Теплоємність
Теплоємність (часто скорочена Cp) визначається як кількість тепла, необхідна для підвищення температури даної маси речовини на один градус Цельсія. Теплоємність також може бути визначена як енергія, необхідна для підвищення температури одного моля речовини на один градус Цельсія (молярна теплоємність) або для підняття одного грама речовини на один градус Цельсія (питома теплоємність).
Теплоємність пов’язана зі здатністю речовини утримувати тепло і швидкістю, з якою воно буде нагріватися або охолоджуватися. Наприклад, речовина з низькою теплоємністю, наприклад залізо, буде швидко нагріватися і охолоджуватися, тоді як речовина з високою теплоємністю, наприклад вода, нагрівається і охолоджується повільно. Ось чому в спекотний літній день вода в озері залишається прохолодною, навіть якщо повітря над ним (яке має низьку теплоємність) швидко нагрівається, і чому вода залишається теплою вночі після охолодження повітря.
Теплоємність і калориметрія
Калориметрія - це вивчення тепла та теплової енергії. Калорія - це одиниця теплової енергії у британській системі вимірювання. У метричній системі енергія вимірюється в джоулях, а одна калорія дорівнює 4,184 джоуля. Коли будь-яку речовину нагрівають, кількість тепла, необхідне для підвищення її температури, буде залежати від маси предмета, складу об'єкта та бажаної зміни температури. При розгляді тепла має значення саме зміна температури, а не окремі стартові та кінцеві температури. Рівняння, яке пов'язує ці величини, є:
де q - кількість тепла (у джоулях), m - маса об'єкта (зазвичай у грамах), Cp - теплоємність (зазвичай у джоулях/грам градусу) і Δ T - зміна температури (у градусах Цельсія ).
Кількість необхідного тепла залежить від маси, що нагрівається (тобто для нагрівання великої кількості води потрібно більше теплової енергії, ніж невеликої кількості); ідентичність речовини, що нагрівається (наприклад, вода має високу теплоємність і повільно нагрівається, тоді як метали мають низьку теплоємність і швидко нагріваються); і зміна температури (для нагрівання предмета на 60 градусів потрібно більше енергії, ніж на 20 градусів).
Теплоємність і закон збереження енергії
Розрахунки з використанням теплоємності можна використовувати для визначення зміни температури, яка відбуватиметься, якщо два об'єкти з різною температурою будуть контактувати один з одним. Наприклад, якщо шматок металевого алюмінію розміром 50 г (Cp = 0,9 Дж/г C) при температурі 100 ° C помістити в 50 г води при 20 ° C, можна розрахувати кінцеву температуру алюмінію і води. Алюміній охолоне, а вода буде нагріватися, поки обидва об'єкти не досягнуть однакової температури. Вода буде отримувати все тепло, втрачене алюмінієм, коли воно охолоджується. Це результат закону збереження енергії, який говорить, що енергію не можна ні створювати, ні руйнувати. Тепло, втрачене металом, буде
qlost = (50 грам) х (0,9 Дж/г ° C) х (100 Т)
і тепло, отримане водою, буде
qgained = (50 грам) х (4,184 Дж/г ° C) х (Т-20)
Ці два рівняння еквівалентні, оскільки втрата тепла дорівнює отриманому теплу; кінцева температура суміші буде 27,8 ° С. Ця кінцева температура набагато ближча до початкової температури води, оскільки вода має високу теплоємність, а алюміній - низьку.
Значення високої теплоємності води
Вода має одну з найвищих теплоємностей серед усіх речовин. Щоб змінити температуру води порівняно з металами, потрібна велика кількість теплової енергії. Велика кількість води на Землі означає, що екстремальні перепади температури рідкісні на Землі порівняно з іншими планетами. Якби не висока теплоємність води, людські тіла (які також містять велику кількість води) зазнали б значних змін температур.
Ресурси
КНИГИ
Голдік, Говард Д. Механіка, тепло і людське тіло. Верхня річка Седдл, Нью-Джерсі: Прентис Холл, 2001.
Гольдштейн, Мартін та Інге Гольдштейн. Холодильник і Всесвіт: Розуміння законів енергетики, Гарвардський університет, 1993.
Максвелл, Джеймс Клерк. Теорія тепла. Мінеола, Нью-Йорк: Публікації в Дуврі, 2001.
Янг, Х'ю Д. Сірс та Університетська фізика Земанського. Сан-Франциско, Каліфорнія: Пірсон Аддісон Веслі, 2004.
Цитуйте цю статтю