XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Удельная теплоемкость
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
Во время отдыха на морском побережье у меня возник вопрос. Почему вблизи моря не бывает суровых зим и очень жаркого лета? На него можно ответить просто, что это особенность климата, но меня этот ответ полностью не устроил и я решил более подробно разобраться. И в этом мне помогла физика! Моя учительница по физике всегда говорит: «Без физики нам не прожить!». Это значит, что во всех сферах жизнедеятельности человека мы сталкиваемся с проявлениями физики в той или иной форме. Везде и всегда. Казалось бы, ну какое отношение имеет физика к моему путешествию. На уроках физики мы познакомились с интересным свойством тел и веществ – теплоемкостью. ТЕПЛОЕМКОСТЬ - это свойство тел встречается довольно часто в нашей жизни, зависит от физико-химических свойств веществ, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях. Я решил более глубоко изучить эту тему, провести эксперименты и с физической точки зрения ответить на интересующий меня вопрос.
Цели проекта:
1. Изучение теплоемкости веществ;
2. Проведение эксперимента.
Задачи проекта:
Изучить теоретический материал
Провести эксперимент; (доказывающий большую теплоемкость воды, определить удельную теплоемкость морского камня);
Предоставить результаты исследования на школьной научно-практической конференции;
Предмет исследования: удельная теплоемкость.
2. Удельная теплоемкость: для чего она нужна и в чем её смысл
Теплоёмкость — это величина, характеризующая одно из тепловых свойств тел. Она показывает, какое количество теплоты нужно подвести к телу или отвести от него, чтобы изменить его температуру на 1 градус. Отнесенную к единице массы, ее называют удельной теплоемкостью. Все это хорошо вам знакомо. Но причем тут слово «емкость»? Ведь им обычно пользуются, когда говорят об объеме какого-нибудь сосуда, точнее, — о его вместимости.
Термин «теплоемкость» появился в физике около 200 лет назад, во второй половине XVIII века, и он остался в физике как память о тех, кажущихся теперь странными, представлениях о тепле, холоде, температуре, которые существовали тогда в науке.
Начиная с XVII века, в физике шла борьба двух представлений о природе теплоты. Первая теория состояла в том, что теплота — это особое вещество теплород, способное проникать в любое тело. Чем больше этого вещества в теле, тем выше его температура. Вторая теория, впервые предложенная в начале XVII века английским ученым Фрэнсисом Бэконом, утверждала, что теплота — это движение малых частиц внутри тела (молекул, атомов, или, как тогда говорили, нечувствительных частиц). Эта гипотеза тоже основывалась на опытных наблюдениях, показывающих, например, что движением можно вызвать нагревание. У этой теории было много сторонников, и даже очень знаменитых, таких, как Декарт, Бойль, Гук, Ломоносов.
Обе теории при всем их различии имели и кое-что общее. И та, и другая сходились на том, что теплота — это нечто, содержащееся в теле. По первой гипотезе в теле содержится теплород, по второй — частицы с их «живой силой» (так тогда называли кинетическую энергию). Сходились они и в том, что теплота не пропадает и не появляется: если при контакте двух тел одно из них теряет теплоту, то другое получает ее, так что потерянное одним телом приобретается другим. Тем не менее, подавляющее большинство исследователей вплоть до XIX века придерживались первой, так сказать, вещественной теории теплоты, и XVIII век был, безусловно, веком торжества именно этого представления о теплоте.
Введение понятия теплоемкости тесно связано с решением проблемы распределения тепла при соприкосновении различно нагретых тел.
Удельная теплоёмкость (с) — это физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать единичной массе данного вещества для того, чтобы его температура изменилась на единицу. Удельная теплоемкость показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия 1кг вещества при нагревании или охлаждении его на 1 градус.
В Международной системе единиц (СИ) удельная теплоёмкость измеряется в джоулях на килограмм на кельвин, Дж/(кг·К). Иногда используются и внесистемные единицы: калория/(кг·°C) и т. д.
Формула расчёта удельной теплоёмкости: с = Q / m (t2 – t1), где c — удельная теплоёмкость, Q — количество теплоты, полученное веществом при нагреве (или выделившееся при охлаждении),
m — масса нагреваемого (охлаждающегося) вещества,
ΔT — разность конечной и начальной температур вещества.
Следует помнить, что удельная теплоемкость вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях, разная.
2.1 Удельная теплоемкость воды
При температуре 20 градусов Цельсия и нормальном атмосферном давлении удельная теплоемкость воды в жидком состоянии примерно равна 4200 Дж/(кг°С). Количество тепла, необходимого для нагревания 1 г воды на 1 градус, достаточно, для нагревания на 1 градус примерно 9г железа, 10г меди.
Вода в жидком состоянии имеет удельную теплоёмкость, равную 4200 Дж/(кг·°С), в твёрдом состоянии (лёд) — 2100 Дж/(кг·°С), в газообразном состоянии (водяной пар) — 2200 Дж/(кг·°С). Теплоёмкость воды снижается при температуре от 0 °С до 37 °С и снова растёт при дальнейшем нагревании. Удельная теплоемкость - это количество тепла, которое надо сообщить одному килограмму вещества, чтобы увеличить его температуру на один градус. Следовательно, вода требует для своего нагревания аномально большое количество тепла. Так как возрастание температуры означает увеличение средней скорости движения молекул, то на молекулярном языке большая теплоемкость воды означает, что ее молекулы очень инертны. Чтобы увеличить среднюю скорость молекул H2O, им нужно почему-то сообщить довольно много энергии, хотя сами молекулы по молекулярным масштабам сравнительно невелики. Все объясняется существованием водородных связей. Так как большая часть молекул связана в довольно большие комплексы, то отдельная "среднестатистическая" молекула H2O может увеличить свою кинетическую энергию одним из двух способов. Она может, во-первых, освободившись от всех своих водородных связей, начать двигаться самостоятельно. Во-вторых, ускорение всего комплекса молекул приведет, разумеется, к увеличению скорости каждой молекулы H2O, входящей в этот комплекс. Очевидно, что оба эти способа требуют значительных энергетических затрат, что и приводит к большому значению удельной теплоемкости воды.
