Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

1.8: Тепло та його вимірювання

  • Page ID
    25446
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Тепло

    Тепло - це енергія, що передається термодинамічній системі та від неї механізмом, відмінним від роботи або передачі речовини.

    Енергія існує в різних формах, але енергія перетворюється з однієї форми в іншу через роботу або тепло. У хімічних реакціях значна частина передачі енергії відбувається через тепло. Зелене листя у рослин затримують енергію від світла і зберігають її як хімічну енергію у вигляді глюкози, синтезованої з води і вуглекислого газу, як показано на рис. 1.8.1.

    Передача енергії від сонячного світла до хімічної енергії.
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Фотосинтез затримує світлову енергію і зберігає її як хімічну енергію. Джерело: https://www.hiclipart.com/free-trans...gzitr/download

    Зворотний процес відбувається, коли ми вживаємо їжу, тобто харчові речовини перетворюються в вуглекислий газ, воду та енергію, як показано на рис. 1.8.2. Деяка енергія використовується для підтримки температури нашого тіла на середньому рівні. Інша порція використовується для приводу хімічних реакцій, які споживають енергію і синтезують необхідні нам речовини.

    Метаболізм -перетворення хімічної енергії в їжу в тепло і роботу
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Основний огляд енергії та життя людини. Джерело: Мікаель Хеггстрем/Громадське надбання

    Температура тіла

    Людське тіло постійно втрачає енергію як тепло навколишньому середовищу. Тепло, що виділяється екзотермічними реакціями в процесі перетравлення їжі, постачає тепло, необхідне для підтримки температури тіла на середньому рівні. Температура тіла людини змінюється в невеликому діапазоні, як показано на рис.1.8.3. Гіпотермія становить 37,5 <35.0 °C (95.0 °F), normal body temperate is 36.5—37.5 °C (97.7—99.5 °F), fever and hyperthermia is > або 38,3° C (99,5 або 100,9° F), гіперпірексія становить> 40,0 або 41,0° C (104,0 або 105,8° F).

    Температура тіла людини
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): Варіація в організмі людини помірний. Джерело: Фокстрот620/CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

    Вимірювання тепла

    Температура - це прояв теплової енергії об'єкта, але температура і енергія не однакові. Температура - це міра гарячості або холоду, і вона інтенсивна, а енергія - це велике фізичне властивість матерії. Наприклад, 1 г води має деяку енергію, але 2 г води при тій же температурі мають в два рази більше енергії.

    Питома теплоємність

    Калорійність (c або cal) - це не-SI одиниця тепла, роботи та енергії.

    Калорійність (c або cal)

    Енергія, необхідна для підвищення температури 1 г води на 1 о С, становить 1 калорію.

    Тепло, необхідне для підвищення температури 2 г води на 1 о С, становить 2 калорії, а для підвищення температури 2 г води на 2 о С - 4 калорії. Тобто теплова енергія (q) прямо пропорційна як масі (м), так і зміні температури (ΔT) об'єкта:

    \ begin {рівняння}
    q\ propto m\ дельта T\ nonumber
    \ end {рівняння}

    Введення константи пропорційності, тобто питома теплоємність (С) змінює пропорційність рівності, яка відома як рівняння теплоти:

    \ begin {рівняння}
    q=c_ {s} м\ дельта T\ nonumber
    \ end {рівняння}

    , Де C s - питома теплоємність.

    Питома теплоємність речовини

    Теплова енергія, необхідна для підвищення температури 1 г речовини на 1 о С (або 1К) - це питома теплота речовини.

