2.2.5 Удельные теплоты парообразования, плавления и сгорания топлива

В пункте 2.2.5 собраны величины, которые показывают, сколько энергии приходится на $1$ кг вещества или топлива в конкретном тепловом процессе.

Все три формулы устроены одинаково: количество теплоты пропорционально массе вещества, которое участвует в процессе.

Единица СИ для всех трёх величин:

Удельная теплота парообразования

Удельная теплота парообразования $L$ — количество теплоты, необходимое для превращения $1$ кг жидкости в пар при постоянной температуре.

Для жидкости массы $m$:

где $Q$ — количество теплоты, полученное жидкостью, $L$ — удельная теплота парообразования, $m$ — масса жидкости.

При конденсации пара выделяется такое же по модулю количество теплоты. Если считать $Q$ количеством теплоты, полученным веществом, то при конденсации $Q<0$.

Подробный физический смысл парообразования и конденсации разобран в теме 2.1.17 Преобразование энергии в фазовых переходах.

Удельная теплота плавления

Удельная теплота плавления $\lambda$ — количество теплоты, необходимое для превращения $1$ кг кристаллического вещества при температуре плавления в жидкость той же температуры.

Для тела массы $m$:

где $Q$ — количество теплоты, полученное телом при плавлении, $\lambda$ — удельная теплота плавления, $m$ — масса вещества.

При кристаллизации выделяется такое же по модулю количество теплоты. Если считать $Q$ количеством теплоты, полученным веществом, то при кристаллизации $Q<0$.

Удельная теплота сгорания топлива

Удельная теплота сгорания топлива $q$ — количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании $1$ кг топлива.

Если сгорело топливо массы $m$, то выделившееся количество теплоты:

где $Q$ — количество теплоты, выделившееся при сгорании, $q$ — удельная теплота сгорания топлива, $m$ — масса сгоревшего топлива.

Формула $Q=qm$ описывает энергию, выделившуюся при сгорании топлива. Если нагреваемое тело получает только часть этой энергии, потери или КПД учитывают отдельно.

Как выбрать формулу

Если температура вещества меняется без фазового перехода, используют формулу количества теплоты при нагревании:

Если температура во время процесса остаётся постоянной, но меняется агрегатное состояние, используют $Q=Lm$ или $Q=\lambda m$.

Если энергия выделяется при сгорании топлива, используют $Q=qm$.

Важно

Удельная теплоёмкость $c$ измеряется в $\frac{\text{Дж}}{\text{кг}\cdot \text{К}}$, а $L$, $\lambda$ и $q$ — в $\frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$. Это разные физические величины.

Не путать

• $L$ относится к превращению жидкости в пар.
• $\lambda$ относится к плавлению кристаллического вещества.
• $q$ относится к сгоранию топлива.
• Во всех трёх формулах масса $m$ — это масса вещества, которое участвует именно в этом процессе.
• При обратных фазовых переходах вещество отдаёт энергию, поэтому знак $Q$ зависит от выбранного соглашения.

Коротко

• Парообразование: $Q=Lm$.
• Плавление: $Q=\lambda m$.
• Сгорание топлива: $Q=qm$.
• $L$, $\lambda$ и $q$ измеряются в $\text{Дж/кг}$.
• Формулы $Q=Lm$ и $Q=\lambda m$ относятся к фазовым переходам, а $Q=qm$ — к сгоранию топлива.