ЧУВСТВИТЕЛЬНОЕ ТЕПЛО: КОНЦЕПЦИЯ, ФОРМУЛЫ И РЕШЕННЫЕ УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

Теплосодержание является тепловой энергией , подводимой к объекту от его температуры до подъема. Это противоположно скрытой теплоте, при которой тепловая энергия не увеличивает температуру, а способствует фазовому переходу, например, из твердого состояния в жидкость.

Пример поясняет концепцию. Допустим, у нас есть горшок с водой комнатной температуры 20 ° C. Когда мы ставим его на плиту, подводимое тепло медленно увеличивает температуру воды до 100 ° C (температура кипения воды на уровне моря). Подаваемое тепло называется явным теплом.

Тепло, согревающее руки, - это ощутимое тепло. Источник: Pixabay

Когда вода достигает точки кипения, тепло, подаваемое горелкой, больше не повышает температуру воды, которая остается на уровне 100 ° C. В этом случае подводимая тепловая энергия вкладывается в испарение воды. Подаваемое тепло является скрытым, потому что оно не повышает температуру, а вместо этого вызывает переход от жидкой фазы к газовой.

Это экспериментальный факт, что явное тепло, необходимое для достижения определенного изменения температуры, прямо пропорционально этому изменению и массе объекта.

Концепция и формулы

Было замечено, что, помимо массы и разницы температур, ощутимое тепло также зависит от материала. По этой причине константа пропорциональности между явным теплом и произведением разности массы и температуры называется удельной теплотой.

Количество поставляемого явного тепла также зависит от того, как осуществляется процесс. Например, другое дело, если процесс осуществляется при постоянном объеме, чем при постоянном давлении.

Формула для явного тепла в изобарическом процессе, то есть при постоянном давлении, следующая:

Q = ср. м (Т ф - Т я)

В приведенном выше уравнении Q - это явное тепло, подводимое к объекту массы m, который повысил его начальную температуру T _i до конечного значения Tf. В приведенном выше уравнении также появляется cp, которая представляет собой удельную теплоемкость материала при постоянном давлении, потому что процесс был проведен таким образом.

Также обратите внимание, что физическое тепло является положительным, когда оно поглощается объектом и вызывает повышение температуры.

В случае, если тепло подводится к газу, заключенному в жесткий контейнер, процесс будет изохорическим, то есть с постоянным объемом; а формула явного тепла запишется так:

Q = c v. м. (Т ф - Т я)

Коэффициент адиабаты γ

Отношение между удельной теплоемкостью при постоянном давлении и удельной теплоемкостью при постоянном объеме для одного и того же материала или вещества называется адиабатическим коэффициентом, который обычно обозначается греческой буквой гамма γ.

Коэффициент адиабаты больше единицы. Тепло, необходимое для повышения температуры тела весом 1 грамм на один градус, больше в изобарическом процессе, чем в изохорном.

Это связано с тем, что в первом случае часть тепла используется для выполнения механических работ.

Помимо удельной теплоемкости, обычно определяют теплоемкость тела. Это количество тепла, необходимое для повышения температуры тела на один градус по Цельсию.

Теплоемкость C

Теплоемкость обозначается заглавной буквой C, а удельная теплоемкость маленькой c. Соотношение между обеими величинами следующее:

C = c⋅ m

Где m - масса тела.

Также используется молярная удельная теплоемкость, которая определяется как количество явного тепла, необходимое для повышения температуры одного моля вещества на один градус Цельсия или Кельвина.

Удельная теплоемкость твердых тел, жидкостей и газов

Молярная теплоемкость большинства твердых тел близка к трехкратному значению R, где R - универсальная газовая постоянная. R = 8,314472 Дж / (моль *).

Например, алюминий имеет молярную удельную теплоемкость 24,2 Дж / (моль ℃), медь 24,5 Дж / (моль ℃), золото 25,4 Дж / (моль ℃) и мягкое железо 25,1. Дж / (моль ℃). Обратите внимание, что эти значения близки к 3R = 24,9 Дж / (моль ℃).

Напротив, для большинства газов молярная теплоемкость близка к n ​​(R / 2), где n - целое число, а R - универсальная газовая постоянная. Целое число n связано с числом степеней свободы молекулы, составляющей газ.

Например, в одноатомном идеальном газе, молекула которого имеет только три поступательные степени свободы, молярная теплоемкость при постоянном объеме равна 3 (R / 2). Но если это двухатомный идеальный газ, то есть еще два градуса вращения, поэтому cv = 5 (R / 2).

