ТЕПЛО: ФОРМУЛЫ И ЕДИНИЦЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КАК ЕГО ИЗМЕРИТЬ, ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

Тепла в физике определяется как тепловой энергии , передаваемой всякий раз , когда они входят в контакт предметы или вещества, которые при различных температурах. Этот перенос энергии и все процессы, связанные с ней, являются объектом изучения термодинамики, важной области физики.

Тепло - одна из многих форм, которые принимает энергия, и одна из самых известных. Так откуда это взялось? Ответ кроется в атомах и молекулах, из которых состоит материя. Эти частицы внутри вещей не статичны. Мы можем представить их в виде маленьких бусинок, связанных мягкими пружинами, которые легко сжимаются и растягиваются.

Атомы и молекулы колеблются внутри веществ, что преобразуется во внутреннюю энергию. Источник: П. Типпенс. Физика: концепции и приложения.

Таким образом, частицы могут колебаться, и их энергия может легко передаваться другим частицам, а также от одного тела к другому.

Количество тепла, которое тело поглощает или выделяет, зависит от природы вещества, его массы и разницы температур. Он рассчитывается так:

Где Q - количество переданного тепла, m - масса объекта, C _e - удельная теплоемкость вещества и ΔT = _{конечная} T - _{начальная} T , то есть разница температур.

Как и все формы энергии, тепло измеряется в джоулях в Международной системе (СИ). Другими подходящими единицами измерения являются: эрги в системе cgs, британские тепловые единицы в британской системе и калория - термин, обычно используемый для обозначения энергетической ценности продуктов.

Тепловые характеристики

Тепло от костра - это передаваемая энергия. Источник: Pixabay

Следует помнить о нескольких ключевых концепциях:

- Тепло - это энергия в пути. Предметы не имеют тепла, они только выделяют или поглощают его в зависимости от обстоятельств. Что действительно имеет объекты, так это внутренняя энергия в силу их внутренней конфигурации.

Эта внутренняя энергия, в свою очередь, состоит из кинетической энергии, связанной с колебательным движением, и потенциальной энергии, типичной для молекулярной конфигурации. Согласно этой конфигурации, вещество будет более или менее легко переносить тепло, и это отражается в его удельной теплоемкости C _e , значении, которое было упомянуто в уравнении для расчета Q.

-Второе важное понятие - тепло всегда передается от самого горячего тела самому холодному. Опыт показывает, что тепло от горячего кофе всегда проходит в сторону фарфора чашки и тарелки или металла ложки, которой он перемешивается, а не наоборот.

-Количество переданного или поглощенного тепла зависит от массы рассматриваемого тела. Добавление того же количества калорий или джоулей к образцу с массой X не нагревает таким же образом другой образец с массой 2X.

Причина? В большем образце больше частиц, и каждая из них будет получать в среднем только половину энергии меньшего образца.

Тепловое равновесие и сохранение энергии

Опыт подсказывает нам, что когда мы соприкасаем два объекта с разной температурой, через некоторое время температура обоих станет одинаковой. Тогда можно констатировать, что объекты или системы, как их еще можно назвать, находятся в тепловом равновесии.

С другой стороны, размышляя о том, как увеличить внутреннюю энергию изолированной системы, делается вывод, что существует два возможных механизма:

i) Нагрев, то есть передача энергии из другой системы.

ii) Выполните какие-либо механические работы на нем.

Принимая во внимание, что энергия сохраняется:

В рамках термодинамики этот принцип сохранения известен как Первый закон термодинамики. Мы говорим, что система должна быть изолирована, потому что в противном случае необходимо было бы учитывать другие входы или выходы энергии в балансе.

Как измеряется тепло?

Тепло измеряется в зависимости от производимого им эффекта. Следовательно, осязание быстро сообщает, насколько горячим или холодным является напиток, еда или какой-либо предмет. Поскольку передача или поглощение тепла приводит к изменениям температуры, измерение этого показателя дает представление о том, сколько тепла было передано.

Инструмент, используемый для измерения температуры, - это термометр, устройство, оснащенное градуированной шкалой для измерения температуры. Самым известным является ртутный термометр, который состоит из тонкого капилляра ртути, расширяющегося при нагревании.

Термометр с градуировкой по шкале Цельсия и Фаренгейта. Источник: Pixabay.

Затем наполненный ртутью капилляр вставляется в стеклянную трубку со шкалой и помещается в контакт с телом, температуру которого необходимо измерять до тех пор, пока они не достигнут теплового равновесия и температура обоих не будет одинаковой.

Что требуется для изготовления градусника?

Для начала вам нужно иметь какое-то термометрическое свойство, то есть такое, которое зависит от температуры.

Например, газ или жидкость, такая как ртуть, расширяются при нагревании, хотя также присутствует электрическое сопротивление, которое выделяет тепло, когда через них проходит ток. Короче говоря, можно использовать любое термометрическое свойство, которое легко измерить.

