Fizika 7 - 6.3 Mjerenje topline

Na početku...

Vanjski rekreacijski bazen u termalnom kupalištu i bazen u obiteljskoj kući pune se vodom.

Hoćemo li jednako dugo zagrijavati vodu u bazenima? Kojem bazenu je potrebno dovesti više topline da se voda u njemu zagrije na temperaturu ugodnu za kupanje? O čemu to ovisi?

Trebamo znati koliki obujam vode zagrijavamo i do koje temperature zagrijavamo vodu.

Za istraživanje koliko je topline potrebno dovesti nekom tijelu da bismo mu povisili temperaturu za određenu vrijednost, potreban je izvor topline. Kao izvor topline u istraživanju upotrijebit ćemo električno kuhalo na kojemu je istaknuta snaga uređaja.

Primjer 1.

Električno kuhalo ima snagu $450 W .$

Koliko topline električno kuhalo preda okolini svake sekunde?

$P = \frac{W}{t}$

$P = \frac{Q}{t}$

$Q = P \cdot t$

$Q = 450 W \cdot 1 s$

$Q = 450 J$

U $1 s$ električno kuhalo vodi preda $450 J$ topline.

Uključimo li električno kuhalo $60 s$ , dobivamo:

$Q = 450 W \cdot 60 s$

$Q = 27 000 J .$

U $60 s$ električno kuhalo preda vodi $27 000 J$ topline.

Koliko je topline potrebno dovesti tijelu određene mase da mu se temperatura promijeni za određenu vrijednost?

Pokus

a) ovisnost topline o masi tijela

Koliko je puta veća masa vode, toliko joj je puta više topline potrebno dovesti, uz jednaku promjenu temperature.

$Q \sim m$

Pokus

b) ovisnost topline o promjeni temperature

Koliko je puta veća promjena temperature vode, toliko je puta potrebno dovesti više topline, uz jednaku masu.

$Q \sim Δ t$

Pokus

c) ovisnost topline o vrsti tvari koja se zagrijava

Tijela građena od različitih tvari, ali jednakih masa i jednakih promjena temperature, trebaju različite iznose topline.

Kutak za znatiželjne

Nacrtajte u bilježnicu graf ovisnosti topline o promjeni temperature.

Različite tvari različito se zagrijavaju. To svojstvo tvari opisuje specifični toplinski kapacitet, a označavamo ga slovom $c .$

Toplina Q potrebna za zagrijavanje tijela razmjerna je masi tijela $m$ i promjeni temperature $Δ t$ te ovisi o vrsti tvari od koje je tijelo građeno.

$Q = m \cdot c \cdot Δ t,$

odnosno

$Q = m \cdot c \cdot (t_{2} - t_{1}) .$

Specifični toplinski kapacitet jednak je toplini $Q$ koju je potrebno dovesti masi $m$ od $1 kg$ neke tvari da se ona promijeni za temperaturu $Δ t$ od $1 K$ .

$c = \frac{Q}{m \cdot Δ t}$

Promjena temperature u Celzijevim stupnjevima jednaka je termodinamičkoj temperaturi izraženoj u kelvinima, pa ćemo promjenu temperature izraziti u kelvinima.

Mjerna jedinica specifičnog toplinskog kapaciteta je džul po kilogram kelvinu $\frac{J}{kgK} .$

Toplina potrebna za zagrijavanje tijela građenih od različitih tvari mase $1 kg$ , pri promjeni temperature za $1 ° C,$ navedena je u tablici.

Specifični toplinski kapacitet za neke tvari:

vrsta tvari	$c / \frac{J}{kgK}$
voda	$4 200$
alkohol	$2 500$
led	$2 100$
vodena para	$2 010$
ulje	$1 900$
zrak	$1 000$
aluminij	$900$
kamen, pijesak	$840$
staklo	$800$
željezo	$480$
cink	$380$
bakar	$360$
olovo	$130$

Specifični toplinski kapacitet tvari nije konstanta na svim temperaturama, već samo u jednom uskom intervalu.

Kako veliki specifični toplinski kapacitet vode utječe na klimu?

Zanimljivost

Kopno se brže hladi, ali se i brže zagrijava od mora, jer ima manji specifični toplinski kapacitet. More se sporo hladi i sporo zagrijava te pritom razmjenjuje veliku količinu topline s okolišem i na taj način utječe na njega.

Velikim specifičnim toplinskim kapacitetom vode koristimo se i kod hlađenja u automobilima, ali i pri zagrijavanju stanova centralnim grijanjem.

Primjer 2.

Pri zagrijavanju $1,5 kg$ vode temperatura vode promijeni se od $22 ° C$ do $67 ° C .$ Koliko topline primi voda zagrijavanjem?

Napomena: $c (voda) = 4 200 \frac{J}{kgK}$

$m = 1,5 kg$

$t_{1} = 22 ° C$

$t_{2} = 67 ° C$

$Δ t = 45 ° C$

$Δ T = 45 K$

$c (voda) = 4 200 \frac{J}{kgK}$

_____________

$Q = ?$

$Q = m \cdot c \cdot Δ t$

$Q = 1,5 kg \cdot 4 200 \frac{J}{kgK} \cdot 45 K$

$Q = 283 500 J$

Voda zagrijavanjem primi

283 500 J

topline.

Zanimljivost

Ako odmah nakon vađenja iz pećnice pokušate jesti pitu od jabuka ili nekoga drugog voća, nadjev vas može opeći, dok vas prhko tijesto neće opeći.

Aluminijsku foliju kojom prekrivamo vatrostalnu posudu pri pečenju možemo odmah skinuti nakon vađenja iz pećnice, dok s toplom hranom u posudi moramo biti oprezni, jer se njome možemo opeći.

Tijela jednakih temperatura čine nam se različito zagrijana zbog toga što nemaju jednake specifične toplinske kapacitete. Tijela koja imaju manji specifični toplinski kapacitet brže se zagrijavaju od tijela koja imaju veći specifični toplinski kapacitet. Tijela koja imaju manji specifični toplinski kapacitet brže se hlade od tijela koja imaju veći specifični toplinski kapacitet.

Primjer 3.

Kad se komad srebra mase $150 g$ ohladi od $65 ° C$ do $15 ° C,$ okolini preda $1,5 kJ$ topline. Koliko iznosi specifični toplinski kapacitet srebra?