Естествознание

В предыдущих параграфах мы изучили действие термометра. Познакомимся еще с одним прибором для количественного изучения тепловых явлений. На рисунке вы видите калориметр - прибор для измерения количества теплоты. Простейший школьный калориметр состоит из двух стаканов: внутреннего алюминиевого и внешнего пластмассового. Стаканы разделены воздушным промежутком.

Рассмотрим конкретный пример измерения количества теплоты. Во внутренний стакан калориметра нальем 100 г воды. Измерим ее температуру: 20 °С. Погрузим в воду какое-нибудь горячее тело, например, стальной цилиндрик. В калориметре начнется теплообмен, и некоторое количество теплоты перейдет от цилиндрика к воде. В результате ее температура повысится.

Вычислим изменение температуры: Dtвод = 60 °С - 20 °С = 40 °С. Зная, что масса воды была 100 г, инженер-теплотехник скажет: вода получила 100 · 40 = 4000 калорий теплоты. В отличие от инженеров-теплотехников, ученые-физики количество теплоты измеряют джоулями. Для этого применяется специальная формула:

Q - полученная телом теплота, Дж
c - удельная теплоемкость тела, Дж/(кг°С)
m - масса тела, кг
Dt - изменение температуры тела, °С

По формуле легко подсчитать, что вода, находящаяся внутри калориметра, получила от цилиндрика 16,8 кДж теплоты:

Qвод = 4200 Дж/(кг°С) · 0,1 кг · 40 °С = 16800 Дж

Примечание: калория - устаревшая единица измерения количества теплоты. Она определяется как энергия, необходимая для нагревания 1 г воды на 1°С.

Формулу Q=cmDt применяют не только в том случае, когда тело нагревается. Ее также используют для подсчета количества теплоты при охлаждении тел. Коэффициент "с" берут из специальных таблиц. Например, для жидкой воды с = 4200 Дж/(кг°С). Это значение показывает, что для нагревания 1 кг воды на 1 °С потребуется 4200 Дж теплоты. Для воды в твердом состоянии (льда) коэффициент "с" уже другой; он равен 2100 Дж/(кг°С).

Удельные теплоемкости некоторых веществ, Дж/(кг°С)
Алюминий 920
Железо 460
Латунь 400
Свинец 140

Вода 4200
Лед 2100
Масло подсолнечное 1700
Спирт 2500

Количество теплоты и внутренняя энергия. В теме 6 мы рассмотрели опыт с манометром и горячей гирей. Вспомните: внутренняя энергия остывающей гири уменьшалась. За счет этого совершалась механическая работа - передвигался "столбик" жидкости в манометре. В опыте с калориметром внутренняя энергия цилиндрика также уменьшалась. Однако в ходе теплообмена она превращалась не в механическую работу, а во внутреннюю энергию воды.

Итак, обобщаем: теплообмен - это явление перехода внутренней энергии одного тела во внутреннюю энергию другого тела без совершения механической работы. А, соответственно, количество теплоты - это энергия, перешедшая от одного тела к другому при теплообмене.

Точные калориметрические измерения показывают, что теплообмен всегда протекает так, что убыль внутренней энергии одних тел всегда сопровождается таким же приращением внутренней энергии других тел, участвующих в теплообмене.