Вернемся теперь к вопросу об использовании внутренней энергии. Выясним, как подсчитать, насколько изменилась в том, или другом случае внутренняя энергия тела. Начнем со случая теплопередачи. При теплопередаче происходит переход внутренней энергии от одних тел к другим путем теплопроводности, излучения и конвекции.
Ту часть внутренней энергии, которую тело получает или теряет при теплопередаче, называют количеством теплоты.
Название «количество теплоты» принято относить к изменению внутренней энергии только путем теплопередачи. Это название не применяют к изменению внутренней энергии, полученному при совершении над телом работы.
Чтобы научиться вычислять количество теплоты, выясним, от каких величин оно зависит.
Если мы хотим подогреть воду в чайнике так, чтобы она стала лишь теплой, то мы недолго нагреваем ее, сообщая ей небольшое количество теплоты. А для того чтобы вода стала горячей, передаем ей большее количество теплоты. Следовательно, чем на большее число градусов мы нагреваем воду, тем большее количество теплоты надо передать ей. Конечно, и при остывании вода отдаст окружающим ее телам тем большее количество теплоты, чем на большее число градусов она охладится.
Но знать, на сколько градусов повысилась или понизилась температура, недостаточно, чтобы судить о количестве теплоты, полученном телом при нагревании или отданном при охлаждении. В самом деде, раскаленный утюг, до которого нельзя дотронуться, холодную комнату не согреет, тогда как теплая печь или батареи водяного отопления, температура которых около 60° С, могут очень хорошо нагреть комнату.
Всем нам приходилось нагревать воду, и мы хорошо знаем, что полный чайник воды требует для своего нагревания большее количество теплоты, чем тот же чайник, налитый наполовину. Убедимся в этом на опыте.
Поставим на одну плиту две кружки. В одной кружке 200 г, а в другой 400 г воды. В первой кружке, где находится 200 г воды, вода нагреется до кипения раньше, чем во второй. Снимем ее с плиты и будем наблюдать за второй кружкой. Понадобится передать ей еще некоторое количество теплоты, прежде чем в ней вода нагреется до кипения. Следовательно, количество теплоты, переданное при нагревании телу, зависит от массы этого тела: чем больше масса воды, тем большее количество теплоты нужно затратить на ее нагревание.
При остывании тела окружающим предметам передается также тем большее количество теплоты, чем больше масса остывающего тела. Так, чем больше секций содержит батарея отопления, тем лучше она обогревает комнату.
Будем нагревать на двух одинаковых горелках два сосуда, содержащие: первый — 400 г воды, второй—400 г растительного масла. Таким образом, и в том и в другом сосуде находится по 400 г вещества, т. е. массы нагреваемых тел одинаковы (рис. 196). Одинаковы и условия их нагревания, так как сосуды получают энергию от одинаковых горелок. Разница состоит лишь в том, что во втором сосуде вместо 400 г воды находится 400 г масла.
Термометры покажут, что во втором сосуде, где находится масло, нагревание происходит быстрее. Чтобы температура воды сравнялась с температурой масла, ей нужно передать добавочное количество теплоты. Очевидно, для нагревания одинаковых масс воды и масла на одно и то же число градусов требуется различное количество теплоты: для воды оно больше, Для масла меньше. Следовательно, количество теплоты, переданное телу при нагревании, зависит и от того, из какого вещества состоит тело.
Итак, количество теплоты, переданное телу при нагревании, зависит от рода вещества, из которого оно состоит, от массы этого тела и от изменения его температуры.
Как и всякий другой вид энергии, внутреннюю энергию измеряют джоулями.
Количеством теплоты, как было установлено, называют ту часть внутренней энергии, которую получает, или теряет тело при теплопередаче. Значит, количество теплоты также измеряют джоулями (Дж), применяется и единица килоджоуль (кДж).
1 кДж = 1000 Дж.
Вопросы. 1. Что такое количество теплоты? К какому способу изменения внутрённей энергии относят это название? 2. Как зависит количество теплоты от изменения температуры тела? 3. Почему нельзя только по изменению температуры тела судить о полученном им количестве теплоты? 4. Как зависит количество теплоты от массы тела? 5. Опишите опыт, показывающий, что количество теплоты зависит от рода вещества, из которого состоит тело. 6. От чего зависит количество теплоты, переданное телу при нагревании? 7. Какими единицами измеряют внутреннюю энергию и количество теплоты?
Историческая справка
Для измерения количества теплоты с давних времен применяли особую единицу — калорию (от латинского слова калор — тепло, жар).
Калория — это количество теплоты, которое необходимо передать 1 г воды для нагревания ее на 1°С. Ее краткое обозначение: кал.
Можно сказать также, что калория — это количество теплоты, которое теряет 1 г воды при остывании на 1°С.
Пользовались также более крупной единицей количества теплоты — килокалорией: 1 ккал = 1000 кал.
Между этими единицами и единицей 1 Дж и 1 кДж существуют соотношения:
1 кал = 4,19 Дж ≈ 4,2 Дж, 1 ккал = 4190 Дж ≈ 4200 Дж.
