POCHŁONIĘTE CIEPŁO: WZORY, SPOSÓB OBLICZANIA I ROZWIĄZYWANE ĆWICZENIA - FIZYCZNY - 2026

Pochłonięte ciepło jest zdefiniowana jako przeniesienie energii między dwoma korpusami w różnych temperaturach. Ten o niższej temperaturze pochłania ciepło tego o wyższej temperaturze. Kiedy tak się dzieje, energia cieplna substancji, która pochłania ciepło, wzrasta, a cząsteczki, które ją tworzą, wibrują szybciej, podnosząc swoją energię kinetyczną.

Może to prowadzić do wzrostu temperatury lub zmiany stanu. Na przykład zmień stan stały w ciekły, jak lód, gdy topi się w kontakcie z wodą lub sodą w temperaturze pokojowej.

Metalowa łyżeczka pochłania ciepło z gorącej kawy. Źródło: Pixabay.

Dzięki ciepłu możliwa jest również zmiana wymiarów obiektów. Rozszerzalność termiczna jest dobrym przykładem tego zjawiska. Kiedy większość substancji jest podgrzewana, mają tendencję do zwiększania rozmiaru.

Wyjątkiem jest woda. Taka sama ilość wody w stanie ciekłym zwiększa swoją objętość, gdy ostygnie poniżej 4ºC. Ponadto zmiany temperatury mogą również ulegać zmianom w jej gęstości, co jest również bardzo widoczne w przypadku wody.

Z czego się składa i formuły

W przypadku energii w ruchu jednostkami pochłoniętego ciepła są dżule. Jednak przez długi czas ciepło miało swoje własne jednostki: kalorie.

Nawet dzisiaj ta jednostka jest używana do ilościowego określania wartości energetycznej żywności, chociaż w rzeczywistości jedna kaloria w diecie odpowiada jednej kilokalorii ciepła.

Kalorie

Kaloria, w skrócie wapno, to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1 grama wody o 1ºC.

W XIX wieku Sir James Prescott Joule (1818 - 1889) przeprowadził słynny eksperyment, w którym udało mu się przekształcić pracę mechaniczną w ciepło, uzyskując następującą równoważność:

W jednostkach brytyjskich jednostka ciepła nazywa się Btu (brytyjska jednostka termiczna), która jest definiowana jako ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury jednego funta wody o 1ºF.

Równoważność między jednostkami jest następująca:

Problem z tymi starszymi jednostkami polega na tym, że ilość ciepła zależy od temperatury. Oznacza to, że temperatura wymagana do przejścia z 70 ° C do 75 ° C nie jest tym samym, co na przykład wymagana do podgrzania wody z 9 ° C do 10 ° C.

Dlatego definicja uwzględnia dobrze zdefiniowane zakresy: od 14,5 do 15,5 ° C i 63 do 64 ° F odpowiednio dla kalorii i Btu.

Od czego zależy ilość wchłanianego ciepła?

Ilość pochłoniętego ciepła, które odbiera materiał, zależy od kilku czynników:

- Msza. Im większa masa, tym więcej ciepła jest w stanie wchłonąć.

- Charakterystyka substancji. Istnieją substancje, które w zależności od struktury cząsteczkowej lub atomowej są w stanie pochłonąć więcej ciepła niż inne.

- Temperatura. Aby uzyskać wyższą temperaturę, należy dodać więcej ciepła.

Ilość ciepła, oznaczona Q, jest proporcjonalna do opisanych czynników. Dlatego można go zapisać jako:

Gdzie m jest masą obiektu, c jest stałą zwaną ciepłem właściwym, wewnętrzną właściwością substancji, a Δ T jest zmianą temperatury uzyskaną w wyniku pochłaniania ciepła.

Ta różnica ma znak dodatni, ponieważ przy pochłanianiu ciepła oczekuje się, że T _f > T _o. Dzieje się tak, chyba że substancja przechodzi przemianę fazową, na przykład przechodzenie wody z cieczy w parę. Kiedy woda wrze, jej temperatura utrzymuje się na stałym poziomie około 100ºC, niezależnie od tego, jak szybko się zagotuje.

Jak to obliczyć?

