Удель­ная теп­ло­ем­кость

Введение

Каждое тело при нагревании получает энергию — теплоту. Но разные вещества при одинаковом количестве теплоты нагреваются по-разному: металл быстро становится горячим, а вода долго остаётся тёплой.
Почему так происходит?
Это связано с важной физической величиной — удельной теплоёмкостью вещества.

Понимание этого понятия помогает объяснить множество явлений: от того, почему на морском побережье мягкий климат, до принципа работы систем отопления, холодильников и калориметров.

Определение удельной теплоёмкости вещества

Удельная теплоёмкость — это количество теплоты, которое необходимо затратить, чтобы нагреть 1 килограмм вещества на 1 градус Цельсия (или Кельвина).

Обозначается буквой с, измеряется в джоулях на килограмм на градус Цельсия (Дж/(кг·°C)).

Формулировка:
Удельная теплоёмкость показывает, как изменяется внутренняя энергия вещества при изменении его температуры на 1 °C.

Формула для расчёта количества теплоты

Количество теплоты, которое получает тело при нагревании, вычисляется по формуле:

где:

• Q — количество теплоты (Дж),

• c — удельная теплоёмкость вещества (Дж/(кг·°C)),

• m — масса тела (кг),

• Δt — изменение температуры (°C).

Формула для расчёта удельной теплоёмкости

Если известно количество теплоты, масса и изменение температуры, то:

​

Эта формула используется, например, в лабораторных работах по физике при определении удельной теплоёмкости вещества с помощью калориметра.

Примеры, поясняющие понятие удельной теплоёмкости

1. Чтобы нагреть 1 кг воды на 1 °C, нужно затратить 4200 Дж энергии.

2. Чтобы нагреть 1 кг меди на 1 °C, требуется всего 380 Дж.
   → Вывод: вода имеет большую удельную теплоёмкость, она долго нагревается, но и медленно остывает.

3. Именно поэтому:

   • металлическая ложка быстро нагревается в горячем чае;

   • вода в море дольше сохраняет тепло, а побережье — мягкий климат.

Таблица удельных теплоёмкостей веществ

Вывод из таблицы:
Чем больше значение c, тем медленнее вещество нагревается и отдаёт тепло.

Калориметр — прибор для измерения теплоёмкости

Для измерения удельной теплоёмкости веществ в лаборатории используется калориметр.
Он представляет собой сосуд с теплоизоляцией, который уменьшает теплопотери в окружающую среду.

Принцип действия:
Нагретое тело помещают в воду внутри калориметра. Через некоторое время наступает тепловое равновесие, и по изменению температуры воды можно определить, сколько теплоты передано.
Далее по формуле  находят удельную теплоёмкость исследуемого вещества.

Такой опыт помогает школьникам убедиться, что разные материалы обладают различной способностью поглощать тепло.

Пример решения задачи

Задача:
Определите, сколько теплоты нужно, чтобы нагреть 2 кг алюминия от 25 °C до 75 °C.
(удельная теплоёмкость алюминия — 900 Дж/(кг·°C))

Решение:

Ответ: 90 000 Дж (90 кДж).

Пример анализа значения удельной теплоёмкости

Сравним:

• у воды $c=4200$ Дж/(кг·°C),

• у железа $c=460$ Дж/(кг·°C).

Это значит, что для нагревания 1 кг воды на 1 °C нужно почти в 9 раз больше энергии, чем для 1 кг железа.
Следовательно, вода способна накапливать и сохранять больше тепла, чем большинство твёрдых тел.

Благодаря этому:

• океаны стабилизируют климат Земли,

• водяное отопление эффективно распределяет тепло,

• человек способен использовать воду как теплоноситель в радиаторах и двигателях.

Историческая справка

Первым понятие теплоёмкости ввёл Джозеф Блэк в XVIII веке.
Он исследовал, как различные материалы поглощают тепло, и ввёл термин «удельная теплоёмкость».
Позднее благодаря работам Джоуля и Калорифера была установлена связь между теплотой и механической энергией.

Вывод

Удельная теплоёмкость — ключевая характеристика вещества, определяющая, насколько сильно оно изменяет температуру при нагревании или охлаждении.
Эта величина используется при проектировании отопительных систем, расчёте двигателей, холодильников и в прогнозировании природных процессов.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют удельной теплоёмкостью вещества?

2. В каких единицах она измеряется в системе СИ?

3. Как выглядит формула для вычисления количества теплоты?

4. Как вычислить удельную теплоёмкость по известным данным?

5. Почему вода имеет самую большую удельную теплоёмкость?

6. Для чего нужен калориметр и как он работает?

7. Как изменится количество теплоты, если массу увеличить в два раза?

8. Почему металлы нагреваются быстрее воды?

9. Как удельная теплоёмкость связана с внутренней энергией вещества?

10. Приведи примеры применения знания об удельной теплоёмкости в быту и технике.