Temperatura, ciepło i ciepło właściwe

Potrzebne wiadomości: Energia, masa, moc i różnica temperatur.

Ciepło nie jest temperaturą

Temperatura jest wielkością opisującą stan cieplny ciała. Ciepłem nazywamy energię przekazywaną między układami wskutek różnicy temperatur. Ciało ma energię wewnętrzną; określenie „zawiera ciepło” jest w tym znaczeniu nieprecyzyjne. Nie każda zmiana energii wewnętrznej musi też być wywołana przekazywaniem ciepła — może ją spowodować wykonanie pracy.

W prostym opisie ogrzewania cieczy lub ciała stałego, bez przemiany fazowej i przy pomijalnej pracy mechanicznej, korzystamy z zależności:

Q=mc\Delta T,\qquad \Delta T=T_k-T_p.

Q jest energią przekazaną jako ciepło, m — masą, c — ciepłem właściwym, a ΔT — zmianą temperatury. Przyjmujemy, że c nie zmienia się istotnie w badanym zakresie temperatur. Jednostką c jest J/(kg·K). Pojemność cieplna całego ciała wynosi C = mc i ma jednostkę J/K. Nie należy tych dwóch wielkości utożsamiać.

Kelwiny i stopnie Celsjusza

Temperatura w kelwinach jest większa liczbowo o 273,15 od temperatury w stopniach Celsjusza. Natomiast przyrost o 1°C jest równy przyrostowi o 1 K. Ogrzanie od 20°C do 40°C oznacza ΔT = 20 K. Do tej różnicy nie dodajemy 273,15.

Przykład

Ogrzewamy 0,25 kg wody od 20°C do 40°C. Przyjmujemy c = 4200 J/(kg·K). Potrzebne ciepło wynosi Q = 0,25 · 4200 · 20 = 21 000 J. Przy ochłodzeniu tej samej wody od 40°C do 20°C zmiana temperatury jest ujemna, więc Q = −21 000 J: woda oddaje energię.

Jeżeli grzałka ma moc P i tylko część η jej energii trafia do wody, to mcΔT = ηPt. Większa moc skraca czas ogrzewania, ale nie zmienia energii potrzebnej do uzyskania tej samej zmiany temperatury w tym modelu. Naczynie i otoczenie też mogą odbierać energię; ich pominięcie musi być założeniem zadania, a nie przypadkowym brakiem w bilansie.

Zadania do tego tematu

• Ciepło właściwe — zadanie: ogrzewanie porcji wody
• Ogrzewanie — zadanie: moc grzałki i straty energii

Dalsza lektura

Materiał referencyjny