Количество теплоты. Единицы количества теплоты

Введение

Каждый день мы наблюдаем, как лёд тает, вода закипает, а чай остывает.
Во всех этих процессах происходит передача энергии от одного тела к другому.
Чтобы измерять, сколько энергии получило или отдало тело, физики ввели понятие количество теплоты.

Это понятие помогает объяснить множество явлений природы и рассчитать работу отопительных систем, электроплит или двигателей.

Количество теплоты и её единицы измерения

Количество теплоты (Q) — это величина, показывающая, сколько энергии передаётся телу при теплообмене или изменении агрегатного состояния.

Если тело получает теплоту — его внутренняя энергия увеличивается,
если отдаёт — уменьшается.

Количество теплоты измеряется в джоулях (Дж) — единице энергии в системе СИ.

1 Дж — это количество энергии, которое передаётся телу при совершении работы в 1 ньютон на пути 1 метр.

Кроме джоуля, в теплотехнике и быту используют более крупные единицы:

• 1 кДж = 1000 Дж,

• 1 МДж = 1 000 000 Дж.

Характеристики, от которых зависит количество теплоты

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от трёх параметров:

1. Массы вещества (m) — чем больше вещества, тем больше энергии требуется.

2. Изменения температуры (Δt) — чем сильнее нужно нагреть, тем больше теплоты.

3. Удельной теплоёмкости (c) — физической характеристики вещества, показывающей, сколько теплоты нужно, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 °С.

Эта зависимость выражается формулой:

$$Q=c\cdot m\cdot \Delta t$$

где
Q — количество теплоты (Дж),
c — удельная теплоёмкость (Дж/(кг·°С)),
m — масса тела (кг),
Δt — изменение температуры (°С).

Примеры удельной теплоёмкости веществ

Из таблицы видно, что вода требует больше всего теплоты для нагрева.
Поэтому она медленно нагревается и долго остывает — это объясняет, почему климат у морей мягче.

Калория и её связь с джоулями

До введения системы СИ количество теплоты измеряли в калориях (кал).
1 калория — это количество теплоты, необходимое, чтобы нагреть 1 грамм воды на 1 °C.

Связь между калорией и джоулем:

$$1\text{кал}=4,19\text{Дж}$$ $$1\text{ккал}=1000\text{кал}=4186\text{Дж}$$

Калории часто применяют в медицине и диетологии, чтобы выражать энергетическую ценность пищи.
Например, если продукт содержит 250 ккал, это соответствует 1,046 МДж энергии.

Пример расчёта количества теплоты

Задача.
Сколько теплоты нужно, чтобы нагреть 2 кг воды от 20 °C до 100 °C?

Дано:
m = 2 кг,
c = 4200 Дж/(кг·°С),
Δt = 100 − 20 = 80 °C.

Решение:
Q = c · m · Δt = 4200 · 2 · 80 = 672 000 Дж = 672 кДж.

Ответ: 672 кДж теплоты.

Физический смысл количества теплоты

Количество теплоты показывает, насколько изменилась внутренняя энергия тела при нагревании, охлаждении или плавлении.
Эта энергия не исчезает и не появляется из ниоткуда — она просто переходит от одного тела к другому.

Например, при кипении воды энергия нагрева идёт на разрыв связей между молекулами, а при замерзании — выделяется обратно в окружающую среду.

Значение в природе и технике

Понимание законов теплопередачи имеет огромное значение:

• в технике — для расчёта отопления, двигателей, теплообменников;

• в строительстве — для проектирования теплоизоляции;

• в метеорологии — при изучении образования ветра и облаков;

• в повседневной жизни — для экономии энергии и топлива.

Вывод

Количество теплоты — это энергия, передаваемая при теплообмене.
Её значение зависит от массы тела, его удельной теплоёмкости и изменения температуры.
Основная единица — джоуль, а внесистемная — калория, где 1 кал = 4,19 Дж.
Понимание этих величин помогает объяснить, почему лёд тает, кипит вода и работает отопление.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое количество теплоты?

2. В каких единицах измеряется количество теплоты в системе СИ?

3. От каких величин зависит количество теплоты?

4. Какова формула для вычисления количества теплоты при нагревании тела?

5. Что показывает удельная теплоёмкость вещества?

6. Чем калория отличается от джоуля?

7. Сколько джоулей содержит 1 ккал?

8. Почему вода нагревается медленнее металлов?

9. Приведи пример из жизни, где проявляется передача количества теплоты.

10. Почему важно знать количество теплоты при проектировании отопительных систем?