Удельная теплоемкость — это физическая величина, которая используется для расчета количества теплоты, необходимого для нагревания вещества до определенной температуры. При понижении температуры значение этой величины применяется для оценки количества теплоты, которое выделится в процессе охлаждения, а удельные теплоемкости различных веществ могут иметь значения, отличающиеся в десятки раз. Повседневная жизнь человека в значительной степени зависит от качества воды и ее параметров, в ряду которых удельная теплоемкость воды занимает важное место.
$ Q = ΔU $ (1).
Следует помнить, что количество теплоты определяет только изменение внутренней энергии, а не его конкретное значение. Полная величина внутренней энергии — это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц, из которых состоит физическое тело, и кинетической энергии их беспорядочного движения.
Изменение внутренней энергии пропорционально массе тела m и изменению температуры:
$ Q = ΔU = c*m* ΔT $ (2),
где: $ΔT = T_k — T_н$ —разница между конечной и начальной температурами.
Коэффициент пропорциональности c в формуле (2) называется удельной теплоемкостью вещества:
$ c = {Qover m* ΔT} $ (3).
В Международной системе СИ количество теплоты измеряется в джоулях, масса — в килограммах, а разница температур — в градусах Кельвина. Значит единица измерения удельной теплоемкости будет:
$ [c] ={ [1 Дж]over [1 кг]*[1^0 K] } $ (4).
Из формул (3), (4) следует, что величина удельной теплоемкости показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 1 кг вещества на 10K.
Раньше, до принятия в системе СИ в качестве единицы измерения энергии джоуля, использовалась специальная единица — калория (кал), равная количеству теплоты, которое нагревает 1 грамм воды на 1 градус Цельсия. Опытным путем определен, так называемый, механический эквивалент теплоты — соотношение между джоулем и калорией:
$ 1 кал = 4,2 Дж $
В настоящее время данную единицу используют при определении количества потребленной тепловой энергии в жилых домах и на предприятиях.
Значения удельных теплоемкостей для твердых, жидких и газообразных веществ определены с помощью физических измерений и сведены в справочные таблицы.
Особенности удельной теплоемкости воды
Из приведенной таблицы видно, что у металлов значения теплоемкостей довольно низкие (например у свинца это 140 Дж/кг*0K), поэтому для нагрева металлических предметов требуются немного тепла. Удельная теплоемкость воды равна 4200 Дж/кг*0K, что на много больше аналогичных металлических параметров. Исследования показали, что это одно из самых высоких значений среди жидких материалов.
В твердом агрегатном состоянии вода (лед) имеет в два раза меньшее значение удельной теплоемкости — 2100 Дж/кг*0K, а в газообразном состоянии (водяной пар) — 2200 Дж/кг*0K.
Табличные значения для удельных теплоемкостей приводятся, как правило, для фиксированных температур в диапазоне 20-250С (нормальная или комнатная температура). Это связано с тем, что величина удельной теплоемкости зависит от температуры, что характерно не только для воды, но и для других веществ. На приведенном ниже графике показана экспериментально полученная зависимость удельной теплоемкости воды при различных температурах. Видно, что 00С до 370С теплоемкость воды снижается, а затем снова растет. Точное определение удельной теплоемкости воды производится с помощью приборов, называемых калориметрами.
Обладание водой максимальной величиной удельной теплоемкости приводит к следующим полезным применениям в различных сферах человеческой деятельности:
- Использование воды в отопительных системах домов в качестве теплоносителя, который долго сохраняет тепло;
- Охлаждение водой металлических деталей, которые нагреваются в процессе механической обработки;
- Вода является одним из самых эффективных средств пожаротушения. Во время контакта с пламенем она превращаясь пар, отнимает большое количество теплоты у горящих материалов;
- Скорость тушения пламени дополнительно повышает водяной пар, который обволакивая горящий предмет, препятствует поступлению кислорода, без которого горение прекращается. Кстати, огонь эффективнее тушить горячей водой, так как у горячей воды образование пара произойдет быстрее;
- В районах проживания, расположенных рядом с большими водоемами (морем или океаном) летом не бывает слишком жарко, а зимы не очень холодные. В течение лета вода, нагреваясь, накапливает большое количество тепла. А зимой происходит медленное (из-за большой теплоемкости) остывание, что и является причиной мягкого зимнего климата приморских городов.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что величина удельной теплоемкости показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть 1 кг вещества на 10K. Значение удельной теплоемкости воды равно 4200 Дж/кг*0K при нормальных температурах. Имеется температурная зависимость теплоемкости воды от температуры. Точные значения этой величины получены экспериментально и приведены в справочниках в виде таблиц и графиков.
