ПЕРЕДАЧА ТЕПЛА: ФОРМУЛЫ, КАК ЕГО РАССЧИТАТЬ И РЕШАЕМЫЕ УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

Передаваемое тепло - это передача энергии между двумя телами при разных температурах. Тот, у кого более высокая температура, отдает тепло тому, у кого более низкая температура. Независимо от того, отдает ли тело тепло или поглощает его, его температура или физическое состояние могут варьироваться в зависимости от массы и характеристик материала, из которого оно сделано.

Хороший пример - дымящаяся чашка кофе. Металлическая ложка, которой размешивается сахар, нагревается. Если его оставить в чашке достаточно долго, кофе и металлическая ложка в конечном итоге уравняют свою температуру: кофе остынет, и тепло перейдет к ложке. Некоторое количество тепла будет передаваться в окружающую среду, поскольку система не изолирована.

Через некоторое время кофе и ложка приходят в тепловое равновесие. Источник: Pixabay.

Когда температуры становятся равными, достигается тепловое равновесие.

Если вы проделаете тот же тест с пластиковой чайной ложкой, вы наверняка заметите, что она не нагревается так быстро, как металлическая, но в конечном итоге она также придет в равновесие с кофе и всем вокруг.

Это потому, что металл проводит тепло лучше, чем пластик. С другой стороны, конечно, кофе выделяет тепло с другой скоростью, чем горячий шоколад или другой напиток. Таким образом, тепло, отдаваемое или поглощаемое каждым объектом, зависит от того, из какого материала или вещества он сделан.

Из чего состоит и формулы

Тепло всегда относится к потоку или передаче энергии между одним объектом и другим из-за разницы в температуре.

Вот почему мы говорим о тепле, передаваемом или поглощаемом, поскольку, добавляя или отбирая тепло или энергию каким-либо образом, можно изменить температуру элемента.

Количество тепла, которое выделяет самый горячий объект, обычно называют Q. Это значение пропорционально массе этого объекта. Тело с большой массой способно отдавать больше тепла, чем другое с меньшей массой.

Разница температур

Еще одним важным фактором при расчете теплопередачи является разница в температуре объекта, передающего тепло. Он обозначается как Δ T и рассчитывается следующим образом:

Наконец, количество передаваемого тепла также зависит от природы и характеристик объекта, которые количественно суммируются в константе, называемой удельной теплоемкостью материала, обозначаемой как c.

Итак, наконец, выражение для переданного тепла выглядит следующим образом:

Акт сдачи символизируется отрицательным знаком.

Удельная теплоемкость и теплоемкость вещества

Удельная теплоемкость - это количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 г вещества на 1 ºC. Это внутреннее свойство материала. Его единицы в Международной системе: Джоуль / кг. K (Джоуль между килограммом и температурой в градусах Кельвина).

Теплоемкость C - это связанное понятие, но немного другое, так как задействована масса объекта. Теплоемкость определяется следующим образом:

Его единицы СИ - Джоуль / К. Таким образом, выделяемое тепло можно эквивалентно выразить как:

Как это рассчитать?

Чтобы рассчитать тепло, передаваемое объектом, необходимо знать следующее:

- Удельная теплоемкость вещества, отдающего тепло.

- масса указанного вещества

- Конечная температура, которую необходимо получить

Значения удельной теплоемкости для многих материалов определены экспериментально и представлены в таблицах.

калориметрия

Теперь, если это значение неизвестно, его можно получить с помощью термометра и воды в термоизолированном контейнере: калориметре. Схема этого приспособления представлена ​​на рисунке, прилагаемом к упражнению 1.

Образец вещества погружается при определенной температуре в предварительно измеренное количество воды. Конечная температура измеряется, и на основании полученных значений определяется удельная теплоемкость материала.

Сравнивая результат с табличными значениями, можно узнать, что это за вещество. Эта процедура называется калориметрией.

Тепловой баланс осуществляется за счет экономии энергии:

Q _отдано + Q _{поглощено = 0}

Решенные упражнения

Упражнение 1

Кусок меди массой 0,35 кг вводят при температуре 150 ° C в 500 мл воды при температуре 25 ° C. Найти:

а) Конечная равновесная температура

б) Сколько тепла уходит в этом процессе?

Данные

Схема простого калориметра: изолированный контейнер с водой и термометр для измерения изменений температуры. l Источник: д-р Тилахун Тесфайе

Решение

а) Медь отдает тепло, а вода его поглощает. Поскольку система считается закрытой, в тепловой баланс вмешиваются только вода и образец:

С другой стороны, требуется рассчитать массу 500 мл воды:

По этим данным рассчитывается масса воды:

Уравнение тепла в каждом веществе поднимается:

Приравнивая результаты, получаем:

Это линейное уравнение с одной неизвестной, решение которого:

б) Количество протекающего тепла - это переданное или поглощенное тепло:

Q _дал = - 134,75 (32,56 - 150) Дж = 15823 Дж

_{Поглощенный} Q = 2093 (32,56 - 25) Дж = 15823 Дж

Упражнение 2.

Кусок меди 100 г нагревают в печи при температуре T _o, а затем помещают в медный калориметр на 150 г, содержащий 200 г воды при 16ºC. Конечная температура при достижении равновесия составляет 38 ºC. При взвешивании калориметра и его содержимого обнаруживается, что испарилось 1,2 г воды. Какова была начальная температура T _o ?

Решение

Это упражнение отличается от предыдущего, так как нужно учитывать, что калориметр тоже поглощает тепло. Тепло, выделяемое куском меди, инвестируется во все следующее:

- Нагрейте воду в калориметре (200 г)

- Нагрейте медь, из которой сделан калориметр (150 г)

- Выпарить 1,2 грамма воды (для фазового перехода также требуется энергия).

Таким образом:

- 38,5. (38 - Т _о ) = 22397,3

Можно было бы также принять во внимание количество тепла, необходимое для доведения 1,2 г воды до температуры 100 ° C, но для сравнения это довольно небольшое количество.

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 . Издание 1. 556 - 553.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Основы физики. 9 ^на Cengage Learning.