È possibile modificare l'energia interna del gas nella bombola non solo eseguendo lavoro, ma anche riscaldando il gas (Fig. 43). Se si fissa il pistone, il volume del gas non cambierà, ma la temperatura, e quindi l'energia interna, aumenterà.
Il processo di trasferimento di energia da un corpo a un altro senza compiere lavoro è chiamato scambio di calore o trasferimento di calore.

L'energia trasferita al corpo come risultato dello scambio termico è chiamata quantità di calore. La quantità di calore è detta anche energia che un corpo cede durante lo scambio termico.

Immagine molecolare del trasferimento di calore. Durante lo scambio di calore al confine tra i corpi, avviene l'interazione delle molecole che si muovono lentamente di un corpo freddo con le molecole che si muovono più velocemente di un corpo caldo. Di conseguenza, le energie cinetiche delle molecole vengono equalizzate e le velocità delle molecole di un corpo freddo aumentano e quelle di un corpo caldo diminuiscono.

Durante lo scambio termico l'energia non viene convertita da una forma all'altra: parte dell'energia interna del corpo caldo viene trasferita al corpo freddo.

Quantità di calore e capacità termica. Dal corso di fisica della VII classe è noto che per riscaldare un corpo di massa m dalla temperatura t 1 alla temperatura t 2 è necessario informarlo della quantità di calore

Q = cm(t2 – t1) = cmΔt. (4.5)

Quando un corpo si raffredda, la sua temperatura eterna t 2 è inferiore alla temperatura iniziale t 1 e la quantità di calore ceduta dal corpo è negativa.
Viene chiamato il coefficiente c nella formula (4.5). capacità termica specifica. Il calore specifico è la quantità di calore che 1 kg di una sostanza riceve o rilascia quando la sua temperatura cambia di 1 K.

La capacità termica specifica è espressa in joule diviso per chilogrammo moltiplicato per kelvin. Corpi diversi richiedono quantità diverse di energia per aumentare la temperatura di 1 K. Pertanto, la capacità termica specifica dell'acqua è 4190 J/(kg K), e quella del rame è 380 J/(kg K).

La capacità termica specifica dipende non solo dalle proprietà della sostanza, ma anche dal processo mediante il quale avviene il trasferimento di calore. Se riscaldi un gas a pressione costante, si espanderà e compirà lavoro. Per riscaldare un gas di 1°C a pressione costante, sarà necessario trasferirgli più calore che per riscaldarlo a volume costante.

Liquido e solidi si espandono leggermente quando riscaldati e le loro capacità termiche specifiche a volume costante e pressione costante differiscono poco.

Calore specifico di vaporizzazione. Per trasformare un liquido in vapore è necessario cedergli una certa quantità di calore. La temperatura del liquido non cambia durante questa trasformazione. Conversione di liquido in vapore quando temperatura costante non porta ad un aumento dell'energia cinetica delle molecole, ma è accompagnato da un aumento della loro energia potenziale. Dopotutto, la distanza media tra le molecole di gas è molte volte maggiore di quella tra le molecole di liquido. Inoltre, l'aumento di volume durante la transizione di una sostanza da stato liquido in forma gassosa richiede lavoro da svolgere contro forze di pressione esterne.

La quantità di calore necessaria per convertire 1 kg di liquido in vapore a temperatura costante è chiamata calore specifico di vaporizzazione. Questa quantità è indicata con la lettera r ed espressa in joule per chilogrammo.

Il calore specifico di vaporizzazione dell'acqua è molto elevato: 2.256 · 10 6 J/kg alla temperatura di 100°C. Per altri liquidi (alcool, etere, mercurio, cherosene, ecc.) il calore specifico di vaporizzazione è 3-10 volte inferiore.

Per trasformare un liquido di massa m in vapore è necessaria una quantità di calore pari a:

Quando il vapore si condensa, viene rilasciata la stessa quantità di calore

Qk = –rm. (4.7)

Calore specifico di fusione. Quando un corpo cristallino fonde, tutto il calore fornitogli va ad aumentare l'energia potenziale delle molecole. Energia cinetica le molecole non cambiano, poiché la fusione avviene a temperatura costante.

