Formuły cieplne i jednostki, charakterystyka, sposób mierzona, przykłady

On ciepło W fizyce jest to definiowane jako Przekazano energię cieplną pod warunkiem, że obiekty lub substancje w różnej temperaturze są w kontakcie. Ten transfer energii i wszystkie powiązane z nim procesy są przedmiotem badań termodynamiki, ważnej gałęzi fizyki.

Ciepło jest jedną z wielu form, które przyjmują energię, i jedną z najbardziej znajomych. Dlatego warto zapytać, skąd pochodzi. Odpowiedź dotyczy atomów i cząsteczek, które składają się na sprawę. Te cząsteczki wewnątrz rzeczy nie są statyczne. Możemy sobie wyobrazić je jako małe relacje zjednoczone miękkimi źródłami, zdolne do łatwego kurczenia się i rozciągania.

Atomy i cząsteczki wibrują substancje wewnętrzne, co przekłada się na energię wewnętrzną. Źródło: str. Tippens. Fizyka: koncepcje i zastosowania.

W ten sposób cząstki są zdolne do wibracji, a ich energia można łatwo przenieść na inne cząstki, a także z jednego ciała do drugiego.

Ilość ciepła, które ciało pochłania lub daje, zależy od charakteru substancji, jej masy i różnicy temperatury. Jest to obliczane w ten sposób:

Q = m.C_I .Δt

Gdzie Q Jest to ilość przeniesionego ciepła, M Jest to masa obiektu, C_I Jest to ciepło właściwe substancji i ΔT = t_finał - T_wstępny, to znaczy różnica temperatur.

Podobnie jak wszystkie formy energii, ciepło mierzy się w Dżule, W systemie międzynarodowym (SI). Inne odpowiednie jednostki to: ergios W systemie CGS, BTU W systemie brytyjskim i kaloria, powszechny termin, aby poznać zawartość energii w żywności.

[TOC]

Charakterystyka ciepła

Ciepło ognia to energia w przeniesieniu. Źródło: Pixabay

Istnieje kilka kluczowych pojęć, które należy wziąć pod uwagę:

-Ciepło jest w pobliżu Energia w tranzycie. Obiekty nie mają ciepła, dają je tylko do niego lub wchłaniają według okoliczności. To, co robią obiekty energia wewnętrzna, W ramach konfiguracji wewnętrznej.

Ta energia wewnętrzna z kolei składa się z energii kinetycznej związanej z ruchem wibracyjnym i energią potencjalną, typową dla konfiguracji molekularnej. Zgodnie z tą konfiguracją substancja przesyła ciepło coraz łatwiej, co znajduje odzwierciedlenie w jego ciepcie właściwym C_I, Wartość wymieniona w równaniu do obliczenia Q.

-Drugą ważną koncepcją jest to, że ciepło jest zawsze przenoszone z najgorętszego ciała na najzimniejsze. Doświadczenie wskazuje, że ciepło gorącej kawy zawsze przechodzi w kierunku porcelany kubka i talerza lub do metalu łyżki, z którą się miesza.

-Ilość ciepła przypisanego lub wchłonięcia zależy od masy omawianej ciała. Dodaj tę samą ilość kalorii lub dżuli do próbki z ciastem X nie ogrzewa się do innej, której masa wynosi 2x.

Może ci służyć: fale elektromagnetyczne: teoria Maxwella, typy, cechy

Powód? W największej próbce jest więcej cząstek, a każda z nich otrzyma średnio tylko połowę energii niż najmniejsza próbka.

Bilans termiczny i ochrona energii

Doświadczenie mówi nam, że kiedy umieścimy dwa obiekty w różnej temperaturze, temperatura obu będzie w tym samym czasie. Następnie można potwierdzić, że obiekty lub systemy, jak można je również wywołać, są w Równowaga termiczna.

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

i) Podgrzej to, to znaczy energia przenoszona z innego systemu.

i) wykonaj na nim jakąś pracę mechaniczną.

Biorąc pod uwagę, że energia jest zachowana:

Każdy wzrost energii wewnętrznej systemu jest równy ilości ciepła, które jest dodawane bardziej pracą, która jest na niej wykonana.

W ramach termodynamiki znana jest ta zasada ochrony Pierwsze prawo termodynamiki. Mówimy, że system musi być izolowany, w przeciwnym razie w równowadze należy wziąć pