Měrné teplo

Během mé dovolené na mořském pobřeží jsem měl otázku. Proč u moře nejsou tuhé zimy a velmi horká léta? Odpověď je jednoduchá, že se jedná o vlastnost klimatu, ale tato odpověď mě vůbec neuspokojila a rozhodl jsem se to podrobněji prozkoumat. A fyzika mi s tím pomohla! Můj učitel fyziky vždycky říká: “Bez fyziky nemůžeme žít!” To znamená, že ve všech sférách lidské činnosti se setkáváme s projevy fyziky v té či oné podobě. Všude a vždy. Zdálo by se, no, co má fyzika společného s mou cestou. V hodinách fyziky jsme se učili o zajímavé vlastnosti těles a látek – tepelné kapacitě. TEPELNÁ KAPACITA je vlastnost těles, se kterou se v našich životech setkáváme poměrně často, závisí na fyzikálních a chemických vlastnostech látek v pevném, kapalném a plynném skupenství. Rozhodl jsem se toto téma hlouběji prostudovat, provést experimenty a odpovědět na otázku, která mě zajímá z fyzikálního hlediska.

Cíle projektu:

1. Studium tepelné kapacity látek;

2. Provedení experimentu.

Prostudujte si teoretický materiál

Proveďte experiment (prokázání vysoké tepelné kapacity vody, určení specifické tepelné kapacity mořského kamene);

Prezentovat výsledky výzkumu na školní vědeckopraktické konferenci;

Předmět studia: specifické teplo.

2. Měrná tepelná kapacita: k čemu slouží a jaký je její význam

Tepelná kapacita je veličina, která charakterizuje jednu z tepelných vlastností těles. Ukazuje, kolik tepla je třeba tělesu dodat nebo z něj odebrat, aby se jeho teplota změnila o 1 stupeň. V poměru k jednotce hmotnosti se nazývá měrná tepelná kapacita. To všechno znáte. Ale co s tím má společného slovo „kapacita“? Koneckonců se obvykle používá, když se mluví o objemu nějaké nádoby, přesněji řečeno o její kapacitě.
Termín „tepelná kapacita“ se ve fyzice objevil asi před 200 lety, ve druhé polovině XNUMX. století, a zůstal ve fyzice jako vzpomínka na ty dnes zdánlivě zvláštní představy o teple, chladu a teplotě, které v tehdejší vědě existovaly.
Od 17. století fyzika bojuje se dvěma teoriemi o povaze tepla. První teorie tvrdila, že teplo je speciální látka kalorický, schopné proniknout jakýmkoli tělesem. Čím více této látky v tělese je, tím vyšší je jeho teplota. Druhá teorie, kterou poprvé navrhl na začátku 17. století anglický vědec Francis Bacon, tvrdila, že teplo je pohyb malých částic uvnitř tělesa (molekul, atomů nebo, jak se tehdy říkalo, necitlivých částic). Tato hypotéza byla také založena na experimentálních pozorováních, která například ukazovala, že pohyb může způsobit zahřívání. Tato teorie měla mnoho zastánců, dokonce i velmi slavných, jako byli Descartes, Boyle, Hooke, Lomonosov.
Obě teorie, navzdory svým rozdílům, měly něco společného. Obě se shodly na tom, že teplo je něco obsaženého v tělese. Podle první hypotézy tělo obsahuje kalorické, podle druhé částice s jejich „…silou zbraní„(jak se tehdy nazývala kinetická energie). Shodli se také na tom, že teplo ani nezmizí, ani se neobjevuje: pokud se při kontaktu dvou těles jedno z nich teplo ztratí, druhé ho získá, takže to, co jedno těleso ztratí, získá druhé. Nicméně drtivá většina badatelů se až do 19. století držela první, takříkajíc materiální teorie tepla, a 18. století bylo nepochybně stoletím triumfu právě této koncepce tepla.“

Zavedení pojmu tepelné kapacity úzce souvisí s řešením problému rozložení tepla při kontaktu různě zahřátých těles.
Měrná tepelná kapacita (c) je fyzikální veličina číselně rovnající se množství tepla, které musí být přeneseno na jednotku hmotnosti dané látky, aby se její teplota změnila o jednu jednotku. Měrná tepelná kapacita ukazuje, o kolik se změní vnitřní energie 1 kg látky při jejím zahřátí nebo ochlazení o 1 stupeň.

