Артыкул Вызначэнне цеплыні Механічны эквівалент цеплыні Раўнанне цеплыні
1. Вызначэнне цяпла
Калі прадметы з розніцай тэмператур дакранаюцца адзін да аднаго, адбываецца перадача цяпла ад прадметаў з высокай тэмпературай да прадметаў з нізкай тэмпературай. Перадача цяпла спыняецца пасля таго, як прадметы, якія дакранаюцца да цела, дасягнуць аднолькавай тэмпературы. Напрыклад, калі змяшаць гарачую ваду з халоднай, цяпло звычайна пераходзіць ад гарачай вады да халоднай. Калі апусціць гарачае жалеза ў халодную ваду, цяпло пераходзіць ад жалеза да вады. Цяпло спыняецца пасля таго, як жалеза і вада дасягнуць аднолькавай тэмпературы. Калі медсястра прымацоўвае да вашага цела тэрмометр, цяпло пераходзіць ад...
Ваша цела падыходзіць да тэрмометра. Цеплаперадача спыняецца, як толькі ваша цела і тэрмометр дасягаюць адной тэмпературы. Калі выкарыстоўваецца ртутны тэрмометр, то, калі ваша цела і тэрмометр дасягаюць адной тэмпературы, паверхня ртуці перастае рухацца. Лічба, паказаная на паверхні ртуці, — гэта тэмпература вашага цела ў гэты момант.
Натуральна, цяпло аўтаматычна пераходзіць ад аб'ектаў з высокай тэмпературай да
аб'екты з нізкай тэмпературай. Цеплаперадача мае тэндэнцыю ўраўноўваць тэмпературу аб'ектаў, якія датыкаюцца адзін з адным. У 18 стагоддзі фізікі падазравалі, што цеплавы паток — гэта рух вадкасці, тыпу вадкасці, якая не бачная (вадкасць — гэта рэчыва, якое можа цячы. Вадкасць уключае вадкія і газападобныя матэрыялы. Вада (вадкасць) уключае вадкасць, таму што яна можа цячы. Паветра таксама ўключае вадкасць, таму што яно можа цячы). Вадкасць называецца каларыйнай. Тэорыя калорый больш не выкарыстоўваецца, таму што на падставе вынікаў эксперыменту існаванне гэтых калорый нельга даказаць. У 19 стагоддзі англійскі фізік па імені Джэймс Прэскат Джоўль (1818-1889) навучыўся награваць ваду ў ёмістасці з дапамогай мяшалкі.
На падставе вынікаў эксперыменту Джоўль параўнаў гэта з награваннем вады ад агню. Калі полымя і ёмістасць з вадой кантактуюць, цяпло пераходзіць ад агню (высокая тэмпература) да вады (нізкая тэмпература). Пасля параўнання павышэння тэмпературы вады з-за кантакту з агнём і павышэння тэмпературы вады з-за працы, выкананай мешалкай, Джоўль прыйшоў да высновы, што цяпло - гэта энергія, якая пераходзіць ад аб'екта з высокай тэмпературай да аб'екта з нізкай тэмпературай. Цяпло - гэта не энергія (цяпло - гэта не пэўны тып энергіі, напрыклад, кінетычная энергія, патэнцыяльная энергія, хімічная энергія і г.д.). Цяпло - гэта энергія, якая перамяшчаецца з-за розніцы тэмператур. Такім чынам, калі цяпло пераходзіць ад аб'ектаў з высокай тэмпературай да аб'ектаў з нізкай тэмпературай, энергія пераходзіць ад аб'ектаў з высокай тэмпературай да аб'ектаў з нізкай тэмпературай. Перадача энергіі спыняецца пасля таго, як аб'екты, якія кантактуюць, дасягаюць аднолькавай тэмпературы.
2. Адзінка цеплыні і механічны эквівалент цеплыні
Адзінкамі вымярэння цяпла з'яўляюцца калорыі (скарочана ккал). Калорыі — гэта колькасць цяпла, неабходная для павышэння тэмпературы 1 грама вады на 1°C.o (дакладна, з 14.5 oC да 15.5 oC). Колькасць неабходнага цяпла адрозніваецца ў залежнасці ад тэмпературы вады. Для атрымання аднолькавай колькасці цяпла неабходна павышэнне тэмпературы вады на 1 C.o адбываецца толькі пры тэмпературы 14.5 oC да 15.5 oC. Часта выкарыстоўваюцца адзінкі вымярэння цяпла, асабліва для абазначэння энергетычнай каштоўнасці ежы — кілакалорый (ккал). 1 ккал = 1000 калорый. Іншыя назвы ад 1 ккал = 1 калорыя (вялікая літара K). Адзінкай вымярэння цяпла ў брытанскай сістэме з'яўляецца Btu (брытанская цеплавая адзінка). 1 Btu = колькасць цяпла, неабходная для павышэння тэмпературы 1 фунта (0.45 кг) вады на 1 Фо (дакладна з 63 oF да 64 oF).
Цяпло звязана з энергіяй, таму нам трэба ведаць сувязь паміж адзінкамі вымярэння цяпла і адзінкамі вымярэння энергіі. Зыходзячы з эксперыментаў, праведзеных Джоўлем і іншымі навукоўцамі, вядома, што праца ў 4.186 джоўляў эквівалентная 1 калорыі цяпла.
1 калорыя = 4.186 джоўля
1 ккал = 1000 калорый = 4186 джоўляў
1 BTU = 778 футаў (0.24 км). lb = 252 калорыі = 1055 джоўляў
(1 калорыя = 4.186 джоўляў і 1 ккал = 4186, што называецца механічным эквівалентам цяпла)
3. Раўнанне цеплыні
Калі аб'екты з розніцай тэмператур датыкаюцца адзін да аднаго, то, натуральна, цяпло пераходзіць ад аб'ектаў з высокай тэмпературай да аб'ектаў з нізкай тэмпературай. Цеплаперадача спыняецца пасля таго, як абодва аб'екты знаходзяцца ў цеплавой раўнавазе. Цеплаперадача выклікае змены тэмпературы аб'ектаў, якія датыкаюцца адзін да аднаго. Зыходзячы з гэтага кароткага тлумачэння, можна зрабіць выснову, што цяпло (Q) мае сувязь з аб'ектам і зменамі тэмпературы (ΔT) аб'екта, масай аб'екта (m) і тыпам аб'екта.
Суадносіны паміж цеплааддачай (Q) і зменай тэмпературы (ΔT)
Чым больш цяпла, тым большае змяненне тэмпературы. Можна зрабіць выснову, што колькасць цяпла (Q) прапарцыйная змене тэмпературы аб'екта.
Qα ΔT —– Параўнанне 1
Суадносіны паміж цеплатворнасцю (Q) і масай аб'ектаў (м)
Колькасць цяпла (Q) прапарцыйная змене тэмпературы аб'екта. Чым больш вады, тым больш цяпла патрабуецца для павышэння тэмпературы вады.
Qα m —– Параўнанне 2
Суадносіны паміж цеплынёй (Q) і тыпам аб'екта (c)
Цяпло, неабходнае для павышэння тэмпературы аб'екта, прапарцыйнае тыпу аб'екта.
Q α c —– Параўнанне 3
Тры вышэйзгаданыя параўнанні аб'ядноўваюцца ў раўнанне:
Qα mcΔT
Q = mc ΔT
Гэта ўраўненне цеплыні.
Апісанне: Q = цеплаёмістасць (джоўль), m = маса аб'екта (кг), c = удзельная цеплаёмістасць (Дж/кг C₂O₂ або K)
