Содержание
Удельная теплоёмкость 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей
Примеры, поясняющие понятие удельной теплоемкости
Сегодняшний урок будет посвящен такому физическому понятию, как удельная теплоемкость.
Как уже говорилось на прошлом уроке, такая величина, как количество теплоты, зависит от массы тела, разности температур и природы вещества этого тела. Вот именно род вещества характеризуется такой величиной, как удельная теплоемкость. Рассмотрим то, как удельная теплоемкость характеризует вещество, на примерах.
Пример 1. Представим, что необходимо нагреть 1 кг воды на . Для этого, естественно, понадобится определенное количество теплоты. Вот это количество теплоты и будет определять удельную теплоемкость воды, а в общем удельную теплоемкость любого вещества (рис. 1). Например, для такого нагрева воды нам потребуется 4200 Дж теплоты.
Рис. 1. Удельная теплоемкость воды
Пример 2. Если рассмотреть нагревание 1 кг какого-либо другого вещества на , например стали или железа, то потребуется уже другое количество теплоты, оно и будет являться удельной теплоемкостью для этого вещества (рис.
2). Для свинца понадобится в таком случае 130 Дж теплоты.
Рис. 2. Удельная теплоемкость свинца
Формула для расчета удельной теплоемкости
Введем формулу для расчета удельной теплоемкости:
Обозначения:
удельная теплоемкость вещества, ;
масса тела, кг;
изменение температуры тела, ;
количество теплоты, Дж.
Таблица удельных теплоемкостей
Когда речь идет об измерении значения удельной теплоемкости для конкретного вещества, мы имеем право пользоваться уже измеренными приближенными значениями, которые собраны в специальной таблице удельных теплоемкостей различных веществ. Пример такой таблицы вы можете увидеть на рис. 3.
Рис. 3. Таблица удельных теплоемкостей некоторых веществ
Определение удельной теплоемкости вещества
Определение. Физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить телу массой 1 кг для того, чтобы изменить его температуру на , называется удельной теплоемкостью вещества.
Калориметр
Рассмотрим такой прибор, как калориметр (рис. 4).
Рис. 4. Калориметр (Источник)
Калориметр (от лат. calor – тепло и metor – измерять) – прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в каком-либо физическом, химическом или биологическом процессе. Термин «калориметр» был предложен А. Лавуазье и П. Лапласом.
Состоит калориметр из крышки, внутреннего и внешнего стакана. Очень важным в конструкции калориметра является то, что между меньшим и большим сосудами существует прослойка воздуха, которая обеспечивает из-за низкой теплопроводности плохую теплопередачу между содержимым и внешней средой. Такая конструкция позволяет рассматривать калориметр как своеобразный термос и практически избавиться от воздействий внешней среды на протекание процессов теплообмена внутри калориметра.
Предназначен калориметр для более точных, чем указано в таблице, измерений удельных теплоемкостей и других тепловых параметров тел.
Замечание. Важно отметить, что такое понятие, как количество теплоты, которым мы очень часто пользуемся, нельзя путать с внутренней энергией тела. Количество теплоты определяет именно изменение внутренней энергии, а не его конкретное значение.
Анализ табличного значения удельной теплоемкости
Отметим, что удельная теплоемкость у разных веществ разная, что можно увидеть по таблице (рис. 3). Например, у золота удельная теплоемкость . Как мы уже указывали ранее, физический смысл такого значения удельной теплоемкости означает, что для нагревания 1 кг золота на 1 °С ему необходимо сообщить 130 Дж теплоты (рис. 5).
Рис. 5. Удельная теплоемкость золота
На следующем уроке мы обсудим вычисление значения количества теплоты.
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8.
– М.: Дрофа, 2010. - Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.
– М.: Дрофа, 2010.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал «vactekh-holod.ru» (Источник)
Домашнее задание
- Стр. 22: вопросы № 1-5. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
- Удельная теплоемкость меди равна . Что это означает?
- Металлическому цилиндру массой 250 г передали 46 кДж тепла, и он нагрелся с до . Из какого металла изготовлен цилиндр?
- * Какие изменения произошли бы на Земле, если бы удельная теплоемкость воды была в 10 раз меньше?
Физические аномалии воды как физического тела
Природные воды всегда представляют газовые или минеральные растворы. Почти никогда не удается встретить такую природную воду, в которой не были бы растворены какие-либо органические, минеральные вещества или газы.
