1 stopień. Oznacza to, że aby dowiedzieć się, ile ciepła jest w naszym przypadku, należy pomnożyć ciepło właściwe wody przez 3 i liczbę stopni, o które chcesz zwiększyć temperaturę wody. Więc to jest 4200*3*(85-15) = 882 000.

W nawiasach obliczamy dokładną liczbę stopni, odejmując wynik początkowy od wymaganego wyniku końcowego

Tak więc, aby podgrzać 3 kg wody od 15 do 85 0 C, potrzebujemy 882 000 J ciepła.

Ilość ciepła oznaczona jest literą Q, wzór na jej obliczenie jest następujący:

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

Analiza i rozwiązywanie problemów

Problem 1. Ile ciepła potrzeba do ogrzania 0,5 kg wody od 20 do 50 0 C

Dany:

m = 0,5 kg.,

s = 4200 J/kg* 0 C,

t 1 = 20 0 C,

t 2 = 50 0 C.

Ciepło właściwe określiliśmy z tabeli.

Rozwiązanie:

2 -t 1 ).

Zastąp wartości:

Q=4200*0,5*(50-20) = 63 000 J = 63 kJ.

Odpowiedź: Q=63 kJ.

Zadanie 2. Jaka ilość ciepła jest potrzebna do ogrzania pręta aluminiowego o masie 0,5 kg do 85°C 0°C?

Dany:

m = 0,5 kg.,

s = 920 J/kg* 0 C,

t 1 = 0 0 C,

t 2 = 85 0 C.

Rozwiązanie:

ilość ciepła określa się ze wzoru Q=c*m*(t 2 -t 1 ).

Zastąp wartości:

Q=920*0,5*(85-0) = 39100 J = 39,1 kJ.

Odpowiedź: Q= 39,1 kJ.

Energia wewnętrzna ciała może się zmieniać pod wpływem działania sił zewnętrznych. Aby scharakteryzować zmianę energii wewnętrznej podczas wymiany ciepła, wprowadza się wielkość zwaną ilością ciepła i oznaczoną Q.

W systemie międzynarodowym jednostką ciepła, a także pracy i energii jest dżul: = = = 1 J.

W praktyce czasami stosuje się niesystemową jednostkę ilości ciepła – kalorię. 1 kal. = 4,2 J.

Należy zauważyć, że określenie „ilość ciepła” jest niefortunne. Wprowadzono go w czasach, gdy wierzono, że w ciele znajduje się jakiś nieważki, nieuchwytny płyn – kaloryczny. Proces wymiany ciepła rzekomo polega na tym, że kaloryfer przepływając z jednego ciała do drugiego niesie ze sobą pewną ilość ciepła. Teraz, znając podstawy molekularno-kinetycznej teorii budowy materii, rozumiemy, że w ciałach nie ma kalorii, mechanizm zmiany energii wewnętrznej ciała jest inny. Siła tradycji jest jednak wielka i nadal używamy terminu wprowadzonego na podstawie błędnych wyobrażeń o naturze ciepła. Jednocześnie rozumiejąc naturę wymiany ciepła, nie należy całkowicie ignorować błędnych przekonań na ten temat. Wręcz odwrotnie, dokonując analogii pomiędzy przepływem ciepła a przepływem hipotetycznej cieczy kalorycznej, ilością ciepła i ilością kaloryczną, przy rozwiązywaniu pewnych klas problemów można zwizualizować zachodzące procesy i prawidłowo rozwiązać problemy. Ostatecznie kiedyś otrzymano prawidłowe równania opisujące procesy wymiany ciepła na podstawie błędnych wyobrażeń o kalorii jako nośniku ciepła.

Rozważmy bardziej szczegółowo procesy, które mogą wystąpić w wyniku wymiany ciepła.

Do probówki wlej trochę wody i zamknij ją korkiem. Zawieszamy probówkę na pręcie umocowanym w stojaku i kładziemy pod nią otwarty ogień. Probówka otrzymuje pewną ilość ciepła od płomienia, a temperatura znajdującej się w niej cieczy wzrasta. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia wewnętrzna cieczy. Następuje intensywny proces parowania. Rozprężające się pary cieczy wykonują pracę mechaniczną polegającą na wypchnięciu korka z probówki.

Przeprowadźmy kolejny eksperyment z modelem armaty wykonanej z kawałka mosiężnej rurki, która jest zamontowana na wózku. Tubus z jednej strony jest szczelnie zamknięty ebonitowym korkiem, przez który przechodzi kołek. Do pinu i rurki przylutowane są przewody zakończone zaciskami, do których można doprowadzić napięcie z sieci oświetleniowej. Model armatni jest zatem rodzajem kotła elektrycznego.

