Топлинният капацитет
(топлинен капацитет, топлинен капацитет)
За да се повиши температурата на тялото, трябва да се увеличи вътрешната му енергия. Различните тъкани могат да се нагряват с различна степен на лекота. За да може да се сравняват различни вещества по отношение на тяхната „нагреваемост“, човек изследва 1 кг вещество
Нарича се количеството енергия, необходимо за нагряване на 1 кг вещество с 1 ° С специфичен топлинен капацитет c на веществото
Единица [c] = J/(kg.K)
| материал | специфичен топлинен капацитет [kJ/(kg.K) | |
| алуминий | 0,90 | |
| желязо | 0,46 | |
| живак | 0,14 | ниско поглъщане на топлина! Следователно е подходящ за термометри |
| Кварц, стъкло за прозорци | 0,80 | |
| въздух | 1.01 | |
| Глинена почва | 0,89-1,55 | в зависимост от съдържанието на вода |
| дърво | 2.30 | |
| вода | 4.18 | добро съхранение на топлина! Следователно водата е оптималната охлаждаща течност, тъй като има добра топлопроводимост, както и висока топлинна мощност. |
Топлинният капацитет C на дадено тяло се дава от C = m.c
м. Маса на тялото, c. специфичен топлинен капацитет
Примери
Пример: Специфичният топлинен капацитет на алуминия е около два пъти по-голям от този на стоманата. Ето защо подаването на топлина трябва да се поддържа около два пъти по-дълго, за да се постигне същото повишаване на температурата (с еднаква маса).
За нагряване на 1 kg вода с 1 ° C (от 14,5 ° C до 15,5 ° C) са необходими 4187 J.
Количеството енергия 4187 J преди това беше въведено като отделна единица и като Килокалория посочен (правно недопустим от 1.1.1978 г.). В ежедневието най-често се използва името „калория“. „Калорийни таблици“ ви напомнят за това.
Специфичната топлина на водата е особено голяма
пример 1: До каква скорост можете да ускорите 1 кг вода?
mv 2/2 = 4187 J -> скорост v = 91,5 m/s =329 км/ч.
Пример 2: Колко високо може да се вдигне 1 кг вода с енергия 4187 J?
m.g.h = 4187J -> h = 4187/9.81 =426м
Количеството топлина Q, необходимо за температурна промяна D T = TE - TA: Q = c m D T = c m (TE - TA) .
Тук m означава масата на веществото в kg, а TE и TA - крайната или началната температура в K (или ° C, важни са само температурните разлики)
Примерно стайно колело
Стайният мотор задвижва електрически генератор; електрическият ток се използва за нагряване на вода. Колко време ще трябва да стъпва човек, за да свари 1 кг вода при 14 ° C, ако може да произведе 100 W мощност, когато се упражнява?
За да загреете водата, топлината Q = cWater .m. (T - T0)
Тази топлина се прилага в търсеното време t от потапящия нагревател с мощност P: Q = P t .
Така че t = m c вода (T - T0)/P = 1.4200. (100-14)/100 около 3600s = 1h
Ще трябва да карате колело в продължение на 1 час!
- Когато телата (особено водата) се нагряват, много високи енергии се преобразуват. Подценяваме тази енергия в сравнение с други енергии.
- Вътрешната енергия, съдържаща се в телата на нашата среда, е огромна и далеч надхвърля тяхната „външна енергия“ (кинетична, потенциална енергия)
При газовете се прави разлика между топлинния капацитет cP, който е валиден за отопление при постоянно налягане, и топлинния капацитет cV, който е валиден за отопление с постоянен обем.
Това разграничение е необходимо, тъй като тяло, което се разширява при нагряване, може, ако се поддържа с постоянен обем, да преобразува цялата доставена енергия във вътрешна енергия, т.е. H. cP е по-голям от cV.
В случай на твърди вещества, разширяването на обема обикновено е относително малко, така че разликата между двата специфични топлинни капацитета често може да бъде пренебрегната.
Това разграничение е излишно при водата, защото почти винаги може да се предположи, че водата ще се разширява безпрепятствено.
Температурна зависимост на топлинния капацитет:
Измерванията показват, че специфичният топлинен капацитет c също намалява, когато температурата падне и все повече се приближава до стойността 0. Температурната зависимост на c не може да се обясни със законите на класическата физика. Само в квантовата физика може да се предскаже поведението на топлинния капацитет за всички температурни диапазони.
Примери
Поглъщащ нагревател с консумация на енергия P = 1100 вата се използва за нагряване на кафена вода. Колко минути трябва да отнеме за нагряване на V = 0,500 л вода от стайна температура (20 ° C) до T = 92 ° C?
За да загреете водата е топлината
Тази топлина се прилага в търсеното време t от потапящия нагревател с мощност P:
Така че t = V r водна вода (T - T0)/P = 0.5.1.4200.72/1100 = 137s = 2.29 минути
пример
Искате да извадите картоф, увит в алуминиево фолио, от скарата. Къде е най-вероятно да изгорите пръстите си?
а) върху фолиото, защото то е било в пряк контакт с горещата жарава и бързо абсорбира топлината.
б) върху самия картоф, защото той има по-голям топлинен капацитет.
пример Нощен нагревател за съхранение: Това използва евтина електрическа енергия, която се предлага през нощта
Камъните спестяват топлина за деня. Тези тухли от магнезит имат висок специфичен топлинен капацитет (1090J/(kg.K))
т.е. Със съответно голяма разлика в масата и температурата те могат да съхраняват много топлина.