Кількість теплоти — формула, рівняння, розрахунки

Фізика під питомою теплоємністю розуміє кількість теплоти, яку термодинамічна речовина або система здатна поглинути до підвищення температури.

Визначення з підручника говорить, що це кількість тепла, необхідна для створення температури при нагріванні.

Кількість теплоти

Одиниця виміру кількості теплоти – джоуль. Іншою поширеною формою вимірювання є використання калорій. Позначається латинською літерою Q.

Питома теплоємність речовини

Це фізична величина, що виражає кількість тепла, що необхідна речовині на одиницю маси для підвищення температури на одну одиницю.

Таким чином, питома теплоємність є властивістю речовини, оскільки її значення є репрезентативним для кожної речовини, кожне з яких, своєю чергою, має різні значення в залежності від того, в якому стані речовина знаходиться (рідкий, твердий або газоподібний).

Питома теплоємність позначається маленькою літерою c і вимірюється в Дж/кг ∙ °С та являє собою коефіцієнт підвищення температури в одній одиниці всієї системи або всієї маси речовини.

Крім того, питома теплоємність змінюється в залежності від фізичного стану речовини, особливо в разі твердих частинок і газів, оскільки його молекулярна структура впливає на теплопередачу в системі частинок. Те ж саме відноситься і до умов атмосферного тиску: чим вище тиск, тим нижче питоме тепло.

Основний склад питомої теплоти речовини повинен бути С = С/m, тобто питома теплота дорівнює співвідношенню калорійності і маси. Однак коли це застосовується до даної зміни температури, говорять про середню питому теплоємності, яка розраховується на основі наступної формули:

де:

• Q – передача теплової енергії між системою і середовищем (Дж);
• m – маса системи (кг);
• Δt або (t₂ – t₁) – підвищення температури, якій вона піддається (°C).

Формула для знаходження кількості теплоти Q:

Q = c∗m(t₂ – t₁)

Чим вище питома теплоємність речовини, тим більше теплової енергії буде потрібно, щоб її температура підвищилася.

Наприклад, для нагріву води (с_води = 4200 Дж/кг*°С) буде потрібно більше теплової енергії, ніж для нагріву свинцю (с_свинцю= 140 Дж/кг*°С).

Рівняння теплового балансу:

Qвіддане + Qотримане = 0.

Приклади розв’язання задач

Наступні завдання покажуть приклади розрахунку необхідної кількості теплоти.

Задача №1

Скільки теплоти потрібно, щоб з льоду масою 2 кг, взятого при температурі -10°С, отримати пар при 100°С?

Рішення:

Відповідь: щоб з льоду масою 2 кг, взятого при температурі -10°С, отримати пар температурою 100°С, потрібно взяти 6,162 мегаджоулів теплоти.

Задача №2

У залізний котел масою 5 кг налита вода масою 10 кг. Яку кількість теплоти потрібно передати котлу з водою для зміни температури від 10 до 100°С?

Почнемо рішення і відзначимо, що нагріватися буде і котел, і вода. Різниця температур складе 100°С — 10°С = 90°С. Тобто і температура котла зміниться на 90 градусів, і температура води також зміниться на 90 градусів.

Кількості теплоти, яку отримали обидва об’єкти (Q₁ – для котла і Q₂ — для води), не будуть однаковими. Ми знайдемо загальну кількість теплоти за формулою теплового балансу Q = Q₁ + Q₂.