В идеальных газах соблюдается следующее соотношение между молярной теплоемкостью при постоянном давлении и постоянном объеме: cp = cv + R.

Отдельного упоминания заслуживает вода. В жидком состоянии при 25 ℃ вода имеет cp = 4,1813 Дж / (г ℃), водяной пар при 100 градусах Цельсия имеет cp = 2,080 Дж / (г ℃), а водяной лед при 0 градусах Цельсия имеет cp. = 2050 Дж / (г *).

Разница со скрытой теплотой

Материя может находиться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Для изменения состояния требуется энергия, но каждое вещество по-разному реагирует на нее в зависимости от своих молекулярных и атомных характеристик.

Когда твердое тело тает или жидкость испаряется, температура объекта остается постоянной, пока все частицы не изменят свое состояние.

По этой причине возможно, что вещество находится в равновесии в двух фазах: например, твердое тело - жидкость или жидкость - пар. Некоторое количество вещества можно переводить из одного состояния в другое, добавляя или отводя немного тепла, при этом температура остается постоянной.

Тепло, подводимое к материалу, заставляет его частицы вибрировать быстрее и увеличивать их кинетическую энергию. Это приводит к повышению температуры.

Возможно, что энергия, которую они приобретают, настолько велика, что они больше не возвращаются в свое положение равновесия, и расстояние между ними увеличивается. Когда это происходит, температура не повышается, но вещество переходит из твердого состояния в жидкость или из жидкости в газ.

Тепло, необходимое для этого, называется скрытым теплом. Следовательно, скрытая теплота - это теплота, с помощью которой вещество может изменять фазу.

Вот разница с явным теплом. Вещество, поглощающее физическое тепло, увеличивает свою температуру и остается в том же состоянии.

Как рассчитать скрытую теплоту?

Скрытая теплота рассчитывается по формуле:

Где L может быть удельной теплотой испарения или теплотой плавления. Единицы L - энергия / масса.

Ученые дали теплу множество имен в зависимости от типа реакции, в которой он участвует. Например, теплота реакции, теплота сгорания, теплота затвердевания, теплота растворения, теплота сублимации и многие другие.

Значения многих из этих типов тепла для различных веществ сведены в таблицу.

Решенные упражнения

Пример 1

Предположим, что у А есть кусок алюминия массой 3 кг. Первоначально температура 20 ° C, а вы хотите поднять ее до 100 ° C. Рассчитайте необходимое явное тепло.

Решение

Сначала нам нужно знать удельную теплоемкость алюминия.

cp = 0,897 Дж / (г ° C)

Тогда количество тепла, необходимое для нагрева куска алюминия, составит

Q = имп / мин (Tf - Ti) = 0,897 * 3000 * (100-20) Дж

Q = 215 280 Дж

Пример 2

Рассчитайте количество тепла, необходимое для нагрева 1 литра воды с 25 ° C до 100 ° C на уровне моря. Результат выразите также в килокалориях.

Решение

Первое, что нужно запомнить, это то, что 1 литр воды весит 1 кг, то есть 1000 грамм.

Q = имп / мин (Tf - Ti) = 4,1813 Дж / (г ℃) * 1000 г * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 Дж

Калория - это единица энергии, которая определяется как физическое тепло, необходимое для повышения уровня воды в грамме на один градус Цельсия. Следовательно, 1 калория равна 4,1813 Дж.

Q = 313597,5 Дж * (1 кал / 4,1813 Дж) = 75000 кал = 75 ккал.

Пример 3

Кусок материала массой 360,16 грамма нагревается от 37 ℃ до 140 ℃. Затраченная тепловая энергия составляет 1150 калорий.

Нагревание образца. Источник: самодельный.

Найдите удельную теплоемкость материала.

Решение

Мы можем записать удельную теплоемкость как функцию физического тепла, массы и изменения температуры по формуле:

cp = Q / (м ΔT)

Подставляя данные, получаем следующее:

cp = 1150 кал / (360,16 г * (140 ℃ - 37 ℃)) = 0,0310 кал / (г ℃)

Но поскольку одна калория равна 4,1813 Дж, результат также можно выразить как

cp = 0,130 Дж / (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. Типпенс, П. 2011. Физика: концепции и приложения. Седьмой. Исправленное издание. Макгроу Хилл. 350 - 368.
4. Рекс, А. 2011. Основы физики. Пирсон. 309-332.
5. Сирс, Земанский. 2016. Университетская физика с современной физикой. 14 ^чт . Volume1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Основы физики. 9 ^на Cengage Learning. 362-374.