Теплота - одно из фундаментальных понятий физики, имеющее важнейшее практическое значение. От количества получаемой или отдаваемой телом теплоты зависят многие процессы в природе и технике. Давайте разберемся, как именно зависит количество теплоты от характеристик нагреваемого тела.
Определение количества теплоты
Под количеством теплоты понимают энергию, которая передается от одного тела к другому при их тепловом взаимодействии. Это то количество энергии, которое получает одно тело и теряет другое. Количество теплоты обозначается буквой Q и выражается в джоулях (Дж).
Экспериментально установлено, что Q зависит от трех основных характеристик:
- массы тела m
- изменения его температуры ∆t
- рода вещества, из которого состоит тело
Рассмотрим подробнее, как именно количество теплоты Q зависит от массы нагреваемого тела.
Зависимость количества теплоты от массы тела
Проведем простой опыт. Возьмем два одинаковых стакана и нальем в них воду, но разной массы: в один стакан 100 г, а в другой 200 г. Исходная температура воды одинаковая. Поместим оба стакана на одинаковые горелки и будем нагревать в течение одного и того же времени, например 5 минут.
По прошествии этого времени замерим температуру воды в каждом стакане при помощи термометров. Окажется, что в стакане с большей массой воды ее температура поднялась меньше. Это происходит потому, что для нагрева большего количества вещества требуется большее количество теплоты как зависит количество теплоты от массы тела.
Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты нужно сообщить этому телу для нагрева на то же самое число градусов.
Аналогично, чем больше масса тела, тем больше теплоты отдаст это тело при охлаждении как зависит количество теплоты от массы тела.
Экспериментальное подтверждение
Опишем еще несколько опытов, подтверждающих зависимость количества теплоты от массы тела.
-
Возьмем два кусочка железа разной массы и будем нагревать их одинаковое время. Железо большей массы нагреется меньше, следовательно, ему было передано меньшее количество теплоты как зависит количество теплоты от массы тела.
-
Сравним нагрев двух сосудов с водой - чайника и кастрюли. При одинаковом источнике нагрева чайник закипит быстрее, так как имеет меньшую массу. Значит, меньшей массе тела требуется меньше теплоты для нагрева.
Таким образом, многочисленные опыты наглядно демонстрируют прямую пропорциональную зависимость количества теплоты от массы нагреваемого тела.
| Q ~ m | - количество теплоты пропорционально массе тела |
Это важнейшее свойство тепловых процессов, которое нужно учитывать как в физических расчетах, так и в повседневной жизни.
Применение на практике
Рассмотрим применение знаний о зависимости количества теплоты от массы в быту.
Сравнение остывания утюга и батареи
Представим ситуацию: утюг имеет температуру 80°С, а батарея отопления - 40°С. Какое тело отдаст большее количество теплоты при остывании до комнатной температуры 20°С? Исходя из опытов, мы знаем, что это будет зависеть от массы тел. Утюг имеет массу порядка 1 кг, а масса воды в батарее - около 10-20 кг.
Несмотря на более высокую начальную температуру, утюг отдаст значительно меньше теплоты, чем массивная батарея. Так как масса последней намного больше как зависит количество теплоты от массы тела.
Выбор посуды для нагревания жидкостей
При выборе посуды для разогрева или кипячения жидкости лучше отдать предпочтение емкости с меньшей массой. Например, чай лучше заваривать в чайнике, чем в тяжелой кастрюле. Хотя объем жидкости может быть одинаков, но благодаря меньшей массе чайник быстрее нагреется и закипит.
Теплопроводность материалов
На скорость нагревания тела влияет не только его масса, но и материал, из которого оно изготовлено. Это связано с разной теплопроводностью материалов.
Металлы и неметаллы
Металлы, как правило, обладают высокой теплопроводностью и быстро нагреваются. А вот неметаллические материалы, такие как дерево, стекло, керамика, нагреваются значительно медленнее при прочих равных условиях.
Рекомендации по выбору кухонной посуды
На кухне лучше использовать металлическую посуду, особенно для быстрого разогрева жидкостей. Кастрюли и сковородки из нержавейки или алюминия быстрее нагреются на плите и равномернее передадут тепло продуктам.
А вот для длительного томления блюд лучше брать керамическую, фарфоровую или глиняную посуду. Они долго и равномерно будут поддерживать температуру готовящейся пищи.