La quantità di calore λ (lambda) necessaria per trasformare 1 kg di sostanza cristallina al punto di fusione in un liquido alla stessa temperatura è chiamata calore specifico di fusione.

Quando 1 kg di sostanza cristallizza, viene rilasciata esattamente la stessa quantità di calore. Il calore specifico di fusione del ghiaccio è piuttosto elevato: 3,4 · 10 5 J/kg.

Per fondere un corpo cristallino di massa m è necessaria una quantità di calore pari a:

Qpl = λm. (4.8)

La quantità di calore rilasciata durante la cristallizzazione di un corpo è pari a:

Qcr = –λm. (4.9)

1. Come si chiama la quantità di calore? 2. Da cosa dipende la capacità termica specifica delle sostanze? 3. Cos'è chiamato calore specifico di vaporizzazione? 4. Come si chiama il calore specifico di fusione? 5. In quali casi la quantità di calore trasferito è negativa?

Cosa si scalderà più velocemente sul fornello: un bollitore o un secchio d'acqua? La risposta è ovvia: una teiera. Allora la seconda domanda è: perché?

La risposta non è meno ovvia, perché la massa d'acqua nel bollitore è inferiore. Grande. E ora puoi vivere tu stesso una vera esperienza fisica a casa. Per fare questo, avrai bisogno di due pentolini identici, una uguale quantità di acqua e olio vegetale, ad esempio mezzo litro ciascuno e un fornello. Mettete sullo stesso fuoco le pentole con l'olio e l'acqua. Ora guarda solo cosa si scalderà più velocemente. Se avete un termometro per liquidi potete usarlo; in caso contrario potete semplicemente testare la temperatura con il dito di tanto in tanto, facendo solo attenzione a non scottarvi. In ogni caso, vedrai presto che l'olio si riscalda notevolmente più veloce dell'acqua. E un'altra domanda, che può essere implementata anche sotto forma di esperienza. Cosa bolle più velocemente: acqua calda o fredda? Tutto è di nuovo ovvio: quello caldo sarà il primo al traguardo. Perché tutte queste strane domande ed esperimenti? Determinare quantità fisica, detta “quantità di calore”.

Quantità di calore

La quantità di calore è l'energia che un corpo perde o acquista durante il trasferimento di calore. Questo è chiaro dal nome. Durante il raffreddamento, il corpo perderà una certa quantità di calore e durante il riscaldamento lo assorbirà. E le risposte alle nostre domande ce lo hanno mostrato Da cosa dipende la quantità di calore? Innanzitutto, di più massa corpo, maggiore è la quantità di calore necessaria per modificare la sua temperatura di un grado. In secondo luogo, la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo dipende dalla sostanza di cui è costituito, cioè dal tipo di sostanza. In terzo luogo, per i nostri calcoli è importante anche la differenza della temperatura corporea prima e dopo il trasferimento di calore. Sulla base di quanto sopra, possiamo determinare la quantità di calore utilizzando la formula:

dove Q è la quantità di calore,
m - peso corporeo,
(t_2-t_1) - la differenza tra la temperatura corporea iniziale e finale,
c è la capacità termica specifica della sostanza, ricavata dalle tabelle corrispondenti.

Usando questa formula, puoi calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare qualsiasi corpo o che questo corpo rilascerà durante il raffreddamento.

La quantità di calore si misura in joule (1 J), come qualsiasi tipo di energia. Tuttavia, questo valore è stato introdotto non molto tempo fa e le persone hanno iniziato a misurare la quantità di calore molto prima. E hanno utilizzato un'unità ampiamente utilizzata ai nostri tempi: calorie (1 cal). 1 caloria è la quantità di calore necessaria per riscaldare 1 grammo di acqua di 1 grado Celsius. Guidati da questi dati, chi ama contare le calorie del cibo che mangia può, per divertimento, calcolare quanti litri d'acqua possono essere bolliti con l'energia che consuma con il cibo durante la giornata.