Do lufy armaty wlej trochę wody i zamknij rurkę gumowym korkiem. Podłączmy pistolet do źródła zasilania. Prąd elektryczny przepływający przez wodę podgrzewa ją. Woda wrze, co prowadzi do intensywnego tworzenia się pary. Zwiększa się ciśnienie pary wodnej i w końcu wykonują one pracę polegającą na wypchnięciu wtyczki z lufy pistoletu.

Pistolet na skutek odrzutu toczy się w kierunku przeciwnym do wyrzucenia grzybka.

Obydwa doświadczenia łączą następujące okoliczności. W procesie podgrzewania cieczy na różne sposoby wzrosła temperatura cieczy i odpowiednio jej energia wewnętrzna. Aby ciecz zagotowała się i intensywnie odparowała, konieczne było jej dalsze podgrzewanie.

Pary cieczy, dzięki swojej energii wewnętrznej, wykonują pracę mechaniczną.

Badamy zależność ilości ciepła potrzebnego do ogrzania ciała od jego masy, zmian temperatury i rodzaju substancji. Do badania tych zależności użyjemy wody i oleju. (W doświadczeniu do pomiaru temperatury używa się termometru elektrycznego składającego się z termopary połączonej z galwanometrem lustrzanym. Jedno złącze termopary zanurza się w naczyniu z zimną wodą, aby zapewnić jej stałą temperaturę. Drugie złącze termopary mierzy temperaturę cieczy w trakcie studiów).

Doświadczenie składa się z trzech serii. W pierwszej serii dla stałej masy określonej cieczy (w naszym przypadku wody) badana jest zależność ilości ciepła potrzebnego do jej ogrzania od zmian temperatury. Ilość ciepła odebranego przez ciecz z grzejnika (kuchenki elektrycznej) będziemy oceniać po czasie nagrzewania, zakładając, że istnieje między nimi wprost proporcjonalna zależność. Aby wynik doświadczenia odpowiadał temu założeniu, należy zapewnić stacjonarny przepływ ciepła z kuchenki elektrycznej do nagrzanego ciała. W tym celu wcześniej włączono kuchenkę elektryczną, aby na początku eksperymentu temperatura jej powierzchni przestała się zmieniać. Aby ciecz w trakcie eksperymentu była bardziej równomiernie podgrzana, będziemy ją mieszać za pomocą samej termopary. Odczyty termometru będziemy rejestrować w regularnych odstępach czasu, aż plamka świetlna dotrze do krawędzi skali.

Załóżmy, że istnieje wprost proporcjonalna zależność pomiędzy ilością ciepła potrzebną do ogrzania ciała a zmianą jego temperatury.

W drugiej serii doświadczeń porównamy ilości ciepła potrzebne do ogrzania identycznych cieczy o różnych masach, gdy ich temperatura zmieni się o tę samą wartość.

Dla wygody porównania uzyskanych wartości przyjmuje się, że masa wody w drugim doświadczeniu będzie dwukrotnie mniejsza niż w pierwszym doświadczeniu.

Będziemy ponownie rejestrować odczyty termometru w regularnych odstępach czasu.

Porównując wyniki pierwszego i drugiego doświadczenia, można wyciągnąć następujące wnioski.

W trzeciej serii doświadczeń porównamy ilości ciepła potrzebne do ogrzania jednakowych mas różnych cieczy, gdy ich temperatura zmieni się o tę samą wartość.

Olej będziemy podgrzewać na kuchence elektrycznej, której masa jest równa masie wody w pierwszym eksperymencie. Odczyty termometru będziemy rejestrować w regularnych odstępach czasu.

Wynik doświadczenia potwierdza wniosek, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała jest wprost proporcjonalna do zmiany jego temperatury, a ponadto wskazuje na zależność tej ilości ciepła od rodzaju substancji.

Ponieważ w doświadczeniu wykorzystano olej, którego gęstość jest mniejsza od gęstości wody, a ogrzanie oleju do określonej temperatury wymagało mniej ciepła niż podgrzanie wody, można założyć, że ilość ciepła potrzebna do ogrzania ciała zależy od jego gęstość.

Aby przetestować to założenie, będziemy jednocześnie podgrzewać równe masy wody, parafiny i miedzi na grzejniku o stałej mocy.

Po tym czasie temperatura miedzi jest około 10-krotna, a parafiny około 2-krotnie wyższa od temperatury wody.

Ale miedź ma większą gęstość, a parafina ma mniejszą gęstość niż woda.

