Теплота является одной из фундаментальных физических величин. Она характеризует количество тепловой энергии, которую тело получает или отдает при теплопередаче. Для того, чтобы измерять теплоту, используются различные единицы измерения.
Основные единицы измерения теплоты
В системе СИ (международной системе единиц) единицей измерения теплоты является джоуль (Дж). Джоуль используется для измерения любых форм энергии и работы. Определение джоуля основано на основных физических константах.
Также применяются кратные джоулю единицы:
- килоджоуль (кДж) равен 1000 джоулям;
- мегаджоуль (МДж) равен 1000000 джоулям;
- гигаджоуль (ГДж) равен 1000000000 джоулям.
Эти единицы удобно использовать при измерении больших значений теплоты.
Калория как единица теплоты
1 калория - это количество теплоты, необходимое для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия. Калория была введена до принятия системы СИ и сейчас является внесистемной единицей измерения теплоты.
Также используются кратные калории единицы:
- килокалория (ккал), равная 1000 калориям;
- мегакалория (Мкал), равная 1000000 калориям;
- гигакалория (Гкал), равная 1000000000 калориям.
Калория и ее кратные единицы все еще применяются в некоторых областях, например в пищевой промышленности для указания энергетической ценности продуктов.
Соотношение между джоулем и калорией
Для перевода значений теплоты из джоулей в калории и наоборот используется следующее соотношение: килоджоули в килокалории - один джоуль равен 0,2390057 килокалории. Или 1 килокалория составляет 4,184 килоджоуля.
| 1 Дж | = 0,2390057 ккал |
| 1 ккал | = 4,184 кДж |
Также справедливы соотношения:
- 1 калория = 4,184 джоуля
- 1 МДж = 238,846 ккал
- 1 Мкал = 4184 кДж
- 1 Гкал = 4,184·109 Дж
Зная эти соотношения можно легко перевести значение теплоты из одних единиц в другие.
В чем измеряется теплота в физике
Итак, в физике единица теплоты в системе СИ - это джоуль. Теплоту также можно измерять в калориях, если требуется сопоставить значения с какими-либо старыми данными или в областях, где калория все еще используется (например, пищевая промышленность).
Кратные единицы как джоулю, так и калории позволяют удобно работать с большими значениями теплоты. Перевод между единицами осуществляется по известным соотношениям.
Применение джоуля в термодинамике
Джоуль является одной из ключевых единиц в термодинамике - разделе физики, который изучает превращения энергии в тепловую и обратно. Большинство термодинамических процессов сопровождаются либо выделением, либо поглощением теплоты, которая измеряется в джоулях.
Например, согласно первому началу термодинамики, изменение внутренней энергии термодинамической системы равно сумме подведенной к ней теплоты и совершенной системой работы. Теплота в этом уравнении также выражается в джоулях.
Теплоемкость и ее единицы
Важной характеристикой при исследовании тепловых процессов является теплоемкость. Она показывает, какое количество теплоты необходимо передать телу определенной массы для изменения его температуры на 1 градус.
Теплоемкость может быть выражена двумя способами:
- Удельная теплоемкость (Дж/(кг·°C)) - теплота, необходимая для нагрева единицы массы вещества на 1 °C.
- Абсолютная теплоемкость (Дж/°C) - теплота, необходимая для нагрева всего тела на 1 °C.
Как видно из определений, в обоих случаях теплоемкость выражается в джоулях на градус.
Калориметрия и калория
Для экспериментального определения количества теплоты, поглощаемого или выделяемого телами, используется метод калориметрии. Он основан на точном измерении изменения температуры тела с известной теплоемкостью.
Хотя измерения в калориметрии проводят в джоулях, сам метод получил название от старой единицы тепла - калории. Одна из причин в том, что исторически калория использовалась при исследовании тепловых процессов.
Теплота химических реакций
Помимо физических процессов, тепловой эффект наблюдается и при химических реакциях. Количество теплоты, которое может быть получено или выделено при протекании химической реакции, называется тепловым эффектом реакции.
Тепловой эффект реакции также выражается в джоулях или калориях. Эта величина важна, например, при подборе химических источников энергии.
Теплофизические свойства веществ
При исследовании процессов теплопередачи большое значение имеют теплофизические свойства веществ. К ним относятся:
- Теплопроводность - характеризует способность вещества проводить тепло.
- Температуропроводность - показывает скорость выравнивания температуры в теле при теплопередаче.
- Теплоемкость - количество теплоты, необходимое для нагрева тела на 1 градус.
Эти свойства численно выражаются в единицах системы СИ. Например, теплопроводность измеряется в Вт/(м·К), теплоемкость - в Дж/(кг·К) или Дж/К.
Тепловые машины
Устройства, которые преобразуют теплоту в механическую работу, называются тепловыми машинами. К ним относятся паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания, холодильные установки.
Для оценки эффективности тепловых машин используется понятие КПД. Он определяется как отношение полезно использованной энергии к подведенной теплоте. КПД выражается в процентах или в виде десятичной дроби.
Теплота сгорания топлива
При сжигании различных видов топлива (уголь, нефть, газ, биотопливо) выделяется теплота, которая используется для выработки электроэнергии, отопления, приготовления пищи.
Количество теплоты, получаемое при полном сгорании единицы массы или объема топлива, называется теплотой сгорания. Эта важная характеристика топлив измеряется в джоулях/кг или джоулях/м3.
Альтернативные единицы теплоты
Несмотря на использование в науке джоуля, в бытовой жизни люди порой оперируют альтернативными, не входящими в СИ единицами измерения теплоты.
Например, в Европе распространено использование киловатт-часа (кВт·ч) как меры электрической энергии и теплоты. В России в сфере ЖКХ применяют гигакалорию (Гкал) для учета тепла.