Опыт, который демонстрирует большую удельную теплоемкость воды: если надуть резиновый шар и нагреть пламенем свечи, то он сразу же лопнет.
Резина обладает малой теплоемкостью. Если в шар налить воду, надуть и поднести к пламени, то шар не лопнет! Вода обладает большой теплоемкостью. Вода долго нагревается, долго остывает.
3. Опыты по определению теплоемкости
Мне очень понравились опыты по теплоемкости, и я решил определить удельную теплоемкость морского камня, который я привез из путешествия. И в этом мне помогла вода.
Оборудование: 2 стакана с холодной и горячей водой, 2 термометра, электронные весы, морские камни.
П ри определении удельной теплоемкости морского камня был проделан следующий опыт. В стакан налил воду массой 100 г при температуре 74°С. После этого, определил массу небольшого камня. Его масса оказалась равной 26,94 г. Этот камень привязал на нитку, опустили в горячую воду, где нагрел его до температуры горячей воды. Затем быстро перенес его в стакан с холодной водой 23°С, через некоторое время температура воды и тела стала одинаковой и равной 25,5 °С. Вычислил по этим данным удельную теплоемкость морского камня и она получалась с =803,6 Дж/кг°С . Вычисления оформил в виде задачи.
Вывод: удельная теплоемкость камня меньше в 5,2 раза теплоемкости воды. Вода требует для своего нагревания очень большое количество тепла, чем каменистая поверхность. В связи с этим вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из окружающей среды огромное количество теплоты. А зимой вода остывает и отдаёт в окружающую среду большое количество теплоты. Поэтому в районах, расположенных вблизи водоёмов, летом не бывает очень жарко, а зимой очень холодно.
4. Значение удельной теплоемкости воды в природе и жизни человека
Теплоёмкостью воды объясняется явление различного нагревания воды и суши: так как теплоёмкость твёрдых пород, составляющих поверхность суши, и теплоёмкость воды резко отличаются, то для нагревания до одной и той же температуры воды и песка, камня потребуется различное количество тепла, поэтому днём температура песка выше, чем воды. Вода охлаждается медленнее, чем твёрдые породы, поэтому ночью песок, камень холоднее, чем вода. Как известно, нагревание воздуха происходит не непосредственно лучами солнца, а путём отдачи тепла от нагреваемой поверхности суши и воды. В летнее время создаётся значительная разница температур между поверхностью суши и воды, в силу чего происходит перемещение воздуха в направлении, определяемом разницей температур воды морей и океанов и прилегающей к ним суши.
Высокая теплоемкость воды превращает моря и океаны в гигантский термостат, сглаживающий суточные колебания температуры воздуха. Причем не только большие массы воды, как моря, способы сглаживать эти колебания, но и обычный водяной пар атмосферы. Резкие суточные колебания температуры в районах великих пустынь связаны с отсутствием водяного пара в воздухе. Сухой воздух пустыни почти лишен водяного пара, который мог бы сдержать быстрое ночное охлаждение накалившегося за день песка, поэтому температура воздуха может оказаться не больше 5 °C.
Из-за высокой удельной теплоёмкости воду широко используют в технике и быту. Например, в системе водяного отопления домов, при охлаждении деталей во время их обработки на станках, в медицине (в грелках) и др.
Именно благодаря высокой удельной теплоёмкости вода является одним из лучших средств для борьбы с огнём. Соприкасаясь с пламенем, она моментально превращается в пар, отнимая большое количество теплоты у горящего предмета.
5. Заключение
Способность материалов воспринимать и удерживать в себе тепло называется теплоемкостью. Каждый материал имеет свою удельную теплоемкость, под которой подразумевается то количество тепла, которое необходимо затратить, чтобы нагреть 1 кг данного материала на 1°. Удельную теплоемкость можно найти по формуле с = Q / m (t2 – t1), она измеряется в Дж/кг°С Удельная теплоёмкость одного и того же вещества может изменяться в зависимости от агрегатного состояния. Удельная теплоёмкость воды довольно велика по сравнению с другими веществами. В этом я убедился опытным путем, сравнивая табличные значения воды с расчетными значениями теплоемкости камня. Вода имеет самую большую удельную теплоёмкость среди жидкостей и твёрдых веществ. Именно поэтому крупные водоёмы оказывают большое влияние на климат в окрестностях. Летом вода остужает воздух, т.к. поглощает большое количество теплоты, а зимой — нагревает, т.к. отдаёт большое количество теплоты. Это свойство воды широко используется людьми:
в системе водяного отопления домов;
для теплоизоляции;
для борьбы с огнём;
охлаждение деталей, механизмов.
В ходе выполнения итогового проекта я более глубоко изучил данную тему, провел эксперименты и с физической точки зрения ответил на интересующий меня вопрос. Почему вблизи моря не бывает суровых зим и очень жаркого лета?
6. Литература
1. Перышкин А. В. Физика. 8 кл. : Дрофа, 2014
2. Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 8 класс. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ВАКО,2009.
3. Перельман Я.И. Занимательная физика. Домодедство. ВАП, 2010г.
4. Тарасов Л.В. Физика в природе. М. Просвящение. 2013 г