# Количество теплоты. Единицы количества теплоты

Физика · 8 класс · Тепловые процессы
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/8/kolichestvo-teploty-edinicy-kolichestva-teploty

Выясняем, что такое количество теплоты, в каких единицах его измеряют и от каких трёх вещей зависит, сколько тепла нужно телу, чтобы нагреться.

## Чему научишься

- Объяснить, что такое количество теплоты, и назвать его обозначение и единицы
- Переводить джоули в килоджоули и мегаджоули и обратно
- Назвать три величины, от которых зависит количество теплоты при нагревании или охлаждении тела

## С чего начать

Почему литр воды на плите закипает быстрее, чем три литра, и почему пустая сковородка раскаляется гораздо быстрее кастрюли с водой, хотя горелка одна и та же? Сколько тепла нужно каждому из них и от чего это зависит?

## 1. Что такое количество теплоты и как его измеряют

*Обозначение, единицы и переход между ними*

Представь, что внутренняя энергия тела — это счёт в банке. Когда тело получает тепло, на счёт «капает» энергия, когда отдаёт — она списывается. Сумма, которая перешла со счёта на счёт именно путём теплопередачи, и есть количество теплоты. Это не «запас тепла в теле», а размер перевода: сколько энергии передали или потеряли.

**Количество теплоты**

Энергию, которая передаётся телу или теряется им в процессе теплопередачи, называют количеством теплоты. Обозначение: $Q$ — количество теплоты.

Раз $Q$ — это изменение внутренней энергии, то измеряют его так же, как любую энергию: единицей количества теплоты в СИ является джоуль (Дж). Но один джоуль — совсем мелкая «монетка». Чтобы нагреть чайник, их нужно очень много, поэтому используют ещё килоджоули (кДж) и мегаджоули (МДж).

**Единицы количества теплоты**

$1\text{ кДж} = 1000\text{ Дж} = 10^3\text{ Дж}$

$1\text{ МДж} = 1\,000\,000\text{ Дж} = 10^6\text{ Дж}$

$1\text{ Дж} = 10^{-3}\text{ кДж}$

$1\text{ Дж} = 10^{-6}\text{ МДж}$

**Как не путать кДж и МДж**

Аналогия: джоуль — как копейка, килоджоуль — как тысячная купюра, мегаджоуль — как миллион. Когда сумма большая, считать копейками неудобно, берут крупные купюры. Так и с теплотой: на чайник удобнее килоджоули, на отопление дома — мегаджоули.

Зацепка: килоджоуль — приставка «кило» означает тысячу: $1\text{ кДж} = 1000\text{ Дж}$. Мегаджоуль — приставка «мега» означает миллион: $1\text{ МДж} = 1\,000\,000\text{ Дж}$.

**Пример: Переводим единицы**

1. Перевести $2{,}5\text{ кДж}$ в джоули. «Кило» — тысяча, значит умножаем на 1000: $2{,}5 \cdot 1000 = 2500\text{ Дж}$.
2. Перевести $3\text{ МДж}$ в джоули. «Мега» — миллион: $3 \cdot 1\,000\,000 = 3\,000\,000\text{ Дж}$.
3. Перевести $4500\text{ Дж}$ в килоджоули. Идём в обратную сторону, делим на 1000: $4500 \cdot 10^{-3} = 4{,}5\text{ кДж}$.

**Проверь себя:** Сколько джоулей в $7\text{ кДж}$? А сколько мегаджоулей в $2\,000\,000\text{ Дж}$?
**Ответ:** $7\text{ кДж} = 7000\text{ Дж}$. $2\,000\,000\text{ Дж} = 2\text{ МДж}$.

**Неправильно:** Чем больше нагрели тело, тем больше «тепла в нём»: $Q$ — это запас тепла внутри тела.
**Правильно:** $Q$ — это не запас, а энергия, которая передаётся телу или теряется им в процессе теплопередачи. Тело хранит внутреннюю энергию, а теплота — её передача.

### Проверь себя

**Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию тела?**
- Изменением формы и скорости движения тела как целого
- Совершением работы и теплопередачей — верно
- Только изменением агрегатного состояния
- Только совершением механической работы
> Внутренняя энергия изменяется либо путём совершения механической работы над телом (или самим телом), либо путем теплообмена без совершения работы.