Даже дождевая вода, которая представляет собой воду дистиллированную, на пути из облаков до поверхности земли поглощает взвешенную в воздухе пыль и газы воздуха и таким образом становится минерализованной и газированной. И не только жидкая вода минерализуется таким образом. Снег также способен поглощать из воздуха пыль и газы. Как много веществ может поглотить снег, показывает следующий факт. В Лондоне 29 декабря 1909 г. и 28 февраля 1910 г. был собран снег, выпавший на крышу одного здания, и проанализирован. Оказалось, что снег, собранный 29 декабря (будничный день) содержал в 1 л воды 422 мг взвешенных и растворенных частиц, а снег, собранный 28 февраля (воскресный день), содержал 93 мг/л. Такое различное содержание примесей в снеге объясняется тем, что в воскресный день не работали многочисленные фабрики и заводы и в воздухе было меньше копоти и дыма.
Результаты анализа воскресного дня были пересчитаны на площадь всего Лондона. Оказалось, что снег увлек с собой около 75 т растворенных веществ и 142 т взвешенных, в том числе 25 т поваренной соли, 1 т аммония и 100 т каменного угля.
Анализы снега, собиравшегося во дворах различных промышленных предприятий, обнаружили в нем различные примеси, в зависимости от характера производства. В одних случаях были найдены значительные количества хлористого аммония, в других — серной кислоты и т. д.
Следовательно, даже только что выпавший дождь или снег не представляет идеально чистой воды. Естественно, что количество взвешенных и растворенных в дождевой и снеговой воде веществ будет не всюду одинаково. Если мы проделаем анализ снега, выпавшего зимой в какой-нибудь безлюдной местности, например, в тайге, то он конечно, будет более чистым, чем снег какого-нибудь крупного промышленного центра.
Химически чистая вода обладает следующими характеристиками:
- Чистая вода лишена вкуса и запаха, прозрачна и в толстом слое имеет голубоватый оттенок.
- Наибольшей плотностью вода обладает при +4° С, при повышении или понижении температуры от указанной величины плотность воды уменьшается, а объем соответственно увеличивается.
- При замерзании (0°С) вода скачком расширяется в объеме, плотность льда при этой температуре равна 0,91, а удельный объем = 1,1. Этим объясняется характер промерзания водоемов — от поверхности, а не со дна.
- Температура замерзания воды понижается примерно на 1° С с увеличением давления на каждые 130 атм. Именно поэтому вода находится в жидком состоянии на больших глубинах океанов, где температура до —3° С.
- Теплоемкость воды падает от 0 до +27° С, а далее повышается. Из всех природных тел вода обладает наибольшей теплоемкостью. Теплоемкость льда вдвое ниже, чем воды, а теплоемкость насыщенного водяного пара отрицательная.
- Теплота плавления воды необыкновенно высока, она равна 80 кал (вода при 0° С и лед при 0° С отличаются друг от друга по содержанию скрытой энергии на 80 кал), а теплота парообразования — 536 кал (при 100° С).
- Необыкновенно высока диэлектрическая постоянная воды —87,7.
- Коэффициент преломления воды 1,39 (вместо теоретически исчисляемого 9).
Наличие в воде растворенных веществ понижает температуру ее замерзания. Повышение или понижение барометрического давления также соответственно повышает или понижает температуру кипения воды. Так, при 760 мм барометрического давления температура кипения воды равна 100°C; при понижении давления, например, в горах температура кипения воды сильно падает. Это свойство воды используется при определении высот (гипсотермометрия).
Как уже указывалось выше, вода может переходить в парообразное состояние при любой температуре, даже ниже нуля, т. е. испаряться может не только жидкая
вода, но и снег и лед. Различие заключается в том, что при температуре ниже 100° С вода испаряется только в том случае, если окружающий воду воздух не насыщен парами, т. е. если относительная влажность воздуха меньше 100%. При температуре 100° С (или выше, при большем, чем нормальное, давлении) вода переходит в парообразное состояние независимо от степени влажности воздуха.
Следует иметь в виду, что и водород и кислород имеют свои изотопы; так, кроме одноатомного водорода (протия) существует еще водород дейтерий двухатомный и водород тритий.
Вода, в состав которой входит дейтерий, носит название «мертвая вода». Она убивает все живое, является ядом для растений и животных. Количество ее в земных водоемах крайне ничтожно. Удельный вес «мертвой», или «тяжелой», воды больше, чем удельный вес обычной. Полагают, что вода с дейтерием имеется в очень ограниченном количестве только в некоторых наиболее глубоких водоносных пластах. Соединений кислорода с тритием, который обнаружен сравнительно недавно, еще меньше; они очень мало изучены.
