теплоємність тіла або системи - це коефіцієнт, який виникає між тепловою енергією, що передається цьому тілу, і зміною температури, яку воно відчуває в цьому процесі. Іншим більш точним визначенням є те, що воно стосується того, скільки тепла необхідно передавати тілу чи системі, щоб його температура зросла на один градус за Кельвіном.
Постійно трапляється так, що найгарячіші тіла віддають тепло холодним тілам у процесі, який триває до тих пір, поки між різними температурами контактують різні температури. Тоді тепло - це енергія, яка передається від однієї системи до іншої простим фактом, що між ними існує різниця температур.
За домовленістю, позитивне тепло (Q) визначається як те, що поглинається системою, і як негативне тепло, яке передається системою.
З вищесказаного випливає, що не всі предмети поглинають і утримують тепло з однаковою легкістю; таким чином певні матеріали нагріваються легше, ніж інші.
Слід враховувати, що, зрештою, теплоємність тіла залежить від його природи та складу.
Формули, одиниці виміру та міри
Теплоємність можна визначити, виходячи з наступного виразу:
SЯкщо зміна температури досить мала, попередній вираз можна спростити і замінити таким:
Отже, одиницею виміру теплової потужності в міжнародній системі є Джоуль на кельвін (Дж/К).
Теплоємність можна виміряти при постійному тиску Cp або постійному обсязі Cv.
Питома теплоємність
Часто теплоємність системи залежить від кількості речовини або маси. У цьому випадку, коли система складається з однієї речовини з однорідними характеристиками, потрібна питома теплоємність, яка також називається питомою теплоємністю (c).
Отже, питома маса тепла - це кількість тепла, яке повинно подаватися на одиницю маси речовини, щоб підвищити її температуру на один градус кельвіна, і може бути визначено, починаючи з наступного виразу:
У цьому рівнянні m - маса речовини. Отже, одиницею виміру питомої теплоти в цьому випадку є Джоуль на кілограм на кельвін (Дж/кг К), або також Джоуль на грам на Кельвін (Дж/г К).
Подібним чином, молярна питома теплота - це кількість тепла, яке повинно надходити на моль речовини, щоб температура його зросла на один градус кельвіна. І це можна визначити з наступного виразу:
У цьому виразі n - кількість молей речовини. Це означає, що одиницею виміру питомої теплоти в цьому випадку є Джоуль на моль на кельвін (Дж/моль К).
Питома теплоємність води
Питомі нагрівання багатьох речовин розраховані і легко доступні в таблицях. Величина питомої теплоти води в рідкому стані становить 1000 калорій/кг К = 4186 Дж/кг К. Навпаки, питома теплота води в газоподібному стані становить 2080 Дж/кг К, а в твердому стані 2050 Дж/кг К.
Теплопередача
Таким чином і враховуючи, що конкретні значення переважної більшості речовин вже розраховані, можна визначити тепловіддачу між двома тілами або системами з такими виразами:
Або якщо використовується молярне питоме тепло:
Слід врахувати, що ці вирази дозволяють визначати теплові потоки до тих пір, поки не відбудеться зміна стану.
У процесах зміни стану ми говоримо про приховану теплоту (L), яка визначається як енергія, необхідна певній кількості речовини для зміни фази або стану, або від твердого до рідкого (теплота плавлення, Lf), або від рідкого до газоподібного (тепло випаровування, Lv).
Слід брати до уваги, що така енергія у вигляді тепла повністю витрачається при фазовій зміні і не змінює змін температури. У таких випадках вирази для обчислення теплового потоку в процесі випаровування є такими:
Якщо використовується молярна питома теплоємність: Q = Lv n
У процесі плавлення: Q = Lf m
Якщо використовується молярна питома теплоємність: Q = Lf n
Загалом, як і при питомій теплоти, прихована теплота більшості речовин вже розрахована і легко доступна в таблицях. Так, наприклад, у випадку з водою потрібно:
Lf = 334 кДж/кг (79,7 кал/г) при 0 ° C; Lv = 2257 кДж/кг (539,4 кал/г) при 100 ° C.
Приклад
У випадку води, якщо 1 кг маси замороженої води (льоду) нагріти від температури -25 ºC до температури 125 ºC (водяної пари), тепло, спожите в процесі, буде розраховане наступним чином:
Етап 1
Лід від -25 ºC до 0 ºC.
Q = c m ΔT = 2050 1 25 = 51250 Дж
2 етап
Зміна стану з льоду на рідку воду.
Q = Lf m = 334000 1 = 334000 Дж
3 етап
Рідка вода від 0 ºC до 100 ºC.
Q = c m ΔT = 4186 1100 = 418600 Дж
4 етап
Зміна стану з рідкої води на водяну пару.
Q = Lv m = 2257000 1 = 2257000 Дж
5 етап
Водяна пара від 100 ° C до 125 ° C.
Q = c m ΔT = 2080 1 25 = 52000 Дж
Таким чином, загальний тепловий потік у процесі є сумою потоку, що виробляється на кожній з п’яти стадій, і дає 31112850 Дж.