    Математичною формою визначення питомої теплоти є:

    \ begin {рівняння}
    C_ {S} =\ frac {q} {m\ Delta T}\ nonumber
    \ end {рівняння}

    Одиницями питомої теплоти є\(\frac{c a l}{g .^{\circ} \mathrm{C}}\), де кал - це не-SI одиниця енергії. Одиницею енергії СІ є джоуль (Дж). Нижче наведено точний зв'язок між калорією та джоулем:

    \ begin {рівняння}
    1\ mathrm {~cal} =4.184\ mathrm {~J}\ текст {(точний)}\ nonumber
    \ end {рівняння}

    Отже, питома теплоємність (С) в одиницях СІ становить:\(\frac{J}{g \cdot^{o} C}\)

    Енергетична одиниця в харчуванні і їжі - харчова калорія або калорія (С), яка пишеться з великої літери С, і вона дорівнює 1000 кал, т. Е.

    \ begin {рівняння}
    \ математика {C} =1000\ матрм {~кал} =1\ математика {~ккал} =4184\ математика {~J}\ число
    \ кінець {рівняння}

    , де велика літера С - харчова калорія.

    Питома теплоємність - характерна фізична властивість матеріалу. Вона змінюється, оскільки енергії коливальних рухів зв'язків та інших рухів, що сприяють змісту теплової енергії, відрізняються від матеріалу до матеріалу. У таблиці 1 перераховані питомі теплоти деяких звичних матеріалів.

    Вода має більш високу питому теплоту, ніж інші матеріали, тобто вона поглинає або виділяє більше тепла для тієї ж зміни температури. Зміна температури навколишнього середовища залишається помірною в прибережних районах, оскільки зміна температури води менше для тієї ж кількості енергії, що поглинається або виділяється. Зверніть увагу, що питома теплоємність рідкої води відрізняється від твердої води (льоду) і газоподібної води (пара).

    Таблиця 1: Питома теплоємність деяких поширених речовин

    Речовина

    Питома теплоємність (\(\frac{J}{g \cdot^{o} C}\))

    Аль

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    0.902

    C (графіт)

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    0,720

    Fe

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    0,451

    Cu

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    0,385

    Au

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    0.128

    NH 3 (аміак)

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    4.70

    Н 2 О (рідина)

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    4.184

    Н 2 О (лід)

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    2.06

    Н 2 О (пар)

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    2.00

    C 2 H 5 ОН (л) (етанол)

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    2.46

    (СН 2 ОН) 2 (л) (етиленгліколь, антифриз)

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    2.42

    CcL 4 (чотирихлористий вуглець)

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    0,861

    Деревина

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    1.76

    Бетон

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    0,88

    Скло

    \ (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\))» валігн="верхня» ширина ="93" клас = «lt-chem-372555">

    0,84

    Розрахунки з використанням питомої тепло

    Питомі значення теплоти використовуються в рівнянні теплоти (\(q=C_{s} m \Delta T\)) для розрахунку зміни температури для заданої кількості тепла або теплової енергії, необхідної для заданої зміни температури матеріалу. Зазвичай використовується калориметр кавової чашки, показаний на рис. 1.8.4. Складається з кавової чашки з кришкою. У ньому міститься вода, в яку занурений гарячий або холодний предмет, або проводиться хімічна реакція для теплообміну з водою. Для розмішування води використовується дротяна петля. Термометр фіксує зміну температури води. Теплота, що поглинається або виділяється водою, розраховується за даними маси, питомої теплоти та зміни температури води.

    clipboard_e796c0efb520fad9638426a1b159dd220.png
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): Фото набору калориметра кавової чашки. Джерело: Консорціум спільноти коледжу для біонауки/CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)

    Приклад\(\PageIndex{1}\)

    Занурення гарячого предмета в 50,0 г води в калориметр кавової чашки збільшило температуру води з 22,0 o С до 28,8 о С. Скільки тепла набирається або втрачається водою?

    Рішення

    Дано: m = 50,0 г води, C s = 4,184 (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\), ΔT = T f — T i = 28,8 o C — 22,0 o C = 6,8 o C, Бажане: тепло, отримане або втрачене водою, тобто q води =?

