Как зависит количество теплоты от массы тела: объяснение

Количество теплоты - одна из важнейших характеристик тела, определяющая его тепловое состояние. Давайте разберемся, от чего зависит эта физическая величина и как она проявляется в окружающем нас мире.

Определение количества теплоты

Количество теплоты - это энергия, которую тело либо получает, либо отдает при теплопередаче. Обозначается буквой Q.

Что такое количество теплоты от чего зависит? Оно зависит от:

• массы тела (чем больше масса, тем больше теплоты нужно)
• рода вещества (для разных веществ необходимо разное количество теплоты)
• изменения температуры тела (чем выше нагрев или охлаждение, тем больше теплоты)

Количество теплоты может быть как положительным (если тело нагревается), так и отрицательным (если тело остывает).

Единицы количества теплоты

В СИ количество теплоты измеряется в джоулях (Дж) и килоджоулях (кДж).

Также используется старая единица - калория. Это количество теплоты, нужное для нагрева 1 г воды на 1°C. Соотношение с джоулем такое:

• 1 кал = 4,19 Дж
• 1 Дж = 0,239 кал

Уравнение теплового баланса

Одно из важных уравнений при расчетах теплопередачи - уравнение теплового баланса:

Q_пол = Q_отд

Оно означает, что при теплообмене в замкнутой системе количество отданной одним телом теплоты равно количеству полученной другим.

Например, если в термос налить горячий чай и комнатной температуры молоко, то со временем температура чая понизится, а молока повысится. При этом отданная чаем теплота будет равна полученной молоком (если можно пренебречь небольшими теплопотерями).

Зависимость количества теплоты от характеристик тела

Для начала давайте разберем, как зависит количество теплоты от массы тела. Проведем простой опыт:

1. Берем 2 сосуда и наливаем в них воду, но разной массы: в 1 сосуд 1 кг, во 2 сосуд - 2 кг
2. Нагреваем оба сосуда одинаковыми горелками в течение одного и того же времени, например 3 минуты
3. Измеряем температуру воды в сосудах - она будет разной

Из этого можно сделать вывод, что чем больше масса тела - тем больше количество теплоты для него требуется. То же самое происходит и при охлаждении: более массивное тело отдаст окружающей среде большее количество теплоты.

Это на практике проявляется, к примеру, когда мы греем воду в чайниках разного объема. Большой чайник закипит позже маленького - для нагрева большего количества воды требуется больше теплоты.

Теперь проведем еще один опыт, чтобы проверить зависимость количества теплоты от рода вещества.

Как зависит количество теплоты от массы тела? Возьмем 2 сосуда и нальем в них воду и масло одинаковой массы. Нагреем их равное время при одинаковых условиях. В итоге масло нагреется до более высокой температуры, чем вода.

Значит, для нагрева разных веществ до одной температуры требуется разное количество теплоты. Это объясняется различиями в молекулярном строении.

Из таблицы видно, что для нагрева воды требуется почти в 2 раза больше теплоты, чем для масла.

На практике с этим можно столкнуться, когда разогреваем еду. Блюда с большим содержанием воды (супы, каши) нагреваются медленнее жирных (масло, сметана).

Наконец, количество теплоты напрямую зависит от того, на сколько градусов мы нагреваем или охлаждаем тело. Это легко проверить, подогревая, например, воду в чайнике. Чтобы просто подогреть потребуется меньше времени (и, соответственно, меньше теплоты), чем для полного кипячения.

То же самое касается и охлаждения: чем сильнее мы охлаждаем тело, тем больше теплоты оно отдаст. Например, горячий утюг при остывании до комнатной температуры отдаст гораздо больше тепла, чем слегка нагретая батарея отопления.

Применение законов теплопередачи

Для практических расчетов теплопередачи вводятся такие величины как теплоемкость (C) и удельная теплоемкость (c).

Теплоемкость показывает, какое количество теплоты нужно сообщить телу определенной массы, чтобы нагреть его на 1°C. Удельная теплоемкость - то же самое, но на 1 кг вещества.

Зная удельную теплоемкость разных веществ, можно заранее рассчитать, какое количество теплоты им потребуется. Это активно используется в технике для проектирования систем обогрева и охлаждения.

Например, благодаря высокой удельной теплоемкости воды работает термос. Теплоизоляция не дает теплоте рассеиваться, а запасенная водой энергия долго сохраняет температуру горячих или холодных напитков:

Q = cm(t2 - t1)

Где:

• Q - количество теплоты
• c - удельная теплоемкость
• m - масса
• t1 и t2 - начальная и конечная температура