Doświadczenie pokazuje, że wielkością charakteryzującą szybkość zmian temperatury substancji, z których zbudowane są ciała biorące udział w wymianie ciepła, nie jest gęstość. Wielkość ta nazywana jest ciepłem właściwym substancji i jest oznaczona literą c.

Do porównania ciepła właściwego różnych substancji używa się specjalnego urządzenia. Urządzenie składa się ze stojaków, w których zamocowana jest cienka płyta parafinowa oraz pasek z przechodzącymi przez nią prętami. Na końcach prętów zamocowane są cylindry aluminiowe, stalowe i mosiężne o jednakowej masie.

Podgrzejmy cylindry do tej samej temperatury, zanurzając je w naczyniu z wodą stojącym na rozgrzanym piecu. Mocujemy gorące cylindry do stojaków i zwalniamy je z mocowania. Cylindry jednocześnie dotykają płyty parafinowej i topiąc parafinę, zaczynają w niej opadać. Głębokość zanurzenia cylindrów o tej samej masie w płycie parafinowej, gdy ich temperatura zmienia się o tę samą wartość, okazuje się różna.

Doświadczenie pokazuje, że ciepło właściwe aluminium, stali i mosiądzu jest różne.

Po przeprowadzeniu odpowiednich eksperymentów z topieniem ciał stałych, odparowaniem cieczy i spalaniem paliwa otrzymujemy następujące zależności ilościowe.

Aby otrzymać jednostki określonych wielkości, należy je wyrazić z odpowiednich wzorów i w otrzymanych wyrażeniach zastąpić jednostki ciepła - 1 J, masę - 1 kg, a dla ciepła właściwego - 1 K.

Otrzymujemy następujące jednostki: ciepło właściwe – 1 J/kg·K, inne ciepło właściwe: 1 J/kg.

„...- Ile papug zmieści się w tobie, taki jest twój wzrost.
- Naprawdę tego potrzebuję! Nie połknę tylu papug!…”

Z filmu „38 papug”

Zgodnie z międzynarodowymi zasadami SI (International System of Units) ilość energii cieplnej lub ilość ciepła mierzy się w dżulach [J], istnieje również wiele jednostek kilodżul [kJ] = 1000 J., megadżul [MJ] = 1 000 000 J, GigaJoule [ GJ] = 1 000 000 000 J. itd. Ta jednostka miary energii cieplnej jest główną jednostką międzynarodową i jest najczęściej używana w obliczeniach naukowych i naukowo-technicznych.

Jednak każdy z nas wie lub słyszał choć raz inną jednostką miary ilości ciepła (lub po prostu ciepła) jest kaloria, a także kilokalorie, megakalorie i gigakalerie, czyli to, co przedrostki kilo, giga i mega oznacza, patrz przykład z dżulami powyżej. W naszym kraju historycznie przy obliczaniu taryf za ogrzewanie, czy to ogrzewanie za pomocą kotłów elektrycznych, gazowych czy na pellet, zwyczajowo bierze się pod uwagę koszt dokładnie jednej Gigakalorii energii cieplnej.

Czym więc są gigaloria, kilowat, kilowato*godzina lub kilowat/godzina i dżule i jak są one ze sobą powiązane?, dowiesz się w tym artykule.

Zatem podstawową jednostką energii cieplnej jest, jak już wspomniano, dżul. Zanim jednak zaczniemy mówić o jednostkach miary, należy w zasadzie wyjaśnić na poziomie codziennym, czym jest energia cieplna oraz jak i dlaczego ją mierzyć.

Wszyscy wiemy od dzieciństwa, że ​​aby się ogrzać (otrzymać energię cieplną) trzeba coś podpalić, więc wszyscy paliliśmy ogniska; tradycyjnym paliwem do ogniska jest drewno. Zatem oczywiście podczas spalania paliwa (dowolnego: drewna, węgla, pelletu, gazu ziemnego, oleju napędowego) wydziela się energia cieplna (ciepło). Jednak do ogrzania np. różnych objętości wody potrzebne są różne ilości drewna opałowego (lub innego paliwa). Wiadomo, że do ogrzania dwóch litrów wody wystarczy kilka ognisk, a żeby przygotować pół wiadra zupy dla całego obozu, trzeba zaopatrzyć się w kilka wiązek drewna opałowego. Aby nie mierzyć tak ścisłych wielkości technicznych, jak ilość ciepła i ciepło spalania paliwa za pomocą wiązek drewna opałowego i wiader z zupą, inżynierowie ciepłownicy postanowili wprowadzić przejrzystość i porządek i zgodzili się wymyślić jednostkę ilości ciepła. Aby jednostka ta była wszędzie taka sama, zdefiniowano ją w następujący sposób: podgrzanie jednego kilograma wody o jeden stopień w normalnych warunkach (ciśnienie atmosferyczne) wymaga 4190 kalorii, czyli 4,19 kilokalorii, aby ogrzać jeden gram wody a wystarczy tysiąc razy mniej ciepła – 4,19 kalorii.

