Cele:

Dowiesz się od czego zależy ilość popranego przez ciało ciepła oraz czym jest ciepło właściwe.

Poznasz jednostkę ciepła właściwego.

 

 

Codziennie mamy do czynienia z podgrzewaniem różnych potraw lub gotowaniem wody na herbatę.

Z punktu widzenia fizyki, wiemy już, że w tych procesach zwiększamy energię wewnętrzną potrawy lub wody, a wraz ze wzrostem energii rośnie też ich temperatura.

 Czy do zwiększenia temperatury danej substancji o określoną wartość zużywamy zawsze tą samą ilość energii? Rozważmy od czego to tak naprawdę zależy?

 

Podczas ogrzewania substancji (np. wody) da się zauważyć, że:

1) Przyrost temperatury ΔT jest wprostproporcjonalny do ilości pobranego przez nią ciepła Q

(przyrost temperatury 1kg wody o 2ºC powoduje dwa razy większy pobór ciepła, niż przyrost o 1ºC)

ΔT ~ Q

2) Ilość pobranego ciepła Q jest wprostpoporcjonalna do masy substancji m

(do ogrzania 2 kg wody potrzeba dwa razy więcej ciepła, niż do ogrzania 1kg wody)

Q ~ m

3) Ilość pobranego ciepła Q zależy od rodzaju substancji .

(1kg wody przy ogrzaniu o 1ºC  pobierze inną ilość ciepła, niż np. 1kg oleju ogrzany o 1ºC )

Tę własność danej substancji nazywamy jej ciepłem właściwym i oznaczamy c

 

Łącząc powyższe fakty ciepło pobrane Q przez substancję można obliczyć na podstawie wzoru:

Jednostką ciepła jest dżul [1J]

 

Przy czym ciepło właściwe c określa ile energii trzeba dostarczyć do 1kg danej substancji,

aby zwiększyć jej temperaturę o 1K (lub 1 ºC ) i jest ono parametrem stałym dla danej substancji

 

Parametr ten wyznacza się doświadczalnie dla różnych substancji

Można go obliczyć przekształcając powyższy wzór do następującego:

Jednostką ciepła właściwego c jest dżul na (kilogram razy Kelwin)    

 

Ciepło właściwe wybranych substancji

Niskie ciepło właściwe oznacza małą zdolność do magazynowania energii przez substancję

 

Przykład: 1kg wody ogrzany o 1ºC pochłonie 4190 J energii (ciepła) , a 1kg ołowiu tylko 130 J

4190J : 130 J ≈ 32

czyli tą samą ilością ciepła można ogrzać albo 1 kg wody o 1ºC, albo 1 kg ołowiu o 32ºC

Duża wartość ciepła właściwego wody powoduje, że woda wolno się ogrzewa i wolno stygnie (magazynuje w sobie dużo energii). Fakt ten ma wielkie znaczenie dla stabilności klimatu terenów położonych w pobliżu dużych zbiorników wodnych, prawidłowego funkcjonowania organizmów żywych i nie tylko.

 

Wyznaczanie ciepła właściwego wody za pomocą czajnika o znanej mocy

 

W wyznaczaniu ciepła właściwego wody zakładamy, że cała energia elektryczna zasilająca czajnik zostaje przekazana do ogrzania wody (co w tym przypadku nie jest możliwe).

Energię tą można obliczyć mnożąc moc czajnika P [W] przez czas jego pracy t [s]

Moc odczytana przez uczniów wykonujących doświadczenie (filmik) jest błędna - tabliczka znamionowa wskazywała zakres mocy od 1850 W - 2200 W - najbezpieczniej wziąć wartość środkową (2025 W)

[dlatego właśnie wybrałem dla Ciebie ten filmik, aby Cię ustrzec przed podobnymi błędami]

Dane pomiarowe z filmu:

masa wody (1 litr)  m = 1kg

czas ogrzewania  t = 42,84 s

moc czajnika (około)  P ≈ 2025 W     [nie 1850 W, jak jest w filmie]

wzrost temperatury wody od  60 ºC  do 80 ºC, czyli   ΔT = 20 ºC

Obliczamy ciepło właściwe c wody:

przy czym ciepło pobrane przez wodę równe jest zużytej energii elektrycznej (założenie) Q = P · t

po podstawieniu wszystkich danych do wzoru otrzymujemy

c ≈ 4338  J/(kg ·ºC)

Uzyskany wynik nie wiele odbiega od rzeczywistego  c ≈ 4190  J/(kg ·ºC)

 Zawyżony wynik może wynikć z tego, że część ciepła ucieka do otoczenia, przyjmujemy średnią moc znamionową czajnika, zaniedbujemy straty w układzie elektrycznym czajnika,  dokonujemy pomiaru temperatury, czasu i objętości wody, które mogą być obarczone niewielkim błędem pomiarowym oraz doświadczenie mogło być przeprowadzone w warunkach odbiegających od warunków standardowych.

Więc uzyskany wynik jest naprawdę satysfakcjonujący.

 

 

Życzę miłej pracy.