V Mezinárodní soustavě jednotek (SI) se měrná tepelná kapacita měří v joulech na kilogram na kelvin, J/(kg K). Někdy se používají i jednotky mimo SI: kalorie/(kg °C) atd.

Vzorec pro výpočet měrné tepelné kapacity: c = Q / m ( t ₂ – t ₁) kde c — měrná tepelná kapacita, Q — množství tepla, které látka přijme během ohřevu (nebo uvolní během ochlazování),

m – hmotnost zahřáté (ochlazené) látky,

ΔT – rozdíl mezi konečnou a počáteční teplotou látky.

Je třeba si uvědomit, že specifická tepelná kapacita látky v různých skupenstvích agregace je odlišná.

2.1 Měrná tepelná kapacita vody

Při teplotě 20 stupňů Celsia a normálním atmosférickém tlaku je měrná tepelná kapacita vody v kapalném stavu přibližně 4200 J/(kg °C). Množství tepla potřebné k ohřátí 1 g vody o 1 stupeň postačuje k ohřátí přibližně 1 g železa a 9 g mědi o 10 stupeň.

Voda v kapalném stavu má měrnou tepelnou kapacitu 4200 J/(kg °C), v pevném stavu (led) – 2100 J/(kg °C), v plynném stavu (vodní pára) – 2200 J/(kg °C). Tepelná kapacita vody klesá při teplotách od 0 °C do 37 °C a s dalším zahříváním opět roste. Měrná tepelná kapacita je množství tepla, které musí být předáno jednomu kilogramu látky, aby se její teplota zvýšila o jeden stupeň. Voda tedy potřebuje k zahřátí abnormálně velké množství tepla. Protože zvýšení teploty znamená zvýšení průměrné rychlosti molekul, pak v molekulárním jazyce vysoká tepelná kapacita vody znamená, že její molekuly jsou velmi inertní. Pro zvýšení průměrné rychlosti molekul H₂O, z nějakého důvodu jim je třeba dodat poměrně hodně energie, ačkoli samotné molekuly jsou v molekulárním měřítku relativně malé. Vše je vysvětleno existencí vodíkových vazeb. Vzhledem k tomu, že většina molekul je vázána do poměrně velkých komplexů, existuje samostatná „průměrná“ molekula H₂O může zvýšit svou kinetickou energii jedním ze dvou způsobů. Zaprvé se může uvolnit od všech vodíkových vazeb a začít se pohybovat sám. Zadruhé, zrychlení celého komplexu molekul samozřejmě zvýší rychlost každé molekuly H.₂O, který je součástí tohoto komplexu. Je zřejmé, že obě tyto metody vyžadují značné energetické náklady, což vede k velké hodnotě měrné tepelné kapacity vody.

Experiment, který demonstruje vysokou měrnou tepelnou kapacitu vody: pokud nafouknete gumový balónek a zahřejete ho plamenem svíčky, okamžitě praskne.
Guma má nízkou tepelnou kapacitu. Pokud nalijete vodu do balónku, nafouknete ho a přivedete k plameni, balónek nepraskne! Voda má vysokou tepelnou kapacitu. Voda se dlouho zahřívá a dlouho chladne.

3. Experimenty pro stanovení tepelné kapacity

Experimenty s tepelnou kapacitou se mi moc líbily a rozhodl jsem se zjistit měrnou tepelnou kapacitu mořského kamene, který jsem si přivezl z cesty. A voda mi s tím pomohla.

Vybavení: 2 sklenice se studenou a teplou vodou, 2 teploměry, elektronická váha, mořské kameny.

Při určování měrné tepelné kapacity mořského kamene byl proveden následující experiment. Do sklenice jsem nalil 100 g vody o teplotě 74 °C. Poté jsem určil hmotnost malého kamene. Jeho hmotnost byla 26,94 g. Tento kámen jsem přivázal k niti, ponořil do horké vody, kde jsem ho zahřál na teplotu horké vody. Poté jsem ho rychle přenesl do sklenice se studenou vodou o teplotě 23 °C, po chvíli se teplota vody a tělesa srovnala a rovnala se 25,5 °C. Na základě těchto údajů jsem vypočítal měrnou tepelnou kapacitu mořského kamene a ukázalo se, že je c = 803,6 J / kg °C. Výpočty jsem prezentoval jako úlohu.

