Калория это теплоемкость воды

Вода – источник жизни, существования планеты и всего на ней
живого. Она – важная часть организма человека. При рассмотрении воды, как
физического объекта, ученые пользуются такими ее характеристиками, как
плотность и теплоемкость. Но если с первой величиной все более или менее ясно,
то по поводу теплоемкости воды возникает масса вопросов.

Понятие теплоемкости

Теплоемкость – это термин, использующийся для указания
объема тепла, которое может поглотить или отдать нагретое, или остуженное тело
(физический объект). Чтобы определить теплоемкость конкретного вещества или
объекта соотносят количество поглощенной или выделенной теплоты в бесконечно
минимальный промежуток времени и продолжительность измерения.

В физике этот процесс характеризуется также соотношением
между бесконечно малым количеством теплоты и таким же малым количеством
температуры.

Теплоемкость измеряют в Джоулях – «Дж», обозначают большой
латинской буквой «С». Теплоемкость величина, зависимая и непостоянная,
поскольку пропорциональна содержащемуся в нем веществу. Чем больше масса тела,
тем больше энергии и тепла нужно для его нагревания. Таким образом, температура
и масса – это основные характеристики, которыми нужно владеть для определения
теплоемкости тела. При измерении необходимо знать также температуру воздуха и
давление.

Применение теплоемкости

Обычные люди редко пользуются понятием теплоемкости. Скорее
всего, о нем они слышали только на школьных уроках физики. Те же, кто школу
окончил давно и представить себе не могут, что давно позабытая физическая
величина напрямую воздействует на их жизнь. От нее зависит, комфортными ли
будут условия нашего существования. Дело в том, что теплоемкость является
важной характеристикой:

• на нее ссылаются при определении температуры горячей и холодной воды, поступающей по водопроводу в наши дома;
• перед началом купального сезона соответствующие службы также определяют оптимальную температуру воды именно, на основе рассматриваемой величины;
• ее учитывают при создании нагревающих или охлаждающих приборов (радиатор для обогрева, холодильник);
• знание ее позволяет определить затраты на приготовление пищи в больших масштабах (в условиях ресторана, кафе, отеля).

Естественно, что обычные потребители, продавцы и повара в
кафе, специальными расчетами не занимаются. За них это уже сделали инженеры,
запрограммировав работу техники необходимым образом.

Расчет теплоемкости воды используют:

• при наладке работы гидротурбин;
• в производстве цементов;
• в испытании характеристик сплава металла, из которого производят самолеты и железнодорожные поезда;
• в строительстве;
• при плавке;
• в охлаждении.

Даже при исследовании космического пространства, применяют
формулы, в которых задействуется рассматриваемая величина.

Виды теплоемкости

Существует несколько разновидностей теплоемкости. В
практических целях чаще всего требуется рассчитать относительную, также
известную, как удельную теплоемкость воды. Это количество тепла, извлеченное
телом из внешней среды для увеличения его собственной температуры на 1 градус.
Величину выражают в Кельвинах. Существует несколько подвидов удельной величины.
Все они зависят от выражающей их единицы. Это могут быть физическая или
молярная массы, объем. Так возникают:

• массовая;
• объемная;
• молярная удельная теплоемкости.

При этом, 1 моль равен количеству вещества, содержащего 6 на
10 в 23 степени молекул.

Та или иная величины применяются и рассчитываются в
зависимости от поставленной цели. В физике их обозначают по-разному:

• массовую записывают латинской буквой С и выражают с помощью Джоулей на кг — Дж/кг*К;
• объемную — С` (Дж/м3*К);
• молярную — Сμ (Дж/моль*К).

При переходе воды из одного агрегатного состояния в другое
(она может стать льдом или паром) удельная величина меняется. Интересно, что
наиболее стабильной является теплоемкость воды, подогретой до 36-37 градусов.
При подогреве от 0 до 37 градусов значение ее уменьшается, а после пересечения
этого рубежа повышаться.

Отопление и теплоемкость

Для снабжения римских городов водой использовали акведуки, в
современные города она поступает по системе водопровода. При этом, основная
задача, которая стоит перед инженерами, занимающимися обустройством
центрального отопления, заключается в создании такой конструкции водопровода,
благодаря которому вода поставлялась бы в дома беспрепятственно. В теплое время
года проблем с поставкой воды нет, но с наступлением зимних заморозков
создается угроза промерзания водопровода, перехода содержащей его воды в другое
агрегатное состояние – лед, и соответственно разрушение всей конструкции (объем
замерзшей воды увеличивается).

Вычислив теплоемкость идущей по трубам воды, и зная длину
всего сооружения, инженер может рассчитать температуру, до которой нужно
разогреть котел. Вместе с удельной вычисляют теплоемкость водяного пара (при
100 градусах вода закипает и превращается в пар), поскольку в котлах,
обеспечивающих движение горячей воды по трубам, находится именно пар. Давление
пара выше давления воды, поэтому при создании отопительной системы, и котлов в
частности, используют чрезвычайно прочные материалы.

Теплоемкость воды нелинейно связана с температурой. Это
значит, что для подогрева ее на 10 градусов, в промежутке от 30 до 40 нужно
одно количество энергии, а для подогрева на эти же 10 градусов, но в промежутке
от 130 до 140 – другое.

Водяное охлаждение

Поскольку для подогрева воды требуется большое количество
энергии, то ее часто используют в качестве естественного охладителя. Благодаря
высокой теплоемкости, она быстро отбирает излишки энергии в виде тепла из
окружающей среды.

В холодное время года за счет воды происходит обогрев
поверхности земного шара, а в теплое, ее охлаждение. Эта способность теплоносителя
или воды к изъятию тепла применяется при работе с лазерами и на крупных
производствах. На знании теплоемкости основывается работа ядерных реакторов,
точнее принцип их охлаждения. Нагретая вода охлаждает всю систему, ядерная
реакция постоянно находится под контролем. В результате вращения нагретым паром
турбины выделяется электроэнергия и не происходит взрыва.

Наглядно процесс охлаждения водой чего-либо можно наблюдать
и в домашних условиях. Для этого достаточно отварить яйца вкрутую и поместить
их в холодную воду. Спустя некоторое время жидкость нагреется, а яичная
скорлупа остынет.

Теплоемкость воды – интереснейшая из ее особенностей,
благодаря наличию которой жизнь на планете происходит по привычной схеме. Зная
эту физическую величину, инженеры разрабатывают новое оборудование:
холодильники, приборы для обогрева, работающие на масле, котлы, являющиеся
частью отопительной системы.

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.

Общее определение удельной теплоемкости

Напомним, что передача энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплопередачей или теплообменом. Теплообмен происходит, когда тела имеют разные температуры. Величина энергии, переданная телу в результате теплообмена, называется количеством теплоты Q. В соответствии с первым законом термодинамики количество теплоты Q равно изменению внутренней энергии тела ΔU:

$ 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.

Рис. 1. Что такое теплообмен и теплопередача

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.

Рис. 2. Таблица значений удельной теплоемкости

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.

Рис. 3. График зависимости удельной теплоемкости воды от температуры

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.

Предыдущая

ФизикаВнутренняя энергия идеального газа – формула, таблица

Следующая

ФизикаВнутренняя энергия тела – способы изменения, формула