CIEPŁO: WZORY I JEDNOSTKI, CHARAKTERYSTYKA, SPOSÓB POMIARU, PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2026

Ciepła w fizyce określa się jako energię cieplną przenoszone zawsze, gdy obiekty informacji lub substancje, które są w różnych temperaturach. Ten transfer energii i wszystkie procesy z nim związane są przedmiotem badań termodynamiki, ważnej gałęzi fizyki.

Ciepło jest jedną z wielu form przyjmowanych przez energię i jedną z najbardziej znanych. Więc skąd to się bierze? Odpowiedź tkwi w atomach i cząsteczkach tworzących materię. Te cząsteczki wewnątrz rzeczy nie są statyczne. Możemy je sobie wyobrazić jako małe koraliki połączone miękkimi sprężynami, które z łatwością się kurczą i rozciągają.

Atomy i cząsteczki wibrują w substancjach, co przekłada się na energię wewnętrzną. Źródło: P. Tippens. Fizyka: koncepcje i zastosowania.

W ten sposób cząsteczki mogą wibrować, a ich energia może być łatwo przenoszona na inne cząstki, a także z jednego ciała na drugie.

Ilość ciepła, które ciało pochłania lub uwalnia, zależy od natury substancji, jej masy i różnicy temperatur. Oblicza się to w następujący sposób:

Gdzie Q to ilość przekazanego ciepła, m to masa obiektu, C _e to ciepło właściwe substancji, a ΔT = _końcowe T - T _początkowa , czyli różnica temperatur.

Jak wszystkie formy energii, ciepło mierzone jest w dżulach w układzie międzynarodowym (SI). Inne odpowiednie jednostki to: erg w systemie cgs, Btu w systemie brytyjskim oraz kaloria, termin powszechnie używany do określenia wartości energetycznej żywności.

Charakterystyka cieplna

Ciepło z ogniska to energia w transferze. Źródło: Pixabay

Należy pamiętać o kilku kluczowych pojęciach:

- Ciepło dotyczy energii podczas transportu. Obiekty nie mają ciepła, tylko je wydzielają lub pochłaniają w zależności od okoliczności. Obiekty posiadają energię wewnętrzną, wynikającą z ich wewnętrznej konfiguracji.

Z kolei ta energia wewnętrzna składa się z energii kinetycznej związanej z ruchem wibracyjnym i energii potencjalnej, typowej dla konfiguracji molekularnej. Zgodnie z tą konfiguracją, substancja będzie przenosić ciepło mniej lub bardziej łatwo, co znajduje odzwierciedlenie w jej cieple właściwym C _e , wartości, która została podana w równaniu do obliczenia Q.

- Drugą ważną koncepcją jest to, że ciepło jest zawsze przenoszone z najgorętszego ciała do najzimniejszego. Doświadczenie wskazuje, że ciepło gorącej kawy zawsze przechodzi w kierunku porcelany filiżanki i talerza lub metalu łyżki, z którą jest mieszana, nigdy odwrotnie.

- Ilość przekazywanego lub pochłanianego ciepła zależy od masy ciała. Dodanie takiej samej ilości kalorii lub dżuli do próbki o masie X nie podgrzewa w ten sam sposób innej próbki o masie 2x.

Powód? W większej próbce jest więcej cząstek, a każda z nich otrzymywałaby średnio tylko połowę energii mniejszej próbki.

Równowaga termiczna i zasada zachowania energii

Doświadczenie podpowiada nam, że gdy stykamy się z dwoma przedmiotami o różnych temperaturach, po pewnym czasie temperatura obu będzie taka sama. Wówczas można stwierdzić, że obiekty lub układy, jak można je również nazwać, są w równowadze termicznej.

Z drugiej strony, zastanawiając się, jak zwiększyć energię wewnętrzną systemu izolowanego, stwierdza się, że istnieją dwa możliwe mechanizmy:

i) Ogrzewanie, czyli przekazywanie energii z innego systemu.

ii) Wykonaj na nim jakieś prace mechaniczne.

Biorąc pod uwagę, że energia jest oszczędzana:

W ramach termodynamiki ta zasada zachowania jest znana jako Pierwsza zasada termodynamiki. Mówimy, że system musi być izolowany, ponieważ w przeciwnym razie konieczne byłoby uwzględnienie innych nakładów lub wyjść energii w bilansie.

Jak mierzy się ciepło?

Ciepło mierzy się zgodnie z efektem, jaki wywołuje. Dlatego to zmysł dotyku szybko informuje, jak gorący lub zimny jest napój, jedzenie lub jakikolwiek przedmiot. Ponieważ przenoszenie lub pochłanianie ciepła powoduje zmiany temperatury, pomiar daje wyobrażenie o tym, ile ciepła zostało przekazane.

Przyrządem służącym do pomiaru temperatury jest termometr, urządzenie wyposażone w stopniowaną skalę do dokonywania odczytu. Najbardziej znanym jest termometr rtęciowy, który składa się z cienkiej kapilary rtęciowej, która rozszerza się po podgrzaniu.

Termometr z podziałką w stopniach Celsjusza i Fahrenheita. Źródło: Pixabay.

Kapilarę wypełnioną rtęcią wprowadza się następnie do szklanej rurki ze skalą i styka z ciałem, którego temperaturę należy mierzyć, aż osiągną równowagę termiczną, a temperatura obu jest taka sama.

Co jest potrzebne do wykonania termometru?

Na początek musisz mieć jakąś właściwość termometryczną, to znaczy taką, która zmienia się wraz z temperaturą.