(o trasferimento di calore).

Capacità termica specifica di una sostanza.

Capacità termica- questa è la quantità di calore assorbita da un corpo quando riscaldato di 1 grado.

La capacità termica di un corpo si indica con il capitale Lettera latina CON.

Da cosa dipende la capacità termica di un corpo? Innanzitutto dalla sua massa. È chiaro che riscaldare, ad esempio, 1 chilogrammo di acqua richiederà più calore rispetto al riscaldamento di 200 grammi.

E il tipo di sostanza? Facciamo un esperimento. Prendiamo due recipienti identici e, dopo aver versato in uno acqua del peso di 400 g e nell'altro olio vegetale del peso di 400 g, inizieremo a scaldarli utilizzando bruciatori identici. Osservando le letture del termometro, vedremo che l'olio si riscalda rapidamente. Per riscaldare l'acqua e l'olio alla stessa temperatura, l'acqua deve essere riscaldata più a lungo. Ma più a lungo riscaldiamo l'acqua, più calore riceve dal bruciatore.

Pertanto, riscaldare la stessa massa di sostanze diverse alla stessa temperatura richiede quantità diverse di calore. La quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo e, quindi, la sua capacità termica, dipendono dal tipo di sostanza di cui è composto il corpo.

Quindi, ad esempio, per aumentare di 1°C la temperatura dell'acqua del peso di 1 kg è necessaria una quantità di calore pari a 4200 J, e per riscaldare di 1°C la stessa massa di olio di girasole è necessaria una quantità di calore pari a Sono necessari 1700 J.

Viene chiamata una quantità fisica che mostra quanto calore è necessario per riscaldare 1 kg di una sostanza di 1 ºС capacità termica specifica di questa sostanza.

Ogni sostanza ha la propria capacità termica specifica, che è indicata con la lettera latina c e misurata in joule per chilogrammo di grado (J/(kg °C)).

Capacità termica specifica della stessa sostanza in diverse stati di aggregazione(solido, liquido e gassoso) è diverso. Ad esempio, il calore specifico dell'acqua è 4200 J/(kg °C), e il calore specifico del ghiaccio è 2100 J/(kg °C); l'alluminio allo stato solido ha una capacità termica specifica di 920 J/(kg - °C), e allo stato liquido - 1080 J/(kg - °C).

Tieni presente che l’acqua ha un calore specifico molto elevato. Pertanto, l'acqua nei mari e negli oceani, riscaldandosi in estate, viene assorbita dall'aria un gran numero di Calore. Grazie a ciò, in quei luoghi che si trovano vicino a grandi specchi d'acqua, l'estate non è così calda come nei luoghi lontani dall'acqua.

Calcolo della quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo o da esso ceduta durante il raffreddamento.

Da quanto sopra è chiaro che la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo dipende dal tipo di sostanza di cui è composto il corpo (cioè dalla sua capacità termica specifica) e dalla massa del corpo. È anche chiaro che la quantità di calore dipende da quanti gradi andremo ad aumentare la temperatura corporea.

Quindi, per determinare la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo o da esso rilasciata durante il raffreddamento, è necessario moltiplicare la capacità termica specifica del corpo per la sua massa e per la differenza tra la temperatura finale e quella iniziale:

Q = cm (T 2 - T 1 ) ,

Dove Q- quantità di calore, C- capacità termica specifica, M- massa corporea , T 1 — temperatura iniziale, T 2 — temperatura finale.

Quando il corpo si riscalda t2> T 1 e quindi Q > 0 . Quando il corpo si raffredda t2i< T 1 e quindi Q< 0 .

Se si conosce la capacità termica dell'intero corpo CON, Q determinato dalla formula:

Q = C(t2- T 1 ) .

