PRZENIKANIE CIEPŁA: WZORY, OBLICZANIE I ROZWIĄZYWANE ĆWICZENIA - FIZYCZNY - 2026

Ciepło przenoszone jest przenoszenie energii między dwoma korpusami w różnych temperaturach. Ten o wyższej temperaturze oddaje ciepło temu o niższej temperaturze. To, czy ciało oddaje, czy pochłania ciepło, jego temperatura lub stan fizyczny może się różnić w zależności od masy i właściwości materiału, z którego jest wykonane.

Dobrym przykładem jest parująca filiżanka kawy. Metalowa łyżka, za pomocą której miesza się cukier, nagrzewa się. Jeśli pozostanie w filiżance dostatecznie długo, kawa i metalowa łyżka wyrównają swoje temperatury: kawa ostygnie, a łyżka się nagrzeje. Część ciepła przedostanie się do otoczenia, ponieważ system nie jest izolowany.

Po chwili kawa i łyżeczka osiągają równowagę termiczną. Źródło: Pixabay.

Gdy temperatury się wyrównują, równowaga termiczna została osiągnięta.

Jeśli zrobiłeś ten sam test z plastikową łyżeczką, z pewnością zauważysz, że nie nagrzewa się tak szybko jak metalowa, ale w końcu również zrównoważy się z kawą i wszystkim wokół niej.

Dzieje się tak, ponieważ metal lepiej przewodzi ciepło niż plastik. Z drugiej strony kawa z pewnością oddaje ciepło w innym tempie niż gorąca czekolada czy inny napój. Zatem ciepło oddawane lub pochłaniane przez każdy przedmiot zależy od tego, z jakiego materiału lub substancji jest on wykonany.

Z czego się składa i formuły

Ciepło zawsze odnosi się do przepływu lub tranzytu energii między jednym obiektem a drugim, z powodu różnicy temperatur.

Dlatego mówimy o cieple przenoszonym lub pochłanianym, ponieważ dodając lub pobierając w jakiś sposób ciepło lub energię, można modyfikować temperaturę elementu.

Ilość ciepła wydzielanego przez najgorętszy obiekt jest zwykle nazywana Q. Ta wartość jest proporcjonalna do masy tego obiektu. Ciało o dużej masie jest w stanie oddać więcej ciepła niż inne ciało o mniejszej masie.

Różnica temperatur

Innym ważnym czynnikiem przy obliczaniu wymiany ciepła jest różnica temperatur odczuwana przez obiekt przenoszący ciepło. Jest oznaczany jako Δ T i obliczany w następujący sposób:

Wreszcie, ilość przenoszonego ciepła zależy również od charakteru i właściwości obiektu, które są podsumowane ilościowo w stałej zwanej ciepłem właściwym materiału, oznaczonej jako c.

Ostatecznie wyrażenie na przenoszone ciepło jest następujące:

Poddanie się symbolizuje znak negatywny.

Ciepło właściwe i pojemność cieplna substancji

Ciepło właściwe to ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury 1 g substancji o 1 ° C. Jest to nieodłączna właściwość materiału. Jego jednostki w układzie międzynarodowym to: dżul / kg. K (Dżul między kilogramem a temperaturą w stopniach Kelvina).

Pojemność cieplna C jest pojęciem powiązanym, ale nieco innym, ponieważ w grę wchodzi masa obiektu. Pojemność cieplną określa się następująco:

Jego jednostki SI to Joule / K. Zatem uwolnione ciepło można również wyrazić równoważnie jako:

Jak to obliczyć?

Aby obliczyć ciepło przenoszone przez obiekt, należy znać następujące kwestie:

- Ciepło właściwe substancji oddającej ciepło.

- Masa wspomnianej substancji

- Ostateczna temperatura do uzyskania

Specyficzne wartości ciepła dla wielu materiałów zostały określone eksperymentalnie i są dostępne w tabelach.

Kalorymetria

Teraz, jeśli ta wartość nie jest znana, można ją uzyskać za pomocą termometru i wody w termicznie izolowanym pojemniku: kalorymetrze. Schemat tego urządzenia pokazano na rysunku dołączonym do ćwiczenia 1.

Próbkę substancji zanurza się w określonej temperaturze w uprzednio zmierzonej ilości wody. Na podstawie uzyskanych wartości mierzy się temperaturę końcową i wyznacza ciepło właściwe materiału.

Porównując wynik z wartościami tabelarycznymi, można dowiedzieć się, jaka to substancja. Ta procedura nazywa się kalorymetrią.

Bilans cieplny jest przeprowadzany poprzez oszczędzanie energii:

Q _uzyskane + Q _{wchłonięte = 0}

Rozwiązane ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Kawałek miedzi o masie 0,35 kg jest wprowadzany w temperaturze 150ºC w 500 ml wody o temperaturze 25ºC.

a) Ostateczna temperatura równowagi

b) Ile ciepła przepływa w tym procesie?

Dane

Schemat podstawowego kalorymetru: izolowany zbiornik z wodą i termometr do pomiaru zmian temperatury. l Źródło: dr Tilahun Tesfaye

Rozwiązanie

a) Miedź oddaje ciepło, a woda je pochłania. Ponieważ system jest uważany za zamknięty, tylko woda i próbka wpływają na bilans cieplny:

Z drugiej strony należy obliczyć masę 500 ml wody:

Na podstawie tych danych obliczana jest masa wody:

Podnosi się równanie na ciepło w każdej substancji:

Porównując otrzymane wyniki:

Jest to równanie liniowe z jednym niewiadomym, którego rozwiązanie to:

b) Ilość ciepła, które przepływa, to ciepło przekazane lub pochłonięte:

P _otrzymano = - 134,75 (32.56 - 150) J = 15823 J

_{Zaabsorbowane} Q = 2093 (32,56 - 25) J = 15823 J

Ćwiczenie 2

Kawałek miedzi o masie 100 g ogrzewa się w piecu w temperaturze T _o, a następnie umieszcza w kalorymetrze miedzianym o masie 150 g, zawierającym 200 g wody o temperaturze 16 ° C. Ostateczna temperatura po osiągnięciu stanu równowagi wynosi 38 º C. Po zważeniu kalorymetru i jego zawartości stwierdzono, że odparowało 1,2 g wody Jaka była początkowa temperatura T _o ?

Rozwiązanie

To ćwiczenie różni się od poprzedniego, ponieważ należy wziąć pod uwagę, że kalorymetr również pochłania ciepło. Ciepło uwalniane przez kawałek miedzi jest inwestowane we wszystkie następujące elementy:

- Podgrzej wodę w kalorymetrze (200 g)

- Podgrzej miedź, z której wykonany jest kalorymetr (150 g)

- Odparować 1,2 grama wody (energia jest również potrzebna do zmiany fazy).

A zatem:

- 38,5. (38 - T _o ) = 22397,3

Można również wziąć pod uwagę ciepło potrzebne do podgrzania 1,2 g wody do 100ºC, ale w porównaniu z tym jest to dość mała ilość.

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 . Ed. Tom 1. 556 - 553.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Podstawy fizyki. 9 ^na Cengage Learning.