XLVI. Ciepło właściwe

Wiemy już z poprzedniego rozdziału, że aby zmienić energię wewnętrzną ciała, trzeba dostarczyć mu energię w postaci ciepła lub w postaci pracy wykonanej przez siły zewnętrzne. Ale skąd mamy wiedzieć, ile energii trzeba dostarczyć, aby uzyskać zamierzony skutek, tzn. spowodować, by temperatura danego ciała wzrosła np. o 10°C?

Rozwiązanie tego problemu przybliżą nam następujące doświadczenia, do wykonania których potrzebne nam będzie podstawowe narzędzie stosowane w termodynamice, mianowicie kalorymetr, a dokładniej - dwa kalorymetry zapoatrzone w termometry.

Rys. 126. Budowa kalorymetru.

Kalorymetr (patrz Rys. 126) składa się z dwóch metalowych (przeważnie aluminiowych) naczyc o dokładnie wypolerowanych ściankach - zewnętrznej ściance naczynia wewnętrznego oraz wewnętrznej ściance naczynie zewnętrznego. W bardziej udoskonalonych wersjach powierzchnie te mogą być srebrzone. Naczynia odizolowane są od siebie warstwą powietrza (dlaczego - będziemy o tym mówić później), naczynie wewnętrzne ustawione jest na drewnianych podpórkach. Z wierzchu kalorymetr zamknięty jest pokrywką, poza tym jest zapoatrzony w termometr i mieszadło.

Doświadczenie 17.

Bierzemy dwa jednakowe kalorymetry, montujemy jak na Rys. 126. Przed założeniem pokrywki z mieszadłem i termometrem do jednego z nich wrzucamy pewną ilość gwoździ stalowych (np. 100 g), do drugiego - mniejszą ilość, np. połowę. W dwóch zlewkach ogrzewamy nad palinikiem jednakowe ilości wody do takiej samej temperatury (co sprawdzamy termometrem), np do 80 °C. Następnie zawartość jednej zlewki wlewamy do jednego kalorymetru, drugiej - do drugiego. Możemy nieco zamieszać mieszadłami. Po pewnym czasie, powiedzmy po 2 min., sprawdzamy temperatury wody w obu kalorymetrach. Co stwierdzamy?

Doświadczenie 18.

W doświadczeniu potrzebne będą dwa ciała o jednakowej masie ale z różnej substancji, np. kulka stalowa i miedziana. Poza tym doświadczenie wykonujemy dokładnie tak samo jak poprzednie używając kulek zamiast gwoździ. Co stwierdzamy?

W Doświadczeniu 17 stwierdziliśmy, że temperatura wody w kalorymetrze, w którym jest więcej gwoździ, jest niższa niż w drugim. Dlaczego?

Początkowo temperatura gwoździ w obu kalorymetrach, jak i samych kalorymetrów, jest taka sama, to znaczy równa temperaturze otoczenia. Oznacza to, że średnia energia kinetyczna cząsteczek wszystkich tych ciał jest taka sama. Do obydwu kalorymetrów wlewamy taką samą ilość wody ogrzanej fo tej samej temperatury. Skoro temperatura wody jest wyższa, to znaczy, że wyższa jest średnia energia kinetyczna cząsteczek; w momencie wlania gorącej wody do kalorymetrów w wyniku zderzeń międzycząsteczkowych zachodzi wymiana energii między wodą i gwoździami oraz kalorymetrem. Można też powiedzieć inaczej mianowicie, że do gwoździ energia jest dostarczana energia w postaci ciepła. I oto stwierdzamy, że tam, gdzie gwoździ było więcej, temperatura gorącej wody bardziej się obniżyła czyli w większym stopniu zmalała energia wewnętrzna. Wniosek stąd taki, że na ilość energii przyjmowanej lub oddawanej przez ciało (w naszym przypadku były nim gwoździe) ma wpływ jego masa. Natomiast w Doświadczeniu 18 masy ciał były jednakowe, ale różna substancja. Zaś skutek wymiany energii był podobny jak w Doświadczeniu 17. Mamy więc następny wniosek: na ilość energii pobranej lub oddanej przez ciało wpływ ma substancja tego ciała.

Zupełnie podobnie przebiegałyby oba doświadczenia, gdybyśmy do kalorymetrów wlewali wodę ochłodzoną np. do 5 °C. Wówczas bardziej obniżyłaby się temperatura w tym kalorymetrze, w którym jest mniej gwoździ.

Na podstawie powyższych wniosków wydaje się więc celowe wprowadzenie wielkości fizycznej, która informowałaby o tym, ile energii w postaci ciepła należy dostarczyć ciału lub od niego odebrać, aby jego temperatura zmieniła się o 1 °C. Doświadczenie 18 wskazuje przy tym, że wielkość ta będzie miała różną wartość w zależności od rodzaju substancji. Nazywamy ją ciepłem właściwym substancji:

gdzie: Q - ilość energii dostarczonej lub odebranej w postaci ciepła

        m - masa ciała (ilość substancji)

        Dt - zmiana temperatury ciała = tkonc - t pocz (lub odwrotnie).

Z definicji tej wynika od razy, w jakich jednostkach wyrażane jest ciepło właściwe:

Uwaga! Ze względu na to, że w mianowniku występuje różnica temperatur, a nie temperatura, wobec tego nie ma znaczenia, czu wyrazimy ją w kelvinach czy w stopniach Celsjusza. Tym niemniej, ponieważ w nauce coraz częściej stosuje się kelviny, należy się do nich przyzwyczajać podobnie jak do bezwzględnej skali temperatur.

Ciepło właściwe informuje więc, ile energii trzeba dostarczyć, aby ciało o masie 1 kg ogrzać o 1K.

Tabela

Ciepło właściwe różnych substancji

Substancja c [J/(kg K)]
ołów 128
wolfram 134
srebro 236
miedź 386
aluminium 900
mosiądz 380
granit 790
szkło 840
lód (-10 °C) 2220
rtęć 140
alkohol etylowy 2430
woda morska 3900
woda 4190

Zauważcie (patrz Tabela), jak duże ciepło właściwe ma woda. Podana wartośc oznacza, że dla ogrzania 1 kg wody tylko o 1K trzeba dostarczyć 4190 J energii. Jest to wartość równoważna pracy, jaką trzeba wykonać, by 100 kg wody podnieść na wysokośc ponad 4 m. Ma to daleko idące następstwa dla warunków życia dla Ziemi. Latem woda w dużych zbiornikach wodnych bardzo wolno nagrzewa się, gdyż trzeba bardzo dużo energii dla zwiększenia jej temperatury o 1 K. Z kolei zimą bardzo wolno ochładza się, gdyż celem zmniejszenia temperatury o 1 K trzeba odprowadzić dużo energii. Jakie to ma znaczenie klimatyczne, na pewno wiecie z lekcji geografii.

spis treści                                                                do góry