**Что называют количеством теплоты?**
- Энергию, которая передаётся телу или теряется им в процессе теплопередачи — верно
- Работу, совершаемую телом при расширении
- Температуру, которую приобретает тело при нагревании
- Полную кинетическую энергию всех молекул тела
> Количество теплоты по определению представляет собой количественную меру изменения внутренней энергии при теплообмене.

**Какой буквой принято обозначать количество теплоты?**
- $U$
- $m$
- $A$
- $Q$ — верно
> В физике общепринятым буквенным обозначением для количества теплоты является латинская буква $Q$.

**Какова единица измерения количества теплоты в Международной системе единиц (СИ)?**
- Паскаль ($\text{Па}$)
- Джоуль ($\text{Дж}$) — верно
- Ватт ($\text{Вт}$)
- Градус Цельсия ($^\circ\text{C}$)
> Поскольку количество теплоты представляет собой изменение внутренней энергии, его единица в СИ совпадает с единицей энергии — джоулем.

**Каково соотношение между килоджоулем ($\text{кДж}$) и джоулем ($\text{Дж}$)?**
- $1\text{ кДж} = 1\,000\,000\text{ Дж} = 10^6\text{ Дж}$
- $1\text{ кДж} = 0{,}001\text{ Дж} = 10^{-3}\text{ Дж}$
- $1\text{ кДж} = 100\text{ Дж} = 10^2\text{ Дж}$
- $1\text{ кДж} = 1000\text{ Дж} = 10^3\text{ Дж}$ — верно
> Приставка «кило-» означает умножение на $1000$ (или $10^3$).

**Чему равен $1\text{ МДж}$ (мегаджоуль) в джоулях?**
- $1000\text{ Дж} = 10^3\text{ Дж}$
- $100\,000\text{ Дж} = 10^5\text{ Дж}$
- $10\,000\,000\text{ Дж} = 10^7\text{ Дж}$
- $1\,000\,000\text{ Дж} = 10^6\text{ Дж}$ — верно
> Приставка «мега-» обозначает увеличение единицы измерения в один миллион ($10^6$) раз.

**Как выразить $1\text{ Дж}$ через килоджоули ($\text{кДж}$)?**
- $1\text{ Дж} = 10^{-2}\text{ кДж}$
- $1\text{ Дж} = 10^{-3}\text{ кДж}$ — верно
- $1\text{ Дж} = 10^{3}\text{ кДж}$
- $1\text{ Дж} = 10^{-6}\text{ кДж}$
> Так как $1\text{ кДж} = 1000\text{ Дж}$, один джоуль составляет одну тысячную часть килоджоуля ($10^{-3}\text{ кДж}$).

**Выразите $1\text{ Дж}$ в мегаджоулях ($\text{МДж}$).**
- $1\text{ Дж} = 10^{-6}\text{ МДж}$ — верно
- $1\text{ Дж} = 10^{-9}\text{ МДж}$
- $1\text{ Дж} = 10^{-3}\text{ МДж}$
- $1\text{ Дж} = 10^{6}\text{ МДж}$
> Один джоуль представляет собой одну миллионную долю мегаджоуля, что записывается как $10^{-6}\text{ МДж}$.

**Выразите $5\text{ кДж}$ в джоулях ($\text{Дж}$).**
- $5000\text{ Дж}$ — верно
- $0{,}005\text{ Дж}$
- $500\text{ Дж}$
- $50\,000\text{ Дж}$
> Умножая $5$ на $1000$ (так как $1\text{ кДж} = 1000\text{ Дж}$), получаем $5000\text{ Дж}$.

**Переведите $0{,}5\text{ МДж}$ в джоули ($\text{Дж}$).**
- $500\,000\text{ Дж}$ — верно
- $50\,000\text{ Дж}$
- $5\,000\,000\text{ Дж}$
- $5000\text{ Дж}$
> Поскольку $1\text{ МДж} = 1\,000\,000\text{ Дж}$, то $0{,}5\text{ МДж} = 0{,}5 \times 1\,000\,000 = 500\,000\text{ Дж}$.