    Розрахунки:

    \ begin {рівняння}
    \ математика {q} _ {\ текст {вода}} =\ математика {C} _ {\ mathrm {s}}\ математика {m}\ Дельта\ математика {T} =4.184\ frac {\ mathrm {M}} {\ mathrm {g} {} ^ {\ circ}\ mathrm {C}\ раз 50.0\ матрм {~g}\ раз 6.8^ {\ circ}\ математика {C} =+1400\ математика {~J}\ число
    \ кінець {рівняння}

    Знак +ve повідомляє, що вода набрала 1400 Дж тепла.

    Приклад\(\PageIndex{2}\)

    Аміачна селітра (NH 4 NO 3) використовується як холодний пакет в лікарнях для зниження температури цільової ділянки шкіри. Коли 3,21 г NH 4 NO 3 розчиняється в 50,0 г води в калориметрі кавовій чашці при 25,0 о С, температура знижується до 20,4 о С. Яка кількість тепла, поглиненого або виділяється водою?

    Рішення

    Дано: м розчину = 50.0г Н 2 О + 3,21 г NH 3 NO 3 = 53,2 г, C s = 4,184 (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\), ΔT = T f - T i = 20.4 o C - 25,0 o C = -4,6 o C, Бажане: тепло, отримане або втрачене рішення, тобто q рішення =?

    Розрахунки:

    \ begin {рівняння}
    \ математика {q} _ {\ текст {рішення}} =\ математика {C} _ {\ математика {s}}\ математика {m}\ Дельта\ математика {T} =4.184\ фрак {\ математика {N}} {g^ {\ circ}\ математика {C}\ час 53.2\ математика {~g}\ раз\ ліворуч (-4.6^ {\ circ}\ mathrm {C}\ праворуч) =-1,0\ раз 10^ {3}\ mathrm {~J}\ number
    \ end {рівняння}

    Знак —ve повідомляє, що вода втратила тепло

    Примітка

    У задачах, пов'язаних з нагріванням розчину, маса розчину включає масу води і розчинену речовину. Передбачається, що питома теплоємність і щільність розведеного розчину такі ж, як у чистої води.

    Приклад\(\PageIndex{3}\)

    Хлорид кальцію (CaCl 2) використовується як гаряча упаковка, тобто для підвищення температури цільового ділянки шкіри. Коли CaCl 2 розчиняється у воді, тепло виділяється процесом і поглинається навколишньою водою, підвищуючи температуру води.

    Коли 5,00 г CaCl 2 розчиняється в 50,0 г води при 23 о С в калориметрі кавової чашки, температура підвищується до 39,2 o С. Яка кількість тепла, поглиненого або виділяється водою?

    Рішення

    Дано: м розчину = 50.0г Н 2 О + 5,00 г CaCl 2 = 55,0 г, C s = 4,184 (\ frac {J} {g\ cdot^ {o} C}\), ΔT = T f — T i =39,2 o C - 23,0 o C = 16,2 o C, Бажане: тепло, отримане або втрачене розчином, тобто q рішення =?

    Розрахунки:

    \ begin {рівняння}
    \ математика {q} _ {\ текст {рішення}} =\ математика {C} _ {\ математика {s}}\ математика {m}\ Дельта\ математика {T} =4.184\ frac {\ mathrm {J}} {g. ^ {\ circ}\ математика {C}}\ раз 55,0\ матрм {~g}\ раз\ ліворуч (16.2^ {\ circ}\ mathrm {C}\ праворуч) =3,7\ раз 10^ {3}\ mathrm {~J}\ nonumber
    \ кінець {рівняння}

    Знак+ве говорить про те, що вода отримала тепло.