Kaloria jest powiązana z międzynarodową jednostką energii cieplnej, dżulem, za pomocą następującej zależności:

1 kaloria = 4,19 dżula.

Zatem do ogrzania 1 grama wody o jeden stopień potrzeba 4,19 dżuli energii cieplnej, a do ogrzania jednego kilograma wody potrzeba będzie 4190 dżuli ciepła.

W technologii obok jednostki miary energii cieplnej (i każdej innej) energii istnieje jednostka mocy, którą zgodnie z międzynarodowym systemem (SI) jest wat. Pojęcie mocy dotyczy także urządzeń grzewczych. Jeśli urządzenie grzewcze jest w stanie dostarczyć 1 dżul energii cieplnej w ciągu 1 sekundy, jego moc wynosi 1 wat. Moc to zdolność urządzenia do wytworzenia (wytworzenia) określonej ilości energii (w naszym przypadku energii cieplnej) w jednostce czasu. Wróćmy do naszego przykładu z wodą, aby ogrzać jeden kilogram (lub jeden litr, w przypadku wody, kilogram równa się litrowi) wody o jeden stopień Celsjusza (lub Kelvina, to nie ma znaczenia), potrzebujemy moc 1 kilokalorii lub 4190 J energii cieplnej. Aby podgrzać kilogram wody w ciągu 1 sekundy o 1 stopień, potrzebujemy urządzenia o następującej mocy:

4190 J./1 s. = 4190 W. lub 4,19 kW.

Jeżeli w ciągu tej samej sekundy będziemy chcieli podgrzać nasz kilogram wody o 25 stopni, to będziemy potrzebowali dwudziestopięciokrotnie większej mocy, czyli ok.

4,19*25 =104,75 kW.

Możemy zatem stwierdzić, że moc wynosi 104,75 kW. podgrzewa 1 litr wody o 25 stopni w ciągu jednej sekundy.

Skoro już dotarliśmy do watów i kilowatów, powinniśmy o nich powiedzieć kilka słów. Jak już wspomniano, wat jest jednostką mocy, obejmującą moc cieplną kotła, ale oprócz kotłów gazowych ludzkość zna również kotły elektryczne, których moc mierzy się oczywiście w tych samych kilowatach i są one zużywać nie pelletu czy gazu, lecz energię elektryczną, której ilość mierzy się w kilowatogodzinach. Prawidłowy zapis jednostki energii kilowato*godzina (mianowicie kilowat pomnożony przez godzinę, a nie podzielony), zapis kW/godzinę jest błędem!

W kotłach elektrycznych energia elektryczna zamieniana jest na energię cieplną (tzw. ciepło Joule'a) i jeżeli kocioł zużył 1 kWh energii elektrycznej, to ile ciepła wytworzył? Aby odpowiedzieć na to proste pytanie, należy wykonać proste obliczenia.

Zamieńmy kilowaty na kilodżule/sekundę (kilodżul na sekundę), a godziny na sekundy: godzina ma 3600 sekund, otrzymamy:

1 kW*godzina = [1 kJ/s]*3600 s.=1000 J *3600 s = 3 600 000 dżuli lub 3,6 MJ.

Więc,

1 kW*godzina = 3,6 MJ.

Z kolei 3,6 MJ/4,19 = 0,859 Mcal = 859 kcal = 859 000 kal. Energia (cieplna).

Przejdźmy teraz do Gigakalorii, których cenę inżynierowie ciepłownicy lubią obliczać dla różnych rodzajów paliwa.

1 Gcal = 1 000 000 000 kal.

1 000 000 000 kal. = 4,19*1 000 000 000 = 4 190 000 000 J. = 4190 MJ. = 4,19 GJ.

Lub wiedząc, że 1 kW*godzina = 3,6 MJ, przeliczmy 1 Gigakalorię na kilowatogodzinę:

1 Gcal = 4190 MJ/3,6 MJ = 1163 kW*godziny!

Jeśli po przeczytaniu tego artykułu zdecydujesz się na konsultację ze specjalistą z naszej firmy w jakiejkolwiek sprawie związanej z zaopatrzeniem w ciepło, to tak