Теплоемкость. Передача теплоты

Экспериментально установлено, что количество теплоты, получаемое телом, пропорционально его массе и изменению его температуры.

Теплоемкостью С называется величина, характеризующая данное вещество, и численно равная количеству теплоты Q, которое необходимо сообщить для нагревания вещества массы m:

(7.2.1)

Математически теплоемкость – это коэффициент пропорциональности между теплотой и температурой.

Удельной теплоемкостью называется теплоемкость единицы массы вещества:

, (7.2.2)

откуда

(7.2.3)

Наиболее высокой удельной теплоемкостью из всех веществ обладает вода – 4184 Дж/кг×град. Она выше теплоемкости железа в ~ 9 раз.

На пальцах теплоемкость - это способность тела накапливать в себе определенное количество теплоты. Об уровне теплоемкости белка может служить вареное яйцо. Если его опустить в холодную воду и подержать некоторое время, а затем вынуть, то оно останется горячим. Если в холодную воду опустить чайную ложку, то ее температура быстро станет такой же, как у воды. Другие предметы, например, стекло, фарфор, в аналогичном случае также быстро станут холодными.

Уравнение теплового баланса: если между телами, находящимися в калориметре, происходит теплообмен, то количество теплоты, отданное всеми остывающими телами, равно количеству теплоты, полученному всеми нагревающимися телами:

(7.2.4)

Калориметр (от лат. calor — тепло и …метр) — прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе. Принцип работы калориметров основан на тепловом балансе. Он представлен на рис.7.2. По сути, уравнение теплового баланса - это закон сохранения тепловой энергии.

Рис.7.2. Устройство калориметра: 1 - калориметрический стакан;

2 - защитная оболочка; 3- теплоизолирующая прокладка;4 - теплоизолирующая крышка;

5 - пропеллерная мешалка;6 – термометр; 7 – нагреватель; 8 – ампула с исследуемым

веществом.

.

Передача теплоты. Теплота может передаваться с помощью нескольких физических механизмов (рис.7.3): теплопроводности, конвекции и излучения. Причем на практике могут осуществлять любые комбинации этих способов.

Рис.7.3. способы передачи тепловой энергии.

Теплопроводностью называют передачу теплоты в результате столкновений молекул или атомов и увеличения при этом их скорости движения или амплитуды колебаний около положения равновесия.

Так, например, при нагревании одного конца металлического стержня температура другого конца постепенно тоже будет возрастать. Это происходит в результате столкновений соседних молекул. Амплитуда колебаний молекул или атомов около своего положения равновесия соответствует их температуре. Находящиеся рядом атомы тоже постепенно увеличивают амплитуду колебаний. Этот процесс распространяется вдоль всего стержня. Амплитуда колебаний молекул вдоль стержня постепенно увеличивается, иными словами происходит перенос тепла посредством столкновения молекул. Такой процесс происходит только при наличии разности температур между концами стержня. Поток тепла зависит от длины стержня и его площади. Под потоком тепла (или тепловым потоком) J понимают количество теплоты , передаваемое в единицу времени через площадь S:

. (7.2.5)

Этот процесс аналогичен закону Фика, описывающему процесс диффузии. Только относится не к распространению частиц, а к передаче теплоты.

Экспериментально было установлено, что поток тепла, передаваемый от горячего конца стержня к холодному пропорционален разности температур концов стержня, его площади сечения и обратно пропорционален длине стержня l:

, (7.2.6)

Это соотношение получило название уравнения теплопроводности. В дифференциальной форме оно выглядит так:

. (7.2.7)

Величина k различна для разных веществ и называется коэффициентом теплопроводности.

Вещества с большими значениями коэффициента теплопроводности являются хорошими проводниками тепла (это почти все металлы), а с маленькими значениями коэффициента теплопроводности – теплоизоляторами (например, дерево, ткани, бумага).

Так кафельный пол кажется нам холодным, поскольку он быстро отводит тепло ног, а пол покрытый ковром или ковролином кажется теплым, поскольку материал является хорошим теплоизолятором. Другой пример, почему теплая одежда нас греет? Воздух под одеждой быстро принимает температуру тела человека. Когда одежду снимают, то небольшое движение воздуха приводит к замене теплого воздуха на холодный, и мы ощущаем холод. Несколько слоев одежды в сильный холод предохраняет проникновение под нее холодного воздуха и лучше сохраняет слой теплого воздуха вокруг тела человека. Мы ощущаем, что нам тепло.

Конвекцией называют перенос тепла в результате перемещения большого количества молекул. Конвекция происходит в жидкостях или газах. Разделяют естественную и вынужденную конвекцию. Естественной называют конвекцию, возникающую под действием выталкивающей силы Архимеда. Это происходит при нагревании жидкости или газа, приводящее к уменьшению их плотности. Поэтому менее плотные слои воздуха или воды поднимаются вверх. Например, если нагревать на газе воду в кастрюле, то на дне вода быстро нагреется, так как металлическое дно легко проводит тепло. Если бы не было конвекции, температура на дне и поверхности кастрюли сильно бы отличалась, а передача тепла происходила бы в результате теплопроводности. Но этот процесс происходит медленнее, чем конвекция. Например, если вы будете разогревать замороженный суп, то во льду конвекции происходить не будет, а передача тепла будет происходить только за счет теплопроводности.

В избах спальные места (полати) устанавливались ближе к потолку, поскольку процесс естественной конвекции позволял быстро прогревать воздух вблизи потолка.

Пример вынужденной конвекции – когда воздух перемещается в результате работы вентилятора или когда вытяжка в здании осуществляется системой вентиляции.

Передача теплоты посредством теплопроводности или конвекции осуществляется при наличии вещества. Кроме этих механизмов существует третий способ передачи теплоты – излучение. Этот механизм действует как через вещество, так и в безвоздушном пространстве. Однако в среде происходит поглощение излучения. Чем плотнее среда, тем больше потери при передаче тепла. Излучение имеет электромагнитную природу. Его длина волны относится в основном к инфракрасному диапазону. Мы не видим волны инфракрасного диапазона, но ощущаем тепло, например, от печи или Солнца.

Тепло от Солнца к Земле переносится через безвоздушное пространство – вакуум.

Как показали экспериментальные исследования, поток тепла пропорционален четвертой степени температуры нагретого тела.

Энергия, излучаемая нагретым телом в единицу времени, то есть поток теплового излучения, описывается выражением:

(7.2.8)

где - постоянная Стефана-Больцмана, которая составляет:

,

S – площадь излучающей поверхности, е – излучательная способность тела,

которая изменяется в пределах 0 < e < 1.

Для абсолютно черного тела характерно поглощение всей падающей на него энергии, то есть доля отраженной энергии равна нулю и, следовательно, е = 0. Алюминиевая фольга отражает практически весь падающий на нее свет, поэтому для нее е ≈ 1. Интересно, что излучательная способность кожи человека также близка к единице!

В случае, когда тело с температурой Т₁ окружено веществом при температуре Т₂, также излучающим энергию, результирующий потоктеплового излучения описывается выражением:

(7.2.9)

Тепловое излучение с давних времен широко используется в медицинских целях. Это различные виды прогреваний (горчичники, банки, горячее молоко и многое другое). В двадцатом веке для теплолечения научились использовать, например, инфракрасное излучение, радиоволны, особенно высокие частоты. Ультрафиолетовое излучение также используется для лечения инфекционных заболеваний, а также дезинфекции помещений, операционных.

Дата добавления: 2014-01-07