Питома теплоємність, теплота плавлення і паротворення

Кількість теплоти – це енергія, що отримується тілом, яка призводить до зростання його внутрішньої енергії і температури. Навпаки, тіла, що втратили якусь кількість теплоти, зменшують свою внутрішню енергію і охолоджуються.

Внутрішню енергію тіла можна змінити або вчинивши роботу над ним, або змінивши його температуру. Процес, при якому внутрішня енергія даного тіла змінюється, але при цьому навколишні його тіла не здійснюють над ним ніякої роботи, називають теплообміном або теплопередачею. Так, теплообмін відбувається між дотичними неоднаково нагрітими тілами, в місці контакту яких молекули більш нагрітого тіла передають частину своєї кінетичної енергії молекулам менш нагрітого тіла. В результаті теплообміну, частина внутрішньої енергії більш нагрітого тіла переходить до менш нагрітого, і, врешті-решт, їх температури стають рівними.

Зміна внутрішньої енергію, що відбулося при теплообміну, називають кількістю теплоти. Очевидно, що кількість теплоти, Q, необхідне для зміни температури тіла на Dt, повинно бути пропорційно його масі, m, що можна записати у вигляді:

Q = cmDt, (29.1)

Де с – питома теплоємність речовини, з якої складається тіло. Питома теплоємність чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати 1 кг речовини, щоб підняти його температуру на 1 оС. Одиницею виміру питомої теплоємності в СІ є Дж / (кг. град).

Питома теплоємність залежить від властивостей речовини. Відзначимо, що питома теплоємність води, 4,2 кДж / (кг. град), набагато вище величин для інших речовин. Так, питома теплоємність повітря – 1,0 кДж / (кг. град), дерева – 2,5 кДж / (кг. град), заліза – 0,5 кДж / (кг. град), а піску – 0,8 кДж /(кг. град).

Питома теплоємність залежить не тільки від типу речовини, а й від того, в яких умовах воно знаходиться. Наприклад, якщо нагрівати тіло і давати йому можливість розширюватися, то частина кількості теплоти, витратиться на роботу проти сил, що перешкоджають цьому розширенню. Тому питома теплоємність в таких умовах буде більше, ніж у випадку, коли нагрівання тіла не буде супроводжуватися його розширенням.

При плавленні, кристалізації, конденсації і паротворенні молекули або атоми речовини змінюють положення відносно один одного, що супроводжується зміною потенційної енергії їх взаємодії, а значить, і внутрішньої енергії тіла. При цьому кінетична енергія молекул речовини залишається постійною, і тому температура при переході з одного агрегатного стану в інший теж залишається незмінною (див. Рис.29). Таким чином, при переході тіла з одного агрегатного стану в інший воно або вимагає певну кількість теплоти (плавлення, пароутворення), або віддає його в навколишнє середовище (при конденсації і кристалізації).

Кількість теплоти Q, необхідне для того, щоб розплавити тверде кристалічне тіло, має бути пропорційно масі m тіла:

Q = lm, (29.2)

Де l – питома теплота плавлення, чисельно рівна кількості теплоти, необхідному для перетворення 1 кг твердого кристалічного речовини при температурі плавлення в рідину тієї ж температури. Відзначимо, що при твердінні (кристалізації) виділяється така ж кількість теплоти, яке поглинається при плавленні.

Кількість теплоти r, необхідне для перетворення 1 кг рідини при температурі кипіння в пар тієї ж температури, називають питомою теплотою пароутворення. Тому кількість теплоти Q, необхідне для випаровування рідини маси m при температурі її кипіння одно:

Q = rm. (29.3)

При конденсації (освіті рідини з пара) виділяється така ж кількість теплоти, яке поглинається при паротворенні.

Питома теплота плавлення льоду, 334 кДж / кг більше, ніж у багатьох інших речовин (у свинцю – 23 кДж / кг, золота – 66 кДж / кг). Питома теплота пароутворення води 2260 кДж / кг теж в 3-10 разів вище, ніж у інших рідин (спирт, ефір, ртуть, гас). Вода, володіючи такими унікальними властивостями і оточуючи нас з усіх боків (моря, океани і пари в атмосфері), стабілізує клімат на планеті, згладжуючи різкі зміни температури.

Питання для повторення:

– Що таке кількість теплоти, і як воно пов’язане з процесом теплообміну між тілами? – Дайте визначення питомої теплоємності, теплоти плавлення і пароутворення речовини? – Як змінюється внутрішня енергія при плавленні, кристалізації, паротворенні і конденсації? – Яка роль води в стабілізації температури на Землі?


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 3.50 out of 5)

Питома теплоємність, теплота плавлення і паротворення