In questa lezione impareremo a calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare un corpo o ceduta da esso durante il raffreddamento. Per fare ciò, riassumeremo le conoscenze acquisite nelle lezioni precedenti.

Inoltre, impareremo, utilizzando la formula per la quantità di calore, a esprimere le quantità rimanenti da questa formula e a calcolarle, conoscendo altre quantità. Verrà inoltre considerato un esempio di problema con una soluzione per il calcolo della quantità di calore.

Questa lezione è dedicata al calcolo della quantità di calore quando un corpo viene riscaldato o rilasciato quando si raffredda.

La capacità di calcolare la quantità di calore richiesta è molto importante. Ciò può essere necessario, ad esempio, quando si calcola la quantità di calore che deve essere trasmessa all'acqua per riscaldare una stanza.

Riso. 1. La quantità di calore che deve essere impartita all'acqua per riscaldare la stanza

Oppure per calcolare la quantità di calore rilasciata quando il carburante viene bruciato in vari motori:

Riso. 2. La quantità di calore rilasciata quando il carburante viene bruciato nel motore

Questa conoscenza è necessaria anche, ad esempio, per determinare la quantità di calore che viene rilasciata dal Sole e cade sulla Terra:

Riso. 3. La quantità di calore rilasciata dal Sole e che cade sulla Terra

Per calcolare la quantità di calore è necessario sapere tre cose (Fig. 4):

• peso corporeo (che solitamente può essere misurato utilizzando una bilancia);
• la differenza di temperatura con la quale un corpo deve essere riscaldato o raffreddato (solitamente misurata utilizzando un termometro);
• capacità termica specifica del corpo (che può essere determinata dalla tabella).

Riso. 4. Cosa devi sapere per determinarlo

La formula con cui viene calcolata la quantità di calore è simile alla seguente:

In questa formula compaiono le seguenti quantità:

La quantità di calore misurata in joule (J);

La capacità termica specifica di una sostanza si misura in ;

- differenza di temperatura, misurata in gradi Celsius ().

Consideriamo il problema del calcolo della quantità di calore.

Compito

Un bicchiere di rame con una massa di grammi contiene acqua con un volume di un litro ad una temperatura. Quanto calore deve essere trasferito ad un bicchiere d'acqua affinché la sua temperatura diventi uguale a ?

Riso. 5. Illustrazione delle condizioni problematiche

Per prima cosa scriviamo una breve condizione ( Dato) e convertire tutte le quantità nel sistema internazionale (SI).

Soluzione:

Innanzitutto, determina quali altre quantità sono necessarie per risolvere questo problema. Utilizzando la tabella della capacità termica specifica (Tabella 1) troviamo (capacità termica specifica del rame, poiché per condizione il vetro è rame), (capacità termica specifica dell'acqua, poiché per condizione c'è acqua nel vetro). Inoltre sappiamo che per calcolare la quantità di calore abbiamo bisogno di una massa d'acqua. Secondo la condizione, ci viene dato solo il volume. Pertanto, dalla tabella prendiamo la densità dell'acqua: (Tabella 2).

Tavolo 1. Capacità termica specifica di alcune sostanze,

Tavolo 2. Densità di alcuni liquidi

Ora abbiamo tutto ciò che serve per risolvere questo problema.

Si noti che la quantità finale di calore sarà costituita dalla somma della quantità di calore necessaria per riscaldare il vetro di rame e della quantità di calore richiesta per riscaldare l'acqua al suo interno:

Calcoliamo innanzitutto la quantità di calore necessaria per riscaldare un vetro di rame:

Prima di calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare l'acqua, calcoliamo la massa dell'acqua utilizzando una formula che ci è familiare dal grado 7:

Ora possiamo calcolare:

Allora possiamo calcolare:

Ricordiamo cosa significano i kilojoule. Il prefisso "kilo" significa .

Risposta:.

Per comodità di risolvere i problemi relativi alla determinazione della quantità di calore (i cosiddetti problemi diretti) e delle quantità associate a questo concetto, è possibile utilizzare la tabella seguente.