§ 29. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЁМКОСТЬ, ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ И ПАРООБРАЗОВАНИЯ.

Внутреннюю энергию тела можно изменить либо совершив работу над ним, либо изменив его температуру. Процесс, при котором внутренняя энергия данного тела изменяется, но при этом окружающие его тела не совершают над ним никакой работы, называют теплообменом или теплопередачей. Так, теплообмен происходит между соприкасающимися неодинаково нагретыми телами, в месте контакта которых молекулы более нагретого тела передают часть своей кинетической энергии молекулам менее нагретого тела. В результате теплообмена, часть внутренней энергии более нагретого тела переходит к менее нагретому, и, в конце концов, их температуры становятся равными.

Изменение внутренней энергию, произошедшее при теплообмена, называют количеством теплоты. Очевидно, что количество теплоты, Q, необходимое для изменения температуры тела на Dt, должно быть пропорционально его массе, m, что можно записать в виде:

 Q = cmDt,                                            (29.1)

где с – удельная теплоёмкость вещества, из которого состоит тело. Удельная теплоёмкость численно равна количеству теплоты, которое необходимо передать 1 кг вещества, чтобы поднять его температуру на 1 ^оС. Единицей измерения удельной теплоёмкости в СИ является Дж/(кг^.град).

Удельная теплоёмкость зависит от свойств вещества. Отметим, что удельная теплоёмкость воды, 4,2 кДж/(кг^.град), гораздо выше величин для других веществ. Так, удельная теплоёмкость воздуха – 1,0  кДж/(кг^.град), дерева – 2,5 кДж/(кг^.град), железа – 0,5 кДж/(кг^.град), а песка – 0,8 кДж/(кг^.град).

Удельная теплоёмкость зависит не только от типа вещества, но и от того, в каких условиях оно находится. Например, если нагревать тело и давать ему возможность расширяться, то часть количества теплоты, потратится на работу против сил, препятствующих этому расширению. Поэтому удельная теплоёмкость в таких условиях будет больше, чем в случае, когда нагрев тела не будет сопровождаться его расширением.

При плавлении, кристаллизации, конденсации и парообразовании молекулы или атомы вещества изменяют положение относительно друг друга, что сопровождается изменением потенциальной энергии их взаимодействия, а значит, и внутренней энергии тела. При этом кинетическая энергия молекул вещества остаётся постоянной, и поэтому температура при переходе из одного агрегатного состояния в другое тоже остаётся неизменной (см. рис.29). Таким образом, при переходе тела из одного агрегатного состояния в другое оно либо требует определённое количество теплоты (плавление, парообразование), либо отдаёт его в окружающую среду (при конденсации и кристаллизации).

Количество теплоты Q, необходимое для того, чтобы расплавить твёрдое кристаллическое тело, должно быть пропорционально массе m тела:

Q = lm  ,                                              (29.2) 

где l - удельная теплота плавления, численно равная количеству теплоты, необходимому для превращения 1 кг твёрдого кристаллического вещества при температуре плавления в жидкость той же температуры. Отметим, что при отвердевании (кристаллизации) выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении.

Количество теплоты r, необходимое для превращения 1 кг жидкости при температуре кипения в пар той же температуры, называют удельной теплотой парообразования. Поэтому количество теплоты Q, необходимое для испарения жидкости массы m при температуре её кипения равно:

Q = rm  .                                               (29.3) 

При конденсации (образовании жидкости из пара) выделяется такое же количество теплоты, какое поглощается при парообразовании.

Удельная теплота плавления льда, 334 кДж/кг больше, чем у многих других веществ (у свинца – 23 кДж/кг, золота – 66 кДж/кг). Удельная теплота парообразования воды 2260 кДж/кг  тоже в 3-10 раз выше, чем у других жидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосин). Вода, обладая такими уникальными свойствами и окружая нас со всех сторон (моря, океаны и пары в атмосфере), стабилизирует климат на планете, сглаживая резкие изменения температуры.

Вопросы для повторения:

·        Что такое количество теплоты, и как оно связано с процессом теплообмена между телами?

·        Дайте определение удельной теплоёмкости, теплоте плавления и парообразования вещества?

·        Как изменяется внутренняя энергия при плавлении, кристаллизации, парообразовании и конденсации?

·        Какова роль воды в стабилизации температуры на Земле?

Рис. 29. Зависимость температуры льда, а потом воды и пара от количества теплоты, подводимого к телу.