"Физика (изд. ВЕНТАНА-ГРАФ)", Хижнякова Л.С., Синявина А.А.
Количество теплоты показывает, сколько энергии тело получает или отдаёт при нагревании, охлаждении и других процессах теплопередачи. Эта величина помогает рассчитывать, сколько энергии нужно для нагрева вещества, и объяснять, почему одни предметы быстро нагреваются, а другие медленно. Энергия передаётся тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Они отличаются тем, как именно движется энергия и требуется ли для этого перенос вещества или наличие среды.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Количество теплоты — энергия, которую тело получает или отдаёт при теплопередаче; эту величину обозначают Q и измеряют в джоулях (Дж). Она показывает не «запас тепла», а сколько энергии перешло между телами или их частями. Количество теплоты нужно, чтобы рассчитывать нагревание и охлаждение и сравнивать происходящие тепловые процессы.
Теплопроводность — передача энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым без переноса вещества. Частицы передают энергию соседним частицам, но не перемещаются всем телом из одной его части в другую. Понятие помогает объяснить, почему тепло распространяется вдоль металлической ложки, опущенной в горячую жидкость.
Конвекция — перенос энергии потоками жидкости или газа, сопровождающийся перемещением вещества. Тепло движется вместе с объёмами нагретой или холодной жидкости либо газа. Это понятие нужно, чтобы объяснять циркуляцию воздуха в комнате и движение воды при нагревании.
Излучение — передача энергии электромагнитными волнами; для неё не нужна среда. Энергия может распространяться даже там, где нет воздуха или другого вещества. Благодаря этому тело получает энергию, например, от Солнца, удалённого от Земли через вакуум.
При теплопередаче энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому. У более нагретого тела частицы в среднем обладают большей энергией и при взаимодействии передают её частицам менее нагретого тела. Передача продолжается, пока температуры не сравняются; после этого самопроизвольный обмен энергией между телами не прекращается полностью, но направленного перехода тепла уже нет.
Количество теплоты при нагревании или охлаждении зависит от массы тела, изменения его температуры и вещества, из которого оно состоит. Чем больше масса, тем больше вещества нужно нагреть, а значит, при одинаковом нагревании требуется больше энергии. Для разных веществ одна и та же масса требует разного количества энергии: это учитывает удельная теплоёмкость c. Зависимость записывают формулой Q = cmΔt, где Δt — изменение температуры; при нагревании оно равно разности конечной и начальной температур.
При теплопроводности энергия передаётся между частицами вещества, хотя сами частицы не перемещаются на большие расстояния. Более энергичные частицы взаимодействуют с соседними и передают им часть энергии, поэтому нагрев постепенно распространяется по телу. В металлах этому также помогают свободные электроны, способные переносить энергию. Так нагревается конец металлического стержня, который не касается источника тепла, если другой конец находится в огне.
Конвекция возникает в жидкостях и газах, потому что их части могут перемещаться целыми потоками. Нагретый слой обычно расширяется и становится менее плотным, поэтому поднимается вверх; более холодный и плотный слой опускается на его место. Так возникают циркулирующие потоки, которые переносят энергию вместе с веществом. В твёрдых телах такое движение потоков невозможно, поэтому конвекции там нет.
Излучение передаёт энергию электромагнитными волнами, поэтому ему не требуется вещество, которое могло бы переносить тепло от частицы к частице. Волны распространяются и в вакууме, а при поглощении телом их энергия превращается во внутреннюю энергию тела. Поэтому солнечный свет нагревает поверхность Земли, хотя между Солнцем и Землёй нет непрерывного слоя воздуха. Излучение возможно и в среде, например от костра к человеку, стоящему рядом.
| Вид теплопередачи | Как передаётся энергия | Где происходит | Пример |
|---|---|---|---|
| Теплопроводность | От частицы к частице, без переноса вещества | В твёрдых телах, жидкостях и газах | Нагревание металлической ложки в горячем чае |
| Конвекция | Потоками вещества, которые перемещаются | В жидкостях и газах | Подъём тёплого воздуха над батареей |
| Излучение | Электромагнитными волнами | В среде и в вакууме | Нагревание Земли солнечными лучами |
Чтобы определить вид теплопередачи, спроси себя, что именно переносит энергию: взаимодействие частиц, движущийся поток вещества или электромагнитная волна. В реальной ситуации несколько способов могут действовать одновременно. Например, костёр нагревает окружающий воздух конвекцией, а человека на расстоянии — главным образом излучением.
