Топлина и калориметрия
Топлината винаги тече от по-горещ обект към по-студен, никога обратно, докато и двата достигнат същата температура. Колко енергия отнема това зависи от три неща: колко вещество загряваш, от какво е направено, и колко голяма температурна промяна искаш.
Формулата
Q = m · c · ΔT
- Q — топлинна енергия (J): енергията, прехвърлена в или от обект като топлина
- m — маса (kg): колко от веществото се загрява или охлажда
- c — специфична топлоемност (J/(kg·K)): енергията, нужна за покачване на един килограм материала с един келвин
- ΔT — температурна промяна (K): разликата между крайната и началната температура
Разрешен пример
Колко топлинна енергия е нужна, за да се затопли 2 kg вода с 5 келвина? (специфична топлоемност на водата ≈ 4000 J/(kg·K))
- m = 2 kg
- c = 4000 J/(kg·K)
- ΔT = 5 K
- Q = m · c · ΔT
- Q = 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K
Q = 40,000 J
Провери се
Вместо 2 kg сега имаш 4 kg вода и пак искаш да я повишиш с 5 келвина. Колко топлинна енергия е нужна?
- 40,000 J
- 160,000 J
- Верен отговор: 80,000 J
Вярно! Удвояването на масата удвоява нужната енергия: 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80,000 J.
Обратно към 2 kg вода, но сега искаш да повишиш температурата ѝ с 10 келвина вместо 5. Колко топлинна енергия е нужна?
- Верен отговор: 80,000 J
- 40,000 J
- 20,000 J
Точно — удвояването на температурната промяна удвоява енергията: 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80,000 J.
Къде виждаш това
На същия следобед плажният пясък пари краката ти, докато океанът остава хладен — килограм вода поглъща около 4000 джаула на келвин, няколко пъти повече от нужното на пясъка, така че морето се затопля бавно цял сезон. Метална лъжица в гореща супа показва обратното: ниска специфична топлоемност, бърз температурен замах.
Чести грешки
Най-дълбокото объркване е топлина и температура като едно и също — температурата е колко бързо молекулите се движат средно, топлината е енергия в транзит, а обменният курс между тях е това, което този закон заявява: Q = m · c · ΔT. После следи пропорционалността: удвояването на масата удвоява енергията (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40,000 J става 80,000 J при 4 kg), и същото прави удвояването на температурната промяна. Различните материали реално плащат различни курсове.
Как се свързва
Законът за идеалния газ ти каза как температурата на газ задава налягането му; това е ценоразписът за промяна на температурата изобщо — маса, материал и промяна, умножени. Топлинните машини, следващи, опитват да прогонят този топлинен поток през цикъл и да извлекат работа от него, и те ще се интересуват дълбоко от колко топлина са трябвало да похарчат.