Известны изотопы и кислорода — О16, О17, О18. Некоторые исследователи высказывают мнение, что кислород О16 свойствен атмосферной воде и воде на поверхности земли в реках и озерах, образующихся за счет атмосферных осадков, а также подземной воде, питаемой атмосферными осадками. О17 свойствен воде океанов, а О18 — глубинным водам литосферы. Возможно, что именно это непостоянство молекулярного состава воды и является причиной свойственных воде аномалий, о которых сказано выше.
Высокая удельная теплоемкость воды: схема и примеры
Вы когда-нибудь обжигали язык после того, как выпили горячий кофе, который, как вам казалось, достаточно остыл? Вы когда-нибудь пробовали варить макароны в спешке и задавались вопросом, почему вода так долго кипит? Причина, по которой вода (или кофе, который состоит в основном из воды) так долго меняет температуру, кроется в так называемой удельной теплоемкости воды .
Здесь мы обсудим, что означает удельная теплоемкость воды, почему водородные связи приводят к высокой удельной теплоемкости и в каких примерах мы видим это особое свойство.
Какова удельная теплоемкость воды?
Количество теплоты, которое должно быть поглощено или отдано одному грамму материала, чтобы его температура изменилась на один градус Цельсия, называется удельной теплоемкостью .
В приведенном ниже уравнении показана связь между переданным теплом (Q) и изменением температуры (T):
В этом уравнении m представляет массу вещества (которому передается тепло или от), тогда как значение c представляет удельная теплоемкость вещества .
Вода имеет одну из самых высоких удельных теплоемкостей среди обычных материальных веществ: примерно 1 калория/грамм °C = 4,2 Дж/грамм °C.
Высокая удельная теплоемкость воды и другие примеры
Для справки, на рис. 1 ниже удельная теплоемкость воды сравнивается с другими распространенными веществами.
| Вещество | Удельная теплоемкость (Дж/г °C) | |||||||||||||
| Вода | 4,2 | |||||||||||||
| Wood | 1,7 | |||||||||||||
| Железо | 0,0005 | |||||||||||||
| Mercury | 0,14 | |||||||||||||
| ETHYL ALLLY | 2,4 | |||||||||||||
| ETHYL ALLOG | ,4 | |||||||||||||
| ,4 | ||||||||||||||
| ,4 | ||||||||||||||
| . по их удельной теплоемкости. Поскольку вода обладает высокой удельной теплоемкостью, для изменения температуры требуется много энергии. Вот почему кофе долго остывает, или почему «кастрюля, за которой наблюдают, никогда не закипит». Когда определенное количество избыточного диоксида углерода (CO 2 ) добавляется в атмосферу, например, требуется время, чтобы влияние потепления на воздух, землю и океан стало полностью очевидным. Даже если бы существовали средства прямого нагревания Земли (которая состоит в основном из воды), для повышения температуры потребовалось бы время. Это означает, что океан может поглотить значительное количество тепла до того, как его температура значительно повысится. Точно так же, когда внешний источник энергии удаляется, океан реагирует медленно, и его температура не сразу начнет падать. Проще говоря, высокая удельная теплоемкость воды позволяет ей поддерживать стабильную температуру, что очень важно для поддержания жизни на Земле. Какая связь между высокой удельной теплоемкостью воды и ее химической связью? Вода состоит из двух атомов водорода, соединенных полярными ковалентными связями с одним атомом кислорода. Вода полярная молекула, потому что ее атомы водорода и кислорода делят электроны неравномерно из-за электроотрицательности различий. Полярная молекула имеет как частично положительную, так и частично отрицательную области. Электроотрицательность — это тенденция атома притягивать и присоединять электроны. Каждый атом водорода имеет ядро, состоящее из одного положительно заряженного протона и одного отрицательно заряженного электрона, вращающихся вокруг ядра. У каждого атома кислорода, с другой стороны, есть ядро, состоящее из восьми положительно заряженных протонов и восьми незаряженных нейтронов, с восемью отрицательно заряженными электронами, вращающимися вокруг ядра. Поскольку атом кислорода имеет более высокую электроотрицательность, чем атом водорода, электроны притягиваются к кислороду и отталкиваются водородом. В результате атомы кислорода имеют частичный отрицательный (δ-) заряд, а атомы водорода — частичный положительный (δ+) заряд. В то время как молекула воды не имеет суммарного заряда, атомы водорода и кислорода имеют частичный заряд. Поскольку атомы водорода в молекуле воды частично заряжены положительно, они притягиваются к частично отрицательно заряженным атомам кислорода в соседних молекулах воды, позволяя другому типу химической связи, называемой водородной связью , образовываться между соседними молекулами воды или другими отрицательно заряженными молекулы. Диаграмма водородной связи молекулы воды с высокой удельной теплоемкостью Водородная связь представляет собой связь, которая образуется между частично положительно заряженным атомом водорода и электроотрицательным атомом. Водородные связи не являются «настоящими» связями в том смысле, в каком таковыми являются ковалентные, ионные и металлические связи. Ковалентные, ионные и металлические связи являются внутримолекулярными электростатическими притяжениями , что означает, что они удерживают атомы вместе внутри молекулы. С другой стороны, водородные связи представляют собой межмолекулярных сил , что означает, что они возникают между молекулами (рис. 2). Хотя отдельные водородные связи часто бывают слабыми, когда они образуются в огромных количествах, например, в воде и органических соединениях полимеры — оказывают существенное влияние. Полимеры представляют собой сложные молекулы, состоящие из идентичных субъединиц, называемых мономерами . Нуклеиновые кислоты, такие как ДНК, например, представляют собой органические полимеры, состоящие из нуклеотидных мономеров. Как водородная связь приводит к высокой удельной теплоемкости воды?Тепло – это в основном энергия, вырабатываемая движением молекул. Учитывая, что молекулы воды связаны с другими молекулами воды посредством водородных связей, должно быть огромное количество тепловой энергии, чтобы сначала разрушить водородные связи, а затем ускорить движение молекул, тем самым вызывая повышение температуры воды. Таким образом, затрата одной калории тепла приводит к относительно небольшому изменению температуры воды, потому что большая часть энергии используется для разрыва водородных связей, а не для ускорения движения молекул воды. Мы можем провести эксперимент по измерению удельной теплоемкости веществ, используя изменение температуры воды Метод, называемый c алориметрией , можно использовать для определения удельной теплоемкости вещества или объекта. Калориметрия может быть представлена в виде четырех основных этапов :
Потому что контейнер теплоизолированный , тепловая энергия передается только воде , а не окружающей среде. В результате тепло, передаваемое от предмета, равно теплу, поглощаемому водой. При этом мы можем использовать формулу, чтобы записать эту теплопередачу в терминах следующей формулы для определения удельной теплоемкости вещества или объекта. Где: м o масса объекта M W . T Уравнение — температура при равновесии T HOT — начальная температура объекта T Cold 9000 начальная температура воды Какое значение имеет высокая удельная теплоемкость воды для поддержания жизни на Земле?Температура – это фактор окружающей среды, который может ограничивать или повышать способность организмов к выживанию и размножению. Поддержание стабильной температуры имеет решающее значение для выживания столь многих организмов. Вода (будь то в окружающей среде или внутри организма) может помочь регулировать температуру тела из-за ее высокой удельной теплоемкости. Например, кораллы и микроскопические водоросли — это два организма, выживание которых зависит друг от друга. Когда температура воды становится слишком высокой, микроскопические водоросли покидают ткань коралла, и коралл медленно умирает. Большие водоемы могут регулировать свою температуру благодаря высокой удельной теплоемкости воды. Океаны, например, обладают большей теплоемкостью, чем суша, потому что вода имеет более высокую удельную теплоемкость, чем сухая почва. В отличие от океанов, суша имеет тенденцию нагреваться быстрее и достигать более высоких температур. Они также имеют тенденцию быстрее остывать и достигать более низких температур. Точно так же высокая удельная теплоемкость воды также объясняет, почему температура на суше вблизи водоемов более мягкая и стабильная. То есть, поскольку высокая теплоемкость воды ограничивает ее температуру в относительно небольшом диапазоне, моря и прибрежные районы суши имеют более стабильную температуру, чем внутренние районы. С другой стороны, районы, расположенные дальше от берега, обычно имеют значительно больший диапазон сезонных и суточных температур. Мы также можем видеть, как роль высокой удельной теплоемкости воды в способности организмов регулировать свою внутреннюю температуру. Например, теплокровные животные могут использовать высокую удельную теплоемкость воды для достижения более равномерного распределения тепла в своем теле. Подобно системе охлаждения автомобиля, вода способствует перемещению тепла от горячих точек к холодным, помогая телу поддерживать более постоянную температуру. Высокая удельная теплоемкость воды – основные выводы
Ссылки
Удельная теплоемкость водыВерсия для печати Климатическая система мира не реагирует полностью и немедленно на внешнее воздействие. Удельная теплоемкость (C p ) жидкой воды при комнатной температуре и давлении приблизительно 4,2 Дж/г°C. Это означает, что требуется 4,2 джоуля энергии, чтобы поднять 1 грамм (или 1 миллилитр, если вы предпочитаете думать об эквивалентном объеме 1 грамма воды) воды на 1 градус Цельсия.