Какое количество теплоты нужно, чтобы нагреть 2 кг воды на 5 °C? Удельная теплоёмкость воды равна 4200 Дж/(кг·°C). Здесь уже дано именно изменение температуры, поэтому его можно сразу подставить в формулу. Нужно умножить теплоёмкость, массу и изменение температуры, а затем записать ответ в джоулях.
Медный и деревянный предметы имеют одинаковую температуру, но медь кажется холоднее, когда к ним прикасаются. Рука обычно теплее предметов, поэтому энергия переходит от руки к каждому из них. Ощущение зависит не только от температуры предмета, но и от того, насколько быстро он отводит энергию от кожи.
Нужно определить, как тепло от пламени костра передаётся человеку и как нагревается воздух у костра. Это две разные ситуации: человек может ощущать тепло, даже не касаясь пламени и не находясь в восходящем потоке воздуха. Поэтому следует различить передачу энергии волнами и перенос её движущимся воздухом.
Ошибка — считать температуру и количество теплоты одним и тем же. Температура описывает состояние тела, а Q показывает энергию, переданную при теплопередаче; их путают, потому что обе величины связаны с нагреванием. Проверь себя: температура измеряется в градусах, а количество теплоты — в джоулях.
Ошибка — подставлять в Q = cmΔt только конечную температуру. Формула учитывает, насколько температура изменилась, а не то, до какого значения нагрелось тело; путаница возникает, если забыть начальное состояние. Перед вычислением найди Δt как разность конечной и начальной температур и проверь, что в формулу подставлено именно это изменение.
Ошибка — называть конвекцией любое движение частиц. Частицы вещества движутся и при других процессах, но конвекцией называют перенос энергии потоками жидкости или газа; отдельные частицы не летят независимо друг от друга. Для проверки уточни, перемещается ли целый объём жидкости или газа: в твёрдом теле конвекции не бывает.
Ошибка — считать, что излучение возможно только при наличии воздуха. Это предположение появляется из-за привычных примеров теплопередачи в комнате, но излучение переносится электромагнитными волнами и не нуждается в веществе. Проверь себя на примере Солнца: его энергия достигает Земли через вакуум.
Чтобы разбираться в теплопередаче, нужно знать, что такое температура и масса тела, уметь находить изменение температуры и подставлять величины в формулу. Эти умения помогают не путать исходную температуру с Δt и правильно выбирать единицы измерения. Формула количества теплоты понадобится при изучении теплового баланса, плавления и парообразования. Она также используется, когда рассчитывают нагревание веществ и сравнивают, сколько энергии нужно разным телам.
Чем количество теплоты отличается от температуры?
Температура характеризует тепловое состояние тела, а количество теплоты — энергию, которую тело получает или отдаёт при теплопередаче. Поэтому одинаковая температура не означает одинаковое количество переданной энергии: оно зависит также от массы и вещества.
Почему металлическая ложка нагревается в горячем чае?
Энергия от горячего чая передаётся ложке через контакт с жидкостью, а затем распространяется вдоль металла теплопроводностью. Частицы металла взаимодействуют с соседними частицами и передают им энергию.
Может ли конвекция происходить в твёрдом теле?
Нет, конвекция связана с перемещением потоков вещества, а в твёрдом теле такие потоки не возникают. В твёрдых телах энергия может передаваться теплопроводностью.
Почему излучение возможно в вакууме?
Излучение переносит энергию электромагнитными волнами, которым не нужны частицы вещества. Поэтому энергия от Солнца проходит через почти пустое пространство и достигает Земли.
От чего зависит количество теплоты, необходимое для нагревания тела?
Оно зависит от массы тела, изменения его температуры и вещества, из которого тело состоит. Эти зависимости описывает формула Q = cmΔt, где c — удельная теплоёмкость вещества.
§ 7. Количество теплоты. Виды теплопередачи