**Чем по своей физической сути является количество теплоты при теплопередаче?**
- Показателем скорости движения всего тела в пространстве
- Видом вещества, наполняющим нагретое тело
- Мерой изменения внутренней энергии тела — верно
- Силой, с которой нагреватель действует на сосуд
> Количество теплоты показывает, на какую величину изменилась внутренняя энергия в процессе теплообмена.

**Выразите $250\text{ Дж}$ в килоджоулях ($\text{кДж}$).**
- $0{,}025\text{ кДж}$
- $2{,}5\text{ кДж}$
- $0{,}25\text{ кДж}$ — верно
- $250\,000\text{ кДж}$
> Для перевода джоулей в килоджоули числовое значение делят на $1000$: $250 / 1000 = 0{,}25\text{ кДж}$.

## 2. От чего зависит количество теплоты при нагревании

*Масса, изменение температуры и род вещества*

В процессе теплопередачи может происходить изменение температуры тела или изменение агрегатного состояния его вещества без изменения температуры. Мы разберём первый случай: тело получает тепло, и его температура растёт. Сколько тепла для этого понадобится? Это зависит от трёх вещей, и каждую можно понять на кухне.

**1. Масса тела.** Чтобы нагреть 200 г воды, нужно больше тепла, чем для 100 г: каждому «кусочку» воды надо передать свою порцию энергии. Масса больше — порций больше — количество теплоты, которое необходимо сообщить телу для его нагревания, больше.

**2. На сколько градусов нагреваем.** Нагреть воду на 10 градусов проще, чем на 80: каждый следующий градус — ещё одна порция тепла. Значит, $Q$ зависит от того, на сколько градусов тело нагревается, то есть от разности конечной и начальной температур: $t_{\text{кон}} - t_{\text{нач}}$.

Именно так в учебнике сравнивают нагревание: берут одну горелку, одинаковые стаканы и смотрят, как растёт температура на термометре, когда меняют массу жидкости или вещество.

**3. Род вещества.** Налей в два одинаковых химических стакана одинаковые по массе количества разных веществ, например воды и масла, и поставь на одинаковые горелки. Греться они будут по-разному: одно вещество «берёт» тепла больше, другое меньше. Для разных веществ нужно разное количество теплоты, чтобы нагреть их на одну и ту же температуру. Это свойство самого вещества.

**От чего зависит $Q$**

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (или выделяющееся при его охлаждении), зависит от массы тела, разности конечной и начальной температур и от рода вещества, из которого оно состоит.

**Что меняем — как меняется количество теплоты**

| Что меняем | Остальное не меняем | Что с $Q$ для нагревания |
| --- | --- | --- |
| Массу тела | Вещество и разность температур | Больше масса — больше $Q$ |
| Разность температур | Масса и вещество | Больше градусов — больше $Q$ |
| Род вещества | Масса и разность температур | Разным веществам нужно разное $Q$ |

**Проверь себя:** Две кастрюли с водой нагреваем на одной плите от 20 °C до 50 °C. В первой 1 кг воды, во второй 3 кг. В какой потребуется больше теплоты и от какой величины это зависит?
**Ответ:** Во второй. Вещество и разность температур одинаковы, отличается только масса, а $Q$ зависит от массы тела.

### Проверь себя

**В один стакан налили воду массой $100\text{ г}$, в другой — $200\text{ г}$. Их нагревают на одинаковых горелках одинаковое время. Что произойдёт с их температурой?**
- Вода меньшей массы нагреется до меньшей температуры
- Вода большей массы нагреется на меньшее число градусов — верно
- Вода большей массы нагреется на большее число градусов
- Температура в обоих стаканах изменится абсолютно одинаково
> При одинаковом количестве полученной теплоты тепловая энергия распределяется на большую массу, поэтому прирост температуры оказывается меньше.

**Что необходимо сделать, чтобы измерить одинаковый прирост температуры у воды массой $100\text{ г}$ и $200\text{ г}$?**
- Сосуд с водой меньшей массы нагревать большее время
- Нагревать оба сосуда абсолютно одинаковое время
- Использовать под сосудом с большей массой менее мощную горелку
- Сосуд с водой большей массы нагревать большее время — верно
> Чтобы нагреть большую массу на то же число градусов, требуется передать ей большее количество теплоты, что при равных горелках требует больше времени.