Обратите внимание, что ни один из других перечисленных выше материалов не приближается к способности воды поглощать тепло. (Осторожно: вода не обладает самой высокой известной теплоемкостью. Высокий C p воды — вот почему «горшок под наблюдением никогда не закипит!» Это также является основной причиной того, что климат медленно реагирует на внешние изменения. К счастью для нас, океан обладает способностью поглощать много тепла до того, как его температура заметно повысится. Обратной стороной этого является то, что как только внешний источник энергии удаляется, океан так же медленно реагирует. Его температура не сразу начнет снижаться. В следующем упражнении мы будем наблюдать это явление. Дополнительный Fun Lab!: Удельная теплоемкость воды Лабораторный эксперимент Климат мира не сразу реагирует на внешние воздействия, создаваемые деятельностью человека. Простой способ показать, почему это так, состоит в том, чтобы сделать несколько простых наблюдений о теплоемкости воды. МатериалыВот материалы, которые вам понадобятся для этой лаборатории: вода, кастрюля, термометр, плита или другой источник тепла, часы или другой таймер. Направления
Ответьте на следующие вопросы:
Примечание:Это необязательно, поэтому для этого задания нечего сдавать, но это довольно простой и поучительный эксперимент, так что попробуйте, если у вас будет шанс! См. мой график ниже двух экспериментов, в которых я варьировал начальный объем воды в горшке. Обратите внимание, сколько времени требуется воде, чтобы вернуться к исходной температуре после закипания! Рисунок 5.9: Кипение и охлаждение воды Щелкните для просмотра текстового описания Рис. 5.9. Время в зависимости от температуры для 2 чашек (синий) и 4 чашек (зеленый) воды в открытой кастрюле на газовой плите. Во время каждого эксперимента плиту включали на «средний» режим и оставляли там до тех пор, пока вода не закипит, после чего плиту выключали на время эксперимента. |
По этой же причине окружающей среде требуется много времени, чтобы отреагировать на внешние изменения.
Когда валентные электроны совместно используются двумя атомами, это называется ковалентной связью .
При образовании молекулы воды десять электронов соединяются и образуют пять орбиталей, оставляя после себя две неподеленные пары. Две неподеленные пары связывают себя с атомом кислорода.
Пары оснований в ДНК удерживаются вместе водородными связями.
Этот процесс называется 9.0003 отбеливание кораллов . Обесцвечивание кораллов вызывает большое беспокойство, поскольку кораллы служат экосистемой для многих других форм морской жизни.
Это объясняет, почему земля вблизи больших водоемов имеет более стабильную и мягкую температуру по сравнению с теми, что находятся дальше от них.
Эта задержка позволила спорам о влиянии деятельности человека на климат продолжаться дольше, чем если бы все, что мы делаем, было бы мгновенно заметно. Например, когда определенное количество дополнительного CO 2 добавляется в атмосферу, эффект потепления на воздухе, суше и океане полностью реализуется через некоторое время. Даже если бы был способ передать тепло непосредственно Земле, все равно потребовалось бы время, чтобы температура, которую мы измеряем, повысилась. В этом упражнении мы проведем простой эксперимент, чтобы определить удельную теплоемкость воды. Сделав это, мы сможем получить некоторое представление о времени запаздывания реакции климатической системы на внешнее воздействие.
Это на самом деле довольно большой. Удельная теплоемкость водяного пара при комнатной температуре также выше, чем у большинства других материалов. Вот таблица удельной теплоемкости различных материалов:
Согласно CRC Handbook of Chemistry and Physics, теплоемкость чистого газообразного водорода при комнатной температуре составляет 14,3 Дж/г°C. Pure H 2 не играет большой роли в климатической системе Земли.)
Предскажите, как изменение этой другой экспериментальной переменной изменило бы ваши результаты.