Уравнение теплового баланса: формула, закон теплообмена

Закон сохранения энергии гласит, что энергия из системы бесследно не исчезает и не берётся из ниоткуда. Отсюда следует: замкнутая система не обменивается энергией с внешней средой. Этот закон носит название уравнение теплового баланса – это один из основополагающих постулатов в физике. Ознакомимся с ним подробнее. Рассмотрим формулу теплового баланса, метод её получения на практике.

Способ доказать истинность закона

Теплоёмкость тел определяется калориметром – это пара помещённых один в другой сосудов, между стенками которых находится воздушная прослойка. Она минимизирует теплообмен между внутренней ёмкостью, установленной на корковые пробки, и внешней средой. Накрыты сосуды материалом с низкой теплопроводностью.

Внутренний сосуд заполняется водой известной температуры t₁. Предмет, теплоёмкость которого определяется, нагревают до определённого уровня t₂ (желательно выполнить условие: t₁ < t₂). Тело быстро опускают в воду, сосуды накрывают и жидкость помешивают до исчезновения разности температур – t.

Результаты опыта предоставляют сведения об удельной ёмкости искомого материала c₂. Она равняется сумме увеличения энергии жидкости и калориметра. Нагреванием окружающей среды пренебрегают, в подобных случаях оно мало влияет на результат, получаемой точности измерения для лабораторных работ достаточно. Для повышения точности в расчёты вносят поправки на передачу тепла калориметра, исследуемого тела, воды и мешалки окружающей среде.

Сумма энергий образца, калориметра, его содержимого принимаются равными до и после опыта. Закон сохранения тепла следует из закона сохранения энергии: тело отдаёт столько теплоты, сколько поглощает калориметр с водой внутри и мешалкой. Температурный показатель нагретого предмета понижается на t₂ – t, где:

• t₂ – изначальная температура тела;
• t – конечная, после его охлаждения и подогрева воды, прибора, мешалки.

Работа в калориметре не производится, понижение его энергии определяется уравнением: c₂m₂(t₂ — t), здесь:

• c₂ – теплоёмкость исследуемого вещества;
• m₂ – его масса.

Термический показатель воды после опускания в неё разогретого тела поднимается на t – t₁, а энергетическая составляющая изменяется в соответствии с уравнением: c₁m₁(t — t₁). Теплоёмкость c₁ и масса воды m₁, из условий опыта, известны.

Уравнение или формула теплового баланса при теплообмене

Для упрощения задачи предположим: мешалка и калориметр сделаны из одного материала с теплоёмкостью c₃, их вес – m₃. Вследствие нагрева прибор с мешалкой получат энергию извне, от опущенного тела, равную c₃m₃(t-t₁). Мы получили уравнение теплового баланса, его формула:

c₂m₂(t₂ — t) = c₁m₁(t — t₁) + c₃m₃(t — t₁).

Из формулы легко вычислить теплоёмкость искомого тела:

.

Измеряется в кДжкг*К.

Уравнение теплового равновесия формулируется и иным образом: в замкнутой системе происходит только теплообмен без превращения энергий. В ней выделяемый и поглощаемый объём теплоты равны: Q_{полученная} + Q_{отданная} = 0.