**Какой вывод о свойствах количества теплоты делают на основе опыта с нагреванием воды разной массы?**
- Количество теплоты обратно пропорционально массе тела
- Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от массы тела — верно
- Количество теплоты зависит только от формы сосуда
- Количество теплоты не зависит от массы тела
> Эксперимент показывает: чем больше масса, тем большее количество теплоты нужно затратить для аналогичного нагрева.

**Воду одинаковой массы нагревают на одинаковых горелках в одном стакане от $20^\circ\text{C}$ до $40^\circ\text{C}$, а в другом — от $20^\circ\text{C}$ до $60^\circ\text{C}$. Для какого стакана потребуется большее количество теплоты?**
- Для второго стакана, так как разность температур в нём больше — верно
- Для первого стакана, так как его быстрее сняли с горелки
- Количество теплоты зависит только от массы, поэтому сравнить нельзя
- Потребуется одинаковое количество теплоты, так как массы воды равны
> Во втором стакане вода нагревается на $40^\circ\text{C}$ (от $20$ до $60$), а в первом — на $20^\circ\text{C}$, что требует большего времени и больше теплоты.

**От какого температурного фактора зависит количество теплоты, необходимое для нагревания тела?**
- От разности конечной и начальной температур тела — верно
- От температуры окружающего воздуха
- Только от значения начальной температуры
- Только от конечной температуры тела
> Необходимое количество теплоты определяется тем, на сколько градусов изменяется температура тела (разностью температур).

**В одном стакане нагревают воду, а в другом — растительное масло равной массы и с одинаковой начальной температурой. За одинаковое время нагревания на одинаковых горелках что из них нагреется до более высокой температуры?**
- Вода
- Оба вещества нагреются до одинаковой температуры
- Растительное масло — верно
- Ни одно из веществ не изменит температуру
> Опыт показывает, что при одинаковой массе и за то же время масло нагревается до более высокой температуры, чем вода.

**Что необходимо сделать, чтобы при одинаковой массе температура воды стала равной температуре растительного масла, нагретого на той же горелке?**
- Уменьшить начальную температуру масла
- Воде требуется сообщить дополнительное количество теплоты — верно
- Маслу требуется сообщить дополнительное количество теплоты
- Увеличить массу воды в два раза
> Так как вода нагревается медленнее масла, ей нужно передать больше теплоты (нагревать дольше), чтобы достичь той же температуры.

**Какой вывод вытекает из опыта с нагреванием равных масс воды и растительного масла?**
- Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от рода вещества — верно
- Род вещества влияет только на скорость охлаждения, но не нагревания
- Количество теплоты не зависит от типа нагреваемого вещества
- Вода и масло требуют одинакового количества теплоты для нагрева
> Различные вещества при одинаковой массе требуют разного количества теплоты для одинакового изменения температуры.

**Укажите полный перечень величин, от которых зависит количество теплоты, необходимое для нагревания тела (или выделяющееся при его охлаждении).**
- Только от разности температур и времени суток
- Только от массы тела и мощности нагревателя
- От массы тела, разности конечной и начальной температур и рода вещества — верно
- От объёма тела, давления и формы сосуда
> Этот итоговый вывод объединяет результаты всех трёх экспериментов, приведенных в параграфе.

**Какие явления могут происходить в веществе при передаче ему некоторого количества теплоты без изменения его химического состава?**
- Только уменьшение массы тела за счет испарения
- Увеличение массы тела и изменение его химической формулы
- Изменение температуры или изменение агрегатного состояния без изменения температуры — верно
- Только постоянное непрерывное увеличение температуры
> Согласно тексту, теплопередача может вести к увеличению температуры либо к фазовому переходу (изменению агрегатного состояния) при постоянной температуре.

**Для нагревания стакана воды на $20^\circ\text{C}$ требуется количество теплоты $Q$. Какое количество теплоты понадобится для нагревания двух таких же стаканов воды (двойной массы) на те же $20^\circ\text{C}$?**
- $4Q$
- $Q$
- $2Q$ — верно
- $\frac{Q}{2}$
> При увеличении массы в 2 раза требуется в 2 раза большее количество теплоты для того же изменения температуры.

