Теплопередача: Часть 2

Видео

Конспект

А теперь полное определение. Удельная теплоемкость вещества - это скалярная физическая величина, которая показывает, какое количество тепла сообщается телу для изменения его температуры на 1 градус Цельсия.

То есть, если мы говорим о сообщении тепла телу, значит, это рост температуры. Если у нас температура тела понижается на 1{ }^{\circ} C , значит, тело остывает, значит, оно отдаёт энергию, отдаёт тепло в окружающее пространство. Поэтому слово «удельное» - вот ответ на этот вопрос, количество тепла, приходящееся на 1 кг массы вещества.

Если у вас любая физическая величина начинается со слова «удельная», значит стопроцентно, железобетонно и гарантированно, в знаменателе у нас будет стоять масса вещества. Есть у нас удельная энергия, есть удельная теплоемкость, есть удельная теплота плавления, и почти во всех случаях, за исключением энергии, мы с вами говорим о том, что это по отношению к массе тела 1 килограмм.

Так бывает не всегда, и мы с вами об этом тоже поговорим. А теперь давайте вернемся к размерности и поговорим о нашей системе Си. Почему же Джоуль не принадлежит системе Си? Мы с вами знаем, что в системе Си единиц измерения очень мало. Килограмм, метр, секунда, ампер, кандела, то есть единицы измерения, ну и, конечно, Кельвин.

Единиц измерения у нас с вами шесть основных. Поэтому Джоуль мы с вами можем расписать как Ньютон умножить на метр. Ньютон расписывается очень легко. Это килограмм умножить на метр, делённое на секунду в квадрате. 1 Н=1 кг \cdot м / с^{2} .

Поэтому формально Джоуль мы с вами можем расписать как килограмм умножить на метр квадрат, делённое на секунду квадрат. Но система си капризная дама, она не очень любит дроби. Поэтому если вас будут спрашивать, как расписывается Джоуль, вряд ли вам дадут такой ответ. Скорее всего, ответ будет таким. Килограмм, метр, квадрат, секунда, минус второй степени. ( 1 Дж =1 кг \cdot м^{2} \cdot с^{-2} ) Вот наш Джоуль в системе Си. Килограмм, метр и секунда - это те величины, которые принадлежат основным величинам системы Си.

Теперь хотелось бы понять, а что вообще удельная теплоемкость вещества у нас показывает? Каков таков великий смысл этой величины. Для того, чтобы разобраться, давайте возьмем конкретный пример. Возьмем удельную теплоемкость для воды. Удельная теплоемкость для воды имеет табличное значение.

Вообще, удельная теплоемкость вещества - это та величина, которая берется в таблице. Поэтому на Олимпиаде эти величины либо даются в задаче, либо даются в табличке в начале заданий. Именно таблички в начале заданий бывают на экзаменах ОГЭ и ЕГЭ в девятом и в одиннадцатом классе, поэтому запоминать цифры нам с вами не надо.

А вот понимать, что показывает эта цифра, надо непременно и обязательно. Итак, удельная теплоёмкость вещества составляет 4200 Дж/(кг \cdot C). Смотрите, это значит, чтобы вам нагреть 1 килограмм воды на 1 градус Цельсия, вам нужно потратить целых 4200 джоулей тепла.

Мы с вами говорим о том, что эта величина одна из самых больших. Человек очень активно использует удельную теплоемкость вещества. Смотрите, у нас достаточно большая территория России лежит в зоне достаточно рискованного земледелия, то есть неожиданные заморозки, которых никто не ждал, и которые появились вдруг, могут уничтожить посевы и высаженную рассаду. Поэтому те, кто занимается выращиванием растений, очень часто используют при заморозках такой прием.

Берут ведро воды, уносят это ведро воды в теплицу, нагревают это ведро воды до кипения, и как только вода начинает кипеть, забирают нагреватель, уносят его с собой, а ведро кипящей воды остается в теплице. Что за ерунда? Зачем в теплице нам с вами нужна кипящая вода?

Давайте посчитаем. Количество тепла, которое будет выделяться в этом случае, будет таким. Удельная теплоемкость воды 4200 , я назвала параметр объем 10 литров, 10 литров, значит мы с вами вспоминаем, что массу мы расписываем через произведение плотности-объема, берем плотность воды, она, конечно, тысяча, берем объем, литры нас с вами не устраивают, но мы с вами помним, что один метр кубический или один кубометр всегда содержит тысячу литров. Иногда рассказывают совершенно по-другому, иногда говорят литр - это дециметр кубический, поэтому метр кубический содержит тысячу дециметров кубических.

Поэтому, умножили на плотность, умножаем на 10 литров и литры переводим в метры кубические, то есть делим на тысячу. Когда вода остывает, самая низкая температура, при которой живет вода, у нас является 0^{\circ} C . Поэтому мы с вами берем конечную температуру 0 , минус начальная температура, это температура кипения воды 100 .

Смотрите, как легко и красиво решается первая задача, оценочная задача, которая позволит нам с вами посмотреть, а сколько тепла даст ведро воды при охлаждении до 0 . Что у меня получается? 4 миллиона 200 тысяч джоули тепла или 4 тысячи 200 килоджоулей тепла: Q=4200 \cdot 1000 \cdot 10 \cdot 0,001 \cdot(100-0)=4200000 \text { Дж}.

