Количество теплоты

От чего зависит нагревание

Опыт показывает три вещи сразу. Чем больше масса тела, тем больше энергии нужно на нагрев.

Чем сильнее хотим нагреть, тем больше джоулей потребуется. Нагреть воду на двадцать градусов вдвое дороже, чем на десять.

И третье: разные вещества требуют разного. Килограмм воды и килограмм железа, нагретые на один градус, забирают совершенно разную энергию.

Величину, которая описывает третье свойство, называют удельной теплоёмкостью. Она показывает, сколько джоулей нужно одному килограмму вещества, чтобы стать теплее на один градус.

Формула

Количество теплоты считают, перемножив три величины: теплоёмкость, массу и изменение температуры.

Обозначают его буквой Q и измеряют в джоулях. Изменение температуры пишут греческой буквой дельта перед буквой t.

Формула работает в обе стороны. При нагревании тело эту энергию получает, при остывании отдаёт столько же.

Почему вода особенная

У воды самая большая теплоёмкость среди обычных веществ. Она нагревается неохотно и так же неохотно остывает.

Отсюда мягкий климат у моря. Днём вода забирает тепло и не даёт воздуху раскалиться, ночью отдаёт и не даёт замёрзнуть.

Отсюда же выбор воды для отопления. По трубам гонят именно её, потому что на каждый килограмм она уносит от котла больше всего энергии.

Грелку тоже наполняют водой, а не песком. При одинаковой массе вода отдаёт тепло дольше.

На пляже это заметно без приборов. К полудню песок обжигает ноги, а вода у берега остаётся прохладной, хотя солнце светит на них одинаково.

Уравнение теплового баланса

Смешаем горячую и холодную воду. Горячая остынет, холодная нагреется, и через время температуры сравняются.

Сколько джоулей отдала первая, столько получила вторая. Это и есть уравнение теплового баланса.

На нём стоит расчёт калориметра, прибора для точных измерений теплоты. Внутри у него сосуд в сосуде, чтобы энергия не уходила наружу.

В школьных задачах потери в стенки обычно не учитывают. В настоящем опыте их приходится считать отдельно.

Проверить баланс легко дома. Смешай литр воды при семидесяти градусах с литром при двадцати, и градусник покажет около сорока пяти, то есть почти ровно середину.

Как это считают на кухне и в котельной

Чтобы вскипятить полный чайник, требуется около семисот килоджоулей. Электрический чайник мощностью два киловатта делает это за шесть минут.

Отопление дома считают так же, только массы там измеряются тоннами. Поэтому котёл работает часами.

Полезно помнить порядок величин. Килоджоуль это тысяча джоулей, мегаджоуль это миллион.

Раньше теплоту мерили калориями, и это слово осталось на упаковках еды. Одна калория равна примерно четырём и двум десятым джоуля.

Топливо

Энергию для нагревания чаще всего берут от сгорания топлива. У каждого топлива есть удельная теплота сгорания: сколько джоулей даёт килограмм.

У сухих дров это около десяти мегаджоулей, у угля тридцать, у бензина сорок шесть. Поэтому бак бензина заменяет целую поленницу.

Считают выделенную энергию просто: удельную теплоту сгорания умножают на массу сгоревшего топлива.

Часть этой энергии всегда уходит мимо цели. Сколько именно, показывает коэффициент полезного действия установки.

У костра он совсем мал: почти всё тепло уходит в воздух. У печи с хорошей кладкой он доходит до восьмидесяти процентов, потому что горячие газы успевают отдать энергию кирпичу.

Отсюда практический вывод. Экономить топливо можно двумя путями: жечь его полнее и не давать теплу уходить туда, где оно не нужно.

Про пути передачи энергии речь шла в уроке «Виды теплопередачи». Что происходит, когда тело плавится, разбирает урок «Плавление и отвердевание».