ПОГЛОЩЕННОЕ ТЕПЛО: ФОРМУЛЫ, КАК ЕГО РАССЧИТАТЬ И РЕШАЕМЫЕ УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

Поглощенное тепло определяется как передача энергии между двумя телами при различных температурах. Тот, у кого более низкая температура, поглощает тепло того, у кого более высокая температура. Когда это происходит, тепловая энергия вещества, поглощающего тепло, увеличивается, а частицы, составляющие его, вибрируют быстрее, повышая свою кинетическую энергию.

Это может привести к повышению температуры или изменению состояния. Например, переходите от твердого вещества к жидкому, как лед, когда он тает при контакте с водой или содой при комнатной температуре.

Металлическая ложка поглощает тепло горячего кофе. Источник: Pixabay.

Благодаря теплу объекты также могут изменять свои размеры. Тепловое расширение - хороший пример этого явления. Когда большинство веществ нагревается, они имеют тенденцию увеличиваться в размерах.

Исключением является вода. Такое же количество жидкой воды увеличивает свой объем, когда она охлаждается ниже 4ºC. Кроме того, при изменении температуры может наблюдаться изменение ее плотности, что также очень заметно в случае воды.

Из чего состоит и формулы

В случае передачи энергии единицами поглощенного тепла являются джоули. Однако долгое время у тепла были свои единицы: калорийность.

Даже сегодня эта единица измерения используется для количественной оценки энергетической ценности пищи, хотя на самом деле одна диетическая калория соответствует одной килокалории тепла.

Калории

Калорийность, сокращенно известная как лайм, - это количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 грамма воды на 1ºC.

В 19 веке сэр Джеймс Прескотт Джоуль (1818 - 1889) провел знаменитый эксперимент, в котором ему удалось преобразовать механическую работу в тепло, получив следующую эквивалентность:

В британских единицах тепловая единица называется Btu (британская тепловая единица), которая определяется как количество тепла, необходимое для повышения температуры одного фунта воды на 1 ° F.

Эквивалентность единиц следующая:

Проблема этих старых агрегатов в том, что количество тепла зависит от температуры. То есть, температура, необходимая для перехода с 70ºC до 75ºC, отличается от температуры, необходимой, например, для нагрева воды с 9ºC до 10ºC.

Вот почему определение предполагает четко определенные диапазоны: от 14,5 до 15,5 ° C и от 63 до 64 ° F для калорий и британских тепловых единиц соответственно.

От чего зависит количество поглощенного тепла?

Количество поглощенного тепла, которое улавливает материал, зависит от нескольких факторов:

- Масса. Чем больше масса, тем больше тепла она способна поглотить.

- Характеристики вещества. Есть вещества, которые, в зависимости от их молекулярной или атомной структуры, способны поглощать больше тепла, чем другие.

- Температура. Для получения более высокой температуры требуется дополнительное количество тепла.

Количество тепла, обозначенное Q, пропорционально описанным факторам. Следовательно, это можно записать как:

Где m - масса объекта, c - постоянная, называемая удельной теплоемкостью, внутренним свойством вещества, а Δ T - это изменение температуры, достигаемое за счет поглощения тепла.

Эта разница имеет положительный знак, так как при поглощении тепла ожидается, что T _f > T _o. Это происходит, если вещество не претерпевает фазового перехода, такого как переход воды из жидкости в пар. Когда вода закипает, ее температура остается постоянной примерно на 100ºC, независимо от того, как быстро она закипает.

Как это рассчитать?

Посредством соприкосновения двух объектов с разной температурой через некоторое время они оба достигают теплового равновесия. Затем температуры выравниваются и теплообмен прекращается. То же самое происходит, если соприкасается более двух объектов. Через определенное время все они будут иметь одинаковую температуру.

Если предположить, что соприкасающиеся объекты образуют замкнутую систему, из которой не может уйти тепло, применяется принцип сохранения энергии, поэтому можно утверждать, что:

Q _{поглощено} = - Q _отдано

Это представляет собой энергетический баланс, похожий на баланс доходов и расходов человека. По этой причине передаваемое тепло имеет отрицательный знак, так как для объекта, который уступает, конечная температура ниже начальной. Таким образом:

Уравнение Q _{поглощено} = - Q _{уступлено,} когда два объекта находятся в контакте.

Энергетический баланс

Для проведения энергетического баланса необходимо различать объекты, поглощающие тепло, от объектов, которые отдаются, тогда:

Σ Q _k = 0

То есть сумма прироста и потерь энергии в замкнутой системе должна равняться 0.

Удельная теплоемкость вещества

Чтобы рассчитать количество поглощенного тепла, необходимо знать удельную теплоемкость каждого участвующего вещества. Это количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 г материала на 1 ° C. Его единицы в Международной системе: Джоуль / кг. K.

Существуют таблицы с удельной теплоемкостью многих веществ, обычно рассчитываемой с помощью калориметра или аналогичных инструментов.

Пример того, как рассчитать удельную теплоемкость материала

Для повышения температуры металлического кольца с 20 до 30 ºC требуется 250 калорий. Если кольцо имеет массу 90 г. Какова удельная теплоемкость металла в единицах СИ?

Решение

Сначала конвертируются единицы:

Q = 250 калорий = 1046,5 Дж

m = 90 г = 90 x ^10-3 кг

Упражнение решено

Алюминиевая чашка содержит 225 г воды и медную мешалку на 40 г при температуре 27 ° C. Образец серебра массой 400 г при начальной температуре 87 ° C помещается в воду.

Мешалка используется для перемешивания смеси до достижения конечной равновесной температуры 32 ° C. Рассчитайте массу алюминиевого стакана, учитывая, что нет потерь тепла в окружающую среду.

Схема калориметра. Источник: Solidswiki.

Подходить

Как было сказано выше, важно различать предметы, которые отдают тепло, от предметов, которые поглощают:

- Алюминиевая чашка, медная мешалка и вода поглощают тепло.

- Образец серебра выделяет тепло.

Данные

Указана удельная теплоемкость каждого вещества:

Тепло, поглощаемое или передаваемое каждым веществом, рассчитывается по формуле:

Решение

Серебряный

Q _дает = 400 x 10 ^-3 . 234 x (32 - 87) Дж = -5148 Дж

Медная мешалка

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

вода

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

Алюминиевая кружка

Q _{поглощено} = m _{алюминия} . 900 x (32 - 27) J = 4500 мкм _{алюминия}

Использование:

Σ Q _k = 0

77,4 + 4709,25 + 4500 мкм _{алюминия} = - (-5148)

Наконец, масса алюминия очищается:

м _{алюминия} = 0,0803 кг = 80,3 г

Ссылки

1. Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. 6 ^чт . Эд Прентис Холл. 400 - 410.
2. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: взгляд на мир. 6 ^ta Редактирование сокращено. Cengage Learning. 156-164.
3. Рекс, А. 2011. Основы физики. Пирсон. 309-332.
4. Сирс, Земанский. 2016. Университетская физика с современной физикой. 14 ^чт . Volume1. 556-553.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Основы физики. 9 ^на Cengage Learning. 362–374