Вот тут, конечно, нужно было втиснуть размерность джоули. Я чутьчуть поторопилась, так бывает. Мы можем написать и в других единицах измерения. Количество теплоты в этом случае будет 4,2 мега джоуля.

Смотрите, ведро воды 10 литров, не так много. 4 миллиона 200 тысяч джоулей тепла. Вот эта удивительная цифра 4200 позволяет воду использовать достаточно активно. Осенью начинается отопительный сезон, и вода заполняет батареи и трубы центрального отопления, которые есть в наших с вами городах. Россия одна из немногих стран, которая позволяет себе проводить центральное отопление соответственно в жилые дома.

И, когда наступает зима, а за осенью у нас всегда идет зима, достаточно часто наступают морозы. Так вот смотрите, воду, которая заходит в дома нагревать достаточно долго и трудно, но зато эта вода, проходя метры и километры по теплотрассе, остывает достаточно медленно, принося тепло в наши с вами дома.

Вода вообще удивительное вещество, если действительно резко наступила зима, и в системах отопления вода остыла до нуля, возможен эффект, который называется размораживание системы отопления. Давайте посмотрим. Смотрите, масса воды всегда сохраняется. Но мы с вами знаем, что массу можно найти через произведение плотности объема.

И у нас с вами, когда размораживается система отопления, вода переходит в лёд. А поскольку масса сохраняется, то мы с вами можем написать лёгкое равенство, которое непременно будем использовать в задачах. У меня получается плотность воды умножить на объем воды, это будет плотность льда умножить на объем льда.

\begin{gathered}

m=\text {const} \\

\rho_{л} V_{л}=\rho_{в} V_{в}

\end{gathered} Плотность воды 1000 , а у льда 900 . Мы это явление можем наблюдать тогда, когда весной смотрим ледоходы на реках. На крупных реках ледоходы очень красивое явление. Поэтому плотность у льда меньше. А чтобы сохранить равенство, лед занимает больше объем.

И вот эта вода, которая когда-то несла тепло в наши дома, а теперь остыла до ноля, вот эта вода за счет увеличения объема, внимание, она начинает разрывать трубы отопления и, соответственно, происходит разморозка системы отопления. Страшное явление. Если его быстро не ликвидировать, то страдают, конечно, люди.

Поэтому, когда таких сообщений о таких явлениях нет, тогда зима проходит спокойно и благополучно. Но мы с вами рассмотрели понятие удельной теплоемкости вещества только на одном примере - на примере воды. А как же с другими веществами? Удельная теплоемкость металлов достаточно маленькая. И вот сейчас у нас есть шанс проверить, кто вы теоретики или экспериментаторы.

Проверяется очень легко. Сами для себя. Дайте, пожалуйста, ответ.

А в детстве пробовали ли вы на морозе лизнуть что-нибудь металлическое? Эффект бывает. Бывает больно. Почему так происходит? У металла очень маленькая удельная теплоемкость.

И вот эта маленькая удельная теплоемкость говорит, что металл очень быстро забирает тепло от вашего язычка и отдает его дальше, и ваш язык мокрый, поэтому слюна, которая есть на языке, моментально остывает до нуля, моментально превращается в лед, и этот лед спаивает ваш язычок и тот металл, который вы лизнули. То есть у металлов маленькая удельная теплоемкость: быстро нагреваются и быстро остывают.

И опять этот эффект мы можем увидеть летом, когда мы с вами едем в поездах. Поезда у нас с вами, вагоны поездов, неважно каких - это металл. И если система кондиционирования отсутствует, металл прогревается моментально, и соответственно вагоне бывает очень жарко. А когда отсутствует система кондиционирования в поездах?

Чаще всего, когда поезда стоят на конечных станциях. Поезд приехал в Сочи или в Адлер, и на этой конечной станции, высадив пассажиров, поезд ждет следующих пассажиров. Часто бывает, поезд приехал утром, а обратно отправляется вечером. За это время поезд не движется, система кондиционирования не работает, поэтому те пассажиры, которые садятся в этот поезд вечером, чтобы вернуться домой, попадают просто в пекло.

Металл быстро нагревается, и металл быстро остывает. Поэтому смотрите, новая физическая величина, а явления, о которых мы с вами говорим, это то, что окружает нас в жизни. Поэтому те слова, которые я сказала на первом уроке, слова, которые касаются того, что тепловые явления - это наша с вами жизнь, они подтверждаются сейчас еще раз.

А ведь мы с вами говорим сейчас только про самое первое явление о явлении нагревания или остывания. О явлении, которое связано с изменением температуры. О явлении, которое связано с изменением внутренней энергии. Поэтому количество теплоты - это энергия, которая сообщается телу в процессе нагревания или которая тело отдает в процессе остывания.

На следующем занятии с вами непременно будем решать задачи по этой теме. Задачи легкие, задачи посложнее. И я надеюсь, что вот этот треугольник формул, который мы сейчас с вами нарисовали, он будет у вас в тетрадке, и он не позволит вам ошибиться. Итак, решение задач наш следующий шаг.