§ 10. Количество теплоты. Единицы количества теплоты

ЧТО ТАКОЕ КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ: МЕРА ИЗМЕНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Внутренняя энергия любого тела не является застывшей величиной: её можно изменить либо совершением механической работы, либо процессом теплопередачи. Когда над телом совершают работу (например, куют металл молотом), мерой изменения энергии служит величина совершённой механической работы $A$. Каким же образом количественно оценить изменение внутренней энергии, когда тела обмениваются теплом без совершения работы?

Для этой цели в физику введено специальное понятие — количество теплоты.

• Количество теплоты — это скалярная физическая величина, представляющая собой количественную меру изменения внутренней энергии, которую тело получает или теряет в процессе теплопередачи.

В формулах количество теплоты обозначается латинской заглавной буквой $Q$.

В физике чрезвычайно важно строго разграничивать понятия «внутренняя энергия» и «количество теплоты». Нельзя сказать, что тело «содержит» или «хранит» в себе определённое количество теплоты. Тело всегда обладает внутренней энергией (суммарной энергией движения и взаимодействия всех своих микрочастиц). Количество теплоты возникает и существует исключительно в процессе передачи энергии от одного тела к другому. Это энергетическая «порция», перешедшая через границу тел во время теплообмена.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ: ДЖОУЛИ И КАЛОРИИ

Поскольку количество теплоты по своей природе является формой передаваемой энергии, его единица совпадает с единицами работы и всех видов энергии.

• Единица в СИ: В Международной системе единиц (СИ) количество теплоты измеряется в джоулях (обозначается Дж).
• Кратные единицы: Поскольку один джоуль представляет собой сравнительно небольшую величину, на практике часто используют более крупные значения:
  • Килоджоуль (кДж): $1 \text{ кДж} = 1000 \text{ Дж} = 10^3 \text{ Дж}$;
  • Мегаджоуль (МДж): $1 \text{ МДж} = 1\,000\,000 \text{ Дж} = 10^6 \text{ Дж}$.
• Внесистемная единица — калория: До создания современной системы единиц теплоту измеряли в калориях (обозначается кал). Исторически одна калория определялась как количество теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма чистой воды на 1 °C. В современной науке установлен точный эквивалент:
  • $1 \text{ кал} \approx 4,19 \text{ Дж}$;
  • $1 \text{ ккал} = 1000 \text{ кал} \approx 4190 \text{ Дж} \approx 4,2 \text{ кДж}$.

ТРИ КЛЮЧЕВЫХ ФАКТОРА: ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ НАГРЕВАНИЕ ТЕЛА

При нагревании любого тела без изменения его агрегатного состояния (без плавления или кипения) количество требуемой теплоты определяется тремя строгими независимыми факторами, подтверждёнными серией физических опытов:

1. Зависимость от массы тела ($m$):
   • Опыт: Возьмём два одинаковых химических стакана. В один нальём 100 граммов чистой воды, а в другой — 200 граммов воды при той же начальной температуре. Поставим оба стакана на одинаковые горелки, пламя которых даёт равное количество тепла в единицу времени. Чтобы нагреть воду в обоих стаканах на одно и то же число градусов (например, на 30 °C), стакан с массой 200 г придётся греть ровно в два раза дольше.
   • Физический вывод: Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, прямо пропорционально его массе ($Q \sim m$). Чем массивнее тело, тем большее число частиц в нём нужно раскачать, и тем больше тепла требуется передать.

1. Зависимость от изменения температуры ($\Delta t = t_2 - t_1$):
   • Опыт: Будем нагревать одинаковую массу воды в двух одинаковых сосудах. В первом сосуде воду нагреем от комнатной температуры 20 °C до 40 °C (изменение температуры составляет 20 °C), а во втором сосуде ту же воду нагреем от 20 °C до 60 °C (изменение составляет 40 °C). Измерения показывают, что второму сосуду требуется в два раза больше времени и энергии сгорания топлива.
   • Физический вывод: Количество теплоты прямо пропорционально разности конечной и начальной температур тела ($Q \sim \Delta t$).

1. Зависимость от рода вещества:
   • Опыт: Нальём в один стакан 200 граммов воды, а в другой стакан — 200 граммов подсолнечного (растительного) масла. Начальные температуры обеих жидкостей одинаковы. Поместим стаканы на одинаковые горелки. Уже через несколько минут термометр покажет, что масло нагрелось до значительно более высокой температуры, чем вода! Чтобы довести температуру воды до температуры масла, воде потребуется сообщить дополнительное количество тепла.
   • Физический вывод: Тела одинаковой массы при нагревании на одинаковое число градусов требуют разного количества теплоты в зависимости от того, из какого вещества они состоят.

ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ

Процессы теплообмена подчиняются закону сохранения энергии и обладают идеальной физической симметрией. Когда нагретое тело остывает, оно отдаёт в окружающую среду запасённую внутреннюю энергию.

Многочисленные прецизионные опыты показывают: при охлаждении тело выделяет в точности такое же количество теплоты, какое было поглощено им при нагревании на такое же число градусов.

Количество теплоты, выделяющееся при остывании, зависит от тех же трёх фундаментальных параметров:

• Оно тем больше, чем больше масса остывающего тела ($m$);
• Оно тем больше, чем сильнее понижается его температура ($\Delta t$);
• Оно зависит от рода вещества, из которого изготовлено тело.

Именно поэтому массивная кирпичная печь или водяная система отопления долго согревают помещение после выключения нагрева: обладая большой массой и высокой способностью удерживать тепло, они постепенно отдают колоссальное количество теплоты остывающему воздуху.