Если температура t прямо пропорциональна термометрическому свойству X, то это можно записать:

Где k - константа пропорциональности, которую необходимо определить, когда установлены две соответствующие температуры и измерены соответствующие значения X. Соответствующие температуры означают, что их легко получить в лаборатории.

После того, как пары (t ₁ , X ₁ ) и (t ₂ , X ₂ ) установлены, интервал между ними делится на равные части, это будут степени.

Температурные шкалы

Выбор температур, необходимых для построения температурной шкалы, осуществляется с учетом того, что их легко получить в лаборатории. Одной из наиболее широко используемых шкал в мире является шкала Цельсия, созданная шведским ученым Андерсом Цельсием (1701-1744).

0 по шкале Цельсия - это температура, при которой лед и жидкая вода находятся в равновесии при давлении 1 атмосфера, в то время как верхний предел выбирается, когда жидкая вода и водяной пар одинаково находятся в равновесии и при давлении 1 атмосфера. Этот интервал делится на 100 градусов, каждый из которых называется градусом Цельсия.

Это далеко не единственный способ построить масштаб. Существуют и другие шкалы, например шкала Фаренгейта, в которой интервалы выбраны с другими значениями. И есть шкала Кельвина, у которой есть только нижний предел: абсолютный ноль.

Абсолютный ноль соответствует температуре, при которой любое движение частиц в веществе полностью прекращается, однако, хотя оно и подошло довольно близко, оно еще не смогло охладить какое-либо вещество до абсолютного нуля.

Примеры

Каждый прямо или косвенно испытывает жару ежедневно. Например, когда вы пьете горячий напиток, на полуденном солнце, проверяете температуру двигателя автомобиля, в комнате, полной людей, и в бесчисленном множестве других ситуаций.

На Земле тепло необходимо для поддержания жизненных процессов, исходящих как от Солнца, так и изнутри планеты.

Точно так же климат определяется изменениями тепловой энергии, происходящими в атмосфере. Тепло Солнца не распространяется везде одинаково, на экваториальных широтах оно достигает большего, чем на полюсах, поэтому самый горячий воздух в тропиках поднимается и перемещается на север и юг, чтобы достичь теплового баланса. о чем говорили раньше.

Таким образом создаются воздушные потоки с разной скоростью, переносящие облака и дождь. С другой стороны, внезапное столкновение фронтов горячего и холодного воздуха вызывает такие явления, как штормы, торнадо и ураганы.

Напротив, на более близком уровне жара может быть не так приятна, как закат на пляже. Тепло вызывает проблемы в работе автомобильных двигателей и компьютерных процессоров.

Это также приводит к потере электрической энергии в токопроводящих кабелях и расширении материалов, поэтому термообработка так важна во всех областях техники.

упражнения

- Упражнение 1

На этикетке конфеты указано, что она содержит 275 калорий. Какому количеству энергии в джоулях эквивалентна эта конфета?

Решение

Вначале калория упоминалась как единица тепла. Пища содержит энергию, которая обычно измеряется в этих единицах, но диетические калории на самом деле являются килокалориями.

Эквивалентность следующая: 1 ккал = 4186 Дж, и делается вывод, что леденец имеет:

275 килокалорий x 4186 джоулей / килокалорий = 1,15 10 ⁶ Дж.

- Упражнение 2.

100 г металла нагревают до 100 ° C и помещают в калориметр с 300 г воды при 20 ° C. Температура, которую приобретает система при достижении равновесия, составляет 21,44 ° C. Вас просят определить удельную теплоемкость металла, если калориметр не поглощает тепло.

Решение

В этой ситуации металл отдает тепло, которое мы будем называть _{заданным} Q, и перед ним ставится знак (-), указывающий на потерю:

Со своей стороны, вода в калориметре поглощает тепло, которое обозначим как поглощенное Q:

Энергия сохраняется, из чего следует:

Из выписки можно рассчитать ΔT:

Важно: 1 ºC соответствует величине 1 кельвина. Разница между двумя шкалами в том, что шкала Кельвина абсолютна (градусы Кельвина всегда положительны).

Удельная теплоемкость воды при 20ºC составляет 4186 Дж / кг. K, и с его помощью можно рассчитать поглощенное тепло:

В заключение выясняется удельная теплоемкость металла:

Ссылки

1. Бауэр, В. 2011. Физика для инженерии и науки. Том 1. Макгроу Хилл.
2. Куэльяр, Дж. А. Физика II: подход, основанный на компетенциях. Макгроу Хилл.
3. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: взгляд на мир. 6 ^ta Редактирование сокращено. Cengage Learning.
4. Найт, р. 2017. Физика для ученых и инженерии: стратегический подход. Пирсон.
5. Типпенс, П. 2011. Физика: концепции и приложения. 7-е издание. Mcgraw Hill