Závěr: měrná tepelná kapacita kamene je 5,2krát menší než tepelná kapacita vody. Voda potřebuje k zahřátí velmi velké množství tepla než skalnatý povrch. V tomto ohledu voda v mořích a oceánech, která se v létě zahřívá, absorbuje obrovské množství tepla z okolního prostředí. A v zimě se voda ochlazuje a do okolního prostředí uvolňuje velké množství tepla. Proto v oblastech nacházejících se v blízkosti vodních ploch není v létě příliš horko a v zimě velmi chladno.

4. Význam specifické tepelné kapacity vody v přírodě a lidském životě

Tepelná kapacita vody vysvětluje jev rozdílného ohřevu vody a pevniny: protože tepelná kapacita pevných hornin, které tvoří povrch pevniny, a tepelná kapacita vody se výrazně liší, je k ohřevu vody, písku a kamene na stejnou teplotu zapotřebí různé množství tepla, proto je během dne teplota písku vyšší než teplota vody. Voda se ochlazuje pomaleji než pevné horniny, proto je v noci písek a kámen chladnější než voda. Jak je známo, vzduch se neohřívá přímo slunečními paprsky, ale přenosem tepla z ohřátého povrchu pevniny a vody. V létě vzniká mezi povrchem pevniny a vody významný teplotní rozdíl, díky kterému se vzduch pohybuje ve směru určeném rozdílem teplot vody moří a oceánů a pevniny, která k nim přiléhá.

Vysoká tepelná kapacita vody proměňuje moře a oceány v obrovský termostat, který vyrovnává denní výkyvy teploty vzduchu. A nejen velké masy vody, jako jsou moře, dokáží tyto výkyvy vyhladit, ale i běžná vodní pára v atmosféře. Prudké denní výkyvy teploty v oblastech velkých pouští jsou spojeny s absencí vodní páry ve vzduchu. Suchý pouštní vzduch je téměř bez vodní páry, což by mohlo omezit rychlé noční ochlazování písku ohřátého během dne, takže teplota vzduchu nesmí překročit 5 °C.

Díky své vysoké měrné tepelné kapacitě se voda hojně používá v technice i v každodenním životě. Například v systémech ohřevu vody v domech, při chlazení součástí během jejich zpracování na strojích, v lékařství (ve vyhřívacích podložkách) atd.

Právě díky své vysoké měrné tepelné kapacitě je voda jedním z nejlepších prostředků pro hašení ohně. Při kontaktu s plamenem se okamžitě přemění na páru, která odebírá hořícímu objektu velké množství tepla.

Schopnost materiálů absorbovat a udržovat teplo se nazývá tepelná kapacita. Každý materiál má svou vlastní měrnou tepelnou kapacitu, což je množství tepla, které musí být vynaloženo k ohřátí 1 kg daného materiálu o 1°. Měrnou tepelnou kapacitu lze vypočítat pomocí vzorce c = Q / m(t ₂ – t ₁), měří se v J/kg°C. Měrná tepelná kapacita stejné látky se může měnit v závislosti na jejím skupenství. Měrná tepelná kapacita vody je ve srovnání s jinými látkami poměrně vysoká. Experimentálně jsem to ověřil porovnáním tabulkových hodnot vody s vypočítanými hodnotami tepelné kapacity kamene. Voda má nejvyšší měrnou tepelnou kapacitu mezi kapalinami a pevnými látkami. Proto mají velké vodní plochy velký vliv na klima v okolí. V létě voda ochlazuje vzduch, protože absorbuje velké množství tepla, a v zimě ho ohřívá, protože velké množství tepla uvolňuje. Tuto vlastnost vody lidé hojně využívají:

v systému ohřevu vody v domech;

chlazení součástí a mechanismů.

Během závěrečného projektu jsem se tímto tématem hlouběji zabýval, provedl experimenty a odpověděl na otázku, která mě zajímala z fyzikálního hlediska. Proč v blízkosti moře nejsou tuhé zimy ani velmi horká léta?

6. Literatura

1. Peryshkin A. V. Fyzika. 8. třída: Drofa, 2014

2. Volkov V.A. Plány hodin fyziky: 8. třída. – 3. vydání, přepracované a rozšířené. – M.: VAKO, 2009.

3. Perelman Ya.I. Zábavná fyzika. Domácnost. VAP, 2010.

4. Tarasov L.V. Fyzika v přírodě. M. Osvícení. 2013