**Если одну и ту же массу воды нагреть сначала от $20^\circ\text{C}$ до $30^\circ\text{C}$, а затем от $20^\circ\text{C}$ до $50^\circ\text{C}$, во сколько раз больше теплоты потребуется во втором случае?**
- В $2{,}5$ раза больше
- В $3$ раза больше — верно
- В $2$ раза больше
- Столько же теплоты
> Разность температур в первом случае равна $10^\circ\text{C}$ ($30 - 20$), а во втором — $30^\circ\text{C}$ ($50 - 20$). Так как $30$ в $3$ раза больше $10$, понадобится в $3$ раза больше теплоты.

**Какое из следующих утверждений НЕ соответствует материалу параграфа?**
- Количество теплоты зависит от формы стакана, в котором нагревают жидкость — верно
- При охлаждении тела количество теплоты зависит от разности температур
- Количество теплоты зависит от рода вещества тела
- Единицей измерения количества теплоты в СИ является джоуль
> Форма стакана не входит в число факторов, от которых зависит количество теплоты, описанных в параграфе.

## 3. Охлаждение и жизнь вокруг нас

*Тепло уходит по тем же правилам*

Остывание — это та же теплопередача, только в обратную сторону: тело теряет энергию. Количество теплоты, которое выделяется при охлаждении тела, зависит от тех же физических величин, что и количество теплоты, необходимое для нагревания этого тела: от массы, от разности температур и от рода вещества.

Где это видно? Большой чайник с кипятком остывает дольше маленькой чашки: массы разные, а отдать надо больше. Чашка горячего чая остывает до комнатной, и чем больше разница температур, тем больше тепла он отдаёт. Масло в сковороде и вода в кастрюле одной массы, нагретые до одной температуры, отдают разное количество теплоты, потому что вещества разные.

**Пример: Три вопроса перед задачей**

1. Что происходит с телом: оно нагревается (получает $Q$) или охлаждается (отдаёт $Q$)?
2. Что известно о теле: какая масса, из какого вещества и как изменилась температура?
3. В каких единицах нужен ответ: в Дж, кДж или МДж? Перевод делаем через $10^3$ и $10^6$.

### Проверь себя

**От каких физических величин зависит количество теплоты, которое выделяется при охлаждении тела?**
- От тех же величин, что и количество теплоты при нагревании — верно
- Только от начальной температуры охлаждения
- При охлаждении количество теплоты не зависит от рода вещества
- Только от массы тела и его объёма
> Опыт показывает, что выделяемое при охлаждении количество теплоты зависит от массы тела, разности температур и рода вещества.

## Ключевые термины

- **Количество теплоты** — Энергия, которая передаётся телу или теряется им в процессе теплопередачи; обозначается $Q$.
- **Джоуль (Дж)** — Единица количества теплоты в СИ; используют также килоджоуль (кДж) и мегаджоуль (МДж).

## Итог

- Количество теплоты $Q$ — энергия, которая передаётся телу или теряется им при теплопередаче
- Единица в СИ — джоуль (Дж), используют также кДж и МДж
- $1\text{ кДж} = 10^3\text{ Дж}$, $1\text{ МДж} = 10^6\text{ Дж}$
- При нагревании $Q$ зависит от массы, разности конечной и начальной температур и рода вещества
- При охлаждении теплота выделяется и зависит от тех же величин

## Шпаргалка

### Перевод единиц теплоты

- **$1\text{ кДж} = 10^3\text{ Дж}$** — в килоджоуле 1000 джоулей
- **$1\text{ МДж} = 10^6\text{ Дж}$** — в мегаджоуле миллион джоулей
- **$1\text{ Дж} = 10^{-3}\text{ кДж}$** — обратный перевод в килоджоули
- **$1\text{ Дж} = 10^{-6}\text{ МДж}$** — обратный перевод в мегаджоули

### От чего зависит $Q$

- **$Q$** — энергия, переданная или потерянная при теплопередаче
- **Масса тела** — больше масса — больше $Q$
- **Разность температур** — конечная минус начальная; больше — больше $Q$
- **Род вещества** — у разных веществ разное $Q$
- **Охлаждение** — теплота выделяется, зависимость от тех же величин

## Любопытное

- Джоуль — единица не только теплоты, но и любой энергии: количество теплоты — это изменение внутренней энергии, поэтому у них одна единица.
- Теплота может передаваться и без изменения температуры тела: в этом случае меняется агрегатное состояние вещества.