Количество тепла

Давайте проведем такой мысленный эксперимент: поместим два тела с разными температурами в вакуумированную теплоизолированную оболочку (рис. 9.1, а) и предоставим их самим себе.

а б

а – условие Т ₁ >T ₂; б – температуры тел равны Т, причем Т ₁ >T>T ₂

Рисунок 9.1 – Теплоизолированная оболочка

Будем считать, что у нас есть возможность контролировать температуру обоих тел. Результат этого эксперимента очевиден – спустя некоторое время мы обнаружим, что температуры наших тел стали одинаковыми (рис. 9.1, б), причем выполняется неравенство

Т ₁ > T > T ₂,

где Т ₁ и T ₂ – начальные температуры тел (предположим, что температура первого тела выше, чем второго), T – конечная температура.

Давайте объясним результат нашего опыта. Из того факта, что температура первого тела понизилась (Т ₁ > T), следует, что внутренняя энергия этого тела уменьшилась. У второго тела температура, наоборот, возросла, а это значит, что его внутренняя энергия увеличилась. Следовательно, в ходе опыта происходил обмен внутренней энергией между телами. Этот процесс принято называть теплообменом. Процесс теплообмена может происходить как путем межмолекулярных взаимодействий (столкновения молекул) при непосредственном контакте тел, так и посредством изучения, если тела не соприкасаются.

Теперь мы можем сформулировать еще одно определение: количество тепла – это часть внутренней энергии одного тела, переданной другому телу в процессе теплообмена.

Опыты, подобные рассмотренному нами, проводят в специальных устройствах, называемых калориметрами, которые изготавливаются таким образом, чтобы теплообмен с окружающей средой был минимальным. Тщательные измерения, проводимые в таких устройствах, показывают, что для тел, участвующих в теплообмене, количество отданного тепла, в пределах точности измерений, равно количеству полученного тепла. А это значит, что суммарная внутренняя энергия тел, участвующих в теплообмене, не изменяется.

Количество тепла, полученное или отданное телом в процессе теплообмена, рассчитывают по эмпирической формуле

, (9.2)

где т – масса тела, dT – изменение температуры тела. Если dT > 0, то тело получает тепло, в противном случае – отдает. Коэффициент пропорциональности с в формуле (9.2) называется удельной теплоемкостью вещества. Из выражения (9.2) получаем, что

.

Следовательно, удельная теплоемкость – это количество тепла, которое нужно сообщить телу массой 1 кг, чтобы повысить его температуру на 1 градус.

Теплоемкость определяют экспериментально. Она зависит от рода вещества и, как правило, от температуры.