Na przykład gaz lub ciecz, taka jak rtęć, rozszerzają się po podgrzaniu, chociaż służy również opór elektryczny, który emituje ciepło, gdy przepływa przez niego prąd. Krótko mówiąc, można zastosować dowolną właściwość termometryczną, którą można łatwo zmierzyć.

Jeśli temperatura t jest wprost proporcjonalna do właściwości termometrycznej X, można ją zapisać:

Gdzie k jest stałą proporcjonalności, którą należy określić, ustawiając dwie odpowiednie temperatury i mierząc odpowiadające im wartości X. Odpowiednie temperatury to łatwe do uzyskania w laboratorium.

Po ustaleniu par (t ₁ , X ₁ ) i (t ₂ , X ₂ ) przedział między nimi jest podzielony na równe części, będą to stopnie.

Skale temperatur

Doboru temperatur niezbędnych do skonstruowania skali temperatur dokonuje się przy założeniu, że są one łatwe do uzyskania w laboratorium. Jedną z najczęściej używanych skal na świecie jest skala Celsjusza, stworzona przez szwedzkiego naukowca Andersa Celsiusa (1701-1744).

0 w skali Celsjusza to temperatura, w której lód i woda w stanie ciekłym są w równowadze przy ciśnieniu 1 atmosfery, podczas gdy górna granica jest wybierana, gdy woda w stanie ciekłym i para wodna są równo w równowadze i przy ciśnieniu 1 atmosfery. Ten przedział jest podzielony na 100 stopni, z których każdy nazywany jest stopniem Celsjusza.

Nie jest to jedyny sposób na zbudowanie skali, wręcz przeciwnie. Istnieją inne różne skale, takie jak skala Fahrenheita, w których przedziały zostały wybrane z innymi wartościami. Jest też skala Kelvina, która ma tylko dolną granicę: zero absolutne.

Zero absolutne odpowiada temperaturze, w której wszelkie ruchy cząstek w substancji ustają całkowicie, jednak mimo zbliżenia się całkiem blisko, nie było jeszcze w stanie schłodzić żadnej substancji do zera absolutnego.

Przykłady

Wszyscy codziennie doświadczają ciepła, bezpośrednio lub pośrednio. Na przykład, gdy wypijesz gorący napój, w południowym słońcu, badając temperaturę silnika samochodu, w pomieszczeniu pełnym ludzi iw niezliczonych innych sytuacjach.

Na Ziemi ciepło jest niezbędne do podtrzymania procesów życiowych, zarówno tego, które pochodzi ze Słońca, jak i tego, które pochodzi z wnętrza planety.

Podobnie klimat jest napędzany przez zmiany energii cieplnej zachodzące w atmosferze. Ciepło słoneczne nie dociera wszędzie jednakowo, na równikowych szerokościach dociera więcej niż na biegunach, więc najgorętsze powietrze w tropikach unosi się i przemieszcza na północ i południe, aby osiągnąć równowagę termiczną o którym mówiono wcześniej.

W ten sposób prądy powietrza są ustalane z różnymi prędkościami, które przenoszą chmury i deszcz. Z drugiej strony nagłe zderzenie frontów gorącego i zimnego powietrza powoduje zjawiska takie jak burze, tornada i huragany.

Natomiast na bliższym poziomie upał może nie być tak mile widziany jak zachód słońca na plaży. Ciepło powoduje problemy w pracy silników samochodowych i procesorów komputerowych.

Powoduje również utratę energii elektrycznej w kablach przewodzących i rozszerzaniu się materiałów, dlatego obróbka cieplna jest tak ważna we wszystkich dziedzinach inżynierii.

Ćwiczenia

- Ćwiczenie 1

Etykieta cukierka głosi, że dostarcza 275 kalorii. Ile energii w dżulach odpowiada ten cukierek?

Rozwiązanie

Na początku kaloria została wymieniona jako jednostka ciepła. Żywność zawiera energię, którą zwykle mierzy się w tych jednostkach, ale kalorie w diecie to w rzeczywistości kilokalorie.

Równoważność jest następująca: 1 kcal = 4186 J i stwierdza się, że cukierek ma:

275 kilokalorii x 4186 dżuli / kilokaloria = 1,15 10 ⁶ J.

- Ćwiczenie 2

100 g metalu ogrzewa się do 100 ° C i umieszcza w kalorymetrze z 300 g wody o temperaturze 20 ° C. Temperatura, którą układ osiąga po osiągnięciu równowagi, wynosi 21,44 ° C. Jesteś proszony o określenie ciepła właściwego metalu, zakładając, że kalorymetr nie pochłania ciepła.

Rozwiązanie

W tej sytuacji metal oddaje ciepło, które nazwiemy Q _danym, a przed nim zostanie umieszczony znak (-) wskazujący stratę:

Ze swojej strony woda w kalorymetrze pochłania ciepło, które będzie oznaczone jako pochłonięte Q:

Energia jest zachowana, z czego wynika, że:

Z wyciągu możesz obliczyć ΔT:

Ważne: 1 ° C to ten sam rozmiar co 1 kelwin. Różnica między tymi dwiema skalami polega na tym, że skala Kelvina jest absolutna (stopnie Kelvina są zawsze dodatnie).

Ciepło właściwe wody w temperaturze 20ºC wynosi 4186 J / kg. K i na tej podstawie można obliczyć pochłonięte ciepło:

Podsumowując, ciepło właściwe metalu jest usuwane:

Bibliografia

1. Bauer, W. 2011. Fizyka dla inżynierii i nauki. Tom 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Approach by Competences. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6 ^ta Edycja w skrócie. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Osoba.
5. Tippens, P. 2011. Fizyka: koncepcje i zastosowania. 7th Edition. Mcgraw hill