    Енергія, що виділяється з продуктів харчування

    Продукти харчування та викопне паливо - це вуглецеві та водневі сполуки, а також можуть містити деякі інші елементи, такі як кисень, азот, фосфор та сірка. Паливо використовується в реакціях згоряння для виділення тепла для різних цілей. Ті ж реакції горіння відбуваються в живих системах в кілька етапів, щоб отримати енергію з продуктів харчування. Наприклад, хімічне рівняння згоряння глюкози таке:

    \[\ce{C6H12O6 (s) + 6O2 (g) -> 6CO2 (g) + 6H2O (l)}\quad\Delta \mathrm{H}^{\circ}=-2803 \mathrm{~kJ}\nonumber\]

    , Де ΔH o - ентальпія реакції, тобто теплота, що виділяється або поглинається в умовах постійного тиску. Ця реакція виділяє 2803 кДж енергії у вигляді тепла на моль глюкози. Знак —ve ΔH o говорить про те, що реакція вивільняє енергію, тобто реакція екзотермічна. Така ж кількість енергії виділяється при перетравленні глюкози і перетворенні в одні й ті ж продукти в живій системі при однакових умовах.

    Вимірювання енергії, що виділяється з їжі

    Тепло, що виділяється при згорянні речовини, вимірюється за допомогою калориметра бомби, проілюстрованого на рис. 1.8.5. Речовина поміщається в певну клітинку, оточену надлишком кисню. Електрична іскра запалює речовину, а виділяється тепло викликає підвищення температури води та інших матеріалів в лічильнику. Теплоємність (С сп), тобто добуток середньої питомої теплоти і маси лічильника і компонентів води, перед експериментом калібрується. Тепло, що виділяється від заданої кількості речовини, розраховується з теплоємності і виміряного помірного збільшення.

    калориметр бомби
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Бомбовий калориметр. Джерело: Lisdavid89, CC BY-SA 3.0, через Вікісховище < https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0 >

    Значення палива

    Теплота згоряння на г їжі називається паливною цінністю їжі

    Глюкоза - один з вуглеводів. Вуглеводи - це харчові компоненти, які є сполуками вуглецю, водню та кисню, в яких співвідношення водню до кисню становить 2-до-1. Середня паливна величина вуглеводів - 17 кДж/г.

    Другий великий клас їжі - жир. Наприклад, хімічне рівняння тристеарину C 57 H 110 O 6, який є жиром, становить:

    \[\ce{2C57H110O6 (s) + 16O2 (g) -> 114CO2 (g) + 110H2O (l)}\quad\Delta \mathrm{H}^{\circ}=-71609 \mathrm{~kJ}\nonumber\]

    Знак —ve з енергетичною цінністю говорить про вивільнення енергії, або реакція екзотермічна. Середня паливна цінність жирів - 38 кДж/г.

    Третій первинний вид їжі - білок. Білок в основному використовується як будівельний матеріал в живих системах, але він також використовується як джерело енергії. Середня паливна цінність білка становить 17 кДж/г.

    Середні значення палива трьох основних харчових компонентів наведені в таблиці 2. Ці значення використовуються для розрахунку вартості палива порцій їжі, як пояснюється в наступних прикладах.

    Таблиця 2: Середня паливна цінність харчових компонентів

    Харчування

    Значення палива кДж/г

    Вуглеводи

    17

    Білки

    17

    Жири

    38

    Приклад\(\PageIndex{1}\)

    Розрахуйте енергію, що виділяється з однієї чашки апельсинового соку, який містить 26 г вуглеводів, без жиру і 2 г білка.

    Рішення

    Вуглеводи:\(26 \mathrm{~g} \times 17 \mathrm{~kJ} / \mathrm{g}=442 \mathrm{~kJ}\)
    Білок:\(\quad\ 2 \mathrm{~g} \times 17 \mathrm{~kJ} / \mathrm{g}=34 \mathrm{~kJ}\)
    Загальна енергія, що виділяється\(\quad\quad=476 \mathrm{~kJ}\)

    Енергетична цінність в кДж може бути перетворена в харчові калорії (С) за допомогою коефіцієнта перетворення, заснованого на наступних співвідношеннях.

    \ begin {рівняння}
    \ текст {Харчова калорія C} =1000\ mathrm {~cal} =1\ mathrm {~ккал} =4184\ mathrm {~J}\ number
    \ end {рівняння}