Stykając dwa obiekty o różnych temperaturach, po pewnym czasie oba osiągają równowagę termiczną. Następnie temperatury wyrównują się, a wymiana ciepła ustaje. To samo dzieje się, gdy zetkną się więcej niż dwa obiekty. Po pewnym czasie wszystkie będą miały tę samą temperaturę.

Przyjmując, że stykające się przedmioty tworzą układ zamknięty, z którego nie może wydostawać się ciepło, obowiązuje zasada zachowania energii, można więc stwierdzić, że:

Q _wchłonięte = - Q _uzyskane

Stanowi to bilans energetyczny podobny do dochodu i wydatków danej osoby. Z tego powodu przenoszone ciepło ma znak ujemny, ponieważ dla obiektu, który się oddaje, temperatura końcowa jest niższa niż początkowa. A zatem:

Równanie Q _{zaabsorbowane} = - Q _uzyskane jest używane, gdy dwa obiekty są w kontakcie.

Balans energetyczny

Aby przeprowadzić bilans energetyczny, należy odróżnić obiekty, które pochłaniają ciepło, od tych, które go oddają, a następnie:

Σ Q _k = 0

Oznacza to, że suma zysków i strat energii w systemie zamkniętym musi wynosić 0.

Ciepło właściwe substancji

Aby obliczyć ilość pochłoniętego ciepła, należy znać ciepło właściwe każdej uczestniczącej substancji. Jest to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1 g materiału o 1ºC. Jego jednostki w układzie międzynarodowym to: dżul / kg. K.

Istnieją tabele z ciepłem właściwym wielu substancji, zwykle obliczanym za pomocą kalorymetru lub podobnych narzędzi.

Przykład obliczenia ciepła właściwego materiału

250 kalorii potrzeba, aby podnieść temperaturę metalowego pierścienia z 20 do 30 ºC. Jeśli pierścień ma masę 90 g. Jakie jest ciepło właściwe metalu w jednostkach SI?

Rozwiązanie

Jednostki są konwertowane jako pierwsze:

Q = 250 kalorii = 1046,5 J

m = 90 g = 90 x ^10-3 kg

Ćwiczenie rozwiązane

Kubek aluminiowy zawiera 225 g wody i 40 g miedzianego mieszadła, wszystko w temperaturze 27 ° C. 400 g próbkę srebra o początkowej temperaturze 87 ° C umieszcza się w wodzie.

Mieszadło służy do mieszania mieszaniny, aż do osiągnięcia końcowej temperatury równowagi 32 ° C. Oblicz masę kubka aluminiowego, biorąc pod uwagę, że nie ma strat ciepła do otoczenia.

Schemat kalorymetru. Źródło: Solidswiki.

Podejście

Jak wspomniano powyżej, ważne jest, aby odróżnić obiekty oddające ciepło od tych, które pochłaniają:

- Aluminiowy kubek, miedziane mieszadło i woda pochłaniają ciepło.

- Próbka srebra oddaje ciepło.

Dane

Dostarczane są określone rodzaje ciepła dla każdej substancji:

Ciepło pochłonięte lub przekazane przez każdą substancję oblicza się za pomocą równania:

Rozwiązanie

Srebro

_Uzyskane Q = 400 x ^10-3 . 234 x (32 - 87) J = -5148 J

Mieszadło miedziane

_{Zaabsorbowane} Q = 40 x ^10-3 . 387 x (32 - 27) J = 77,4 J

woda

_{Zaabsorbowane} Q = 225 x ^10-3 . 4186 x (32 - 27) J = 4709,25 J

Kubek aluminiowy

Q _{zaabsorbowane} = m _aluminium . 900 x (32 - 27) J = 4500 m _aluminium

Korzystanie z:

Σ Q _k = 0

77,4 + 4709,25 + 4500. M _aluminium = - (-5148)

Wreszcie masa aluminium jest oczyszczona:

m _aluminium = 0,0803 kg = 80,3 g

Bibliografia

1. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6 ^th . Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6 ^ta Edycja w skrócie. Cengage Learning. 156-164.
3. Rex, A. 2011. Podstawy fizyki. Osoba. 309-332.
4. Sears, Zemansky. 2016. Fizyka uniwersytecka z fizyką współczesną. 14 ^tys . Tom 1. 556-553.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Podstawy fizyki. 9 ^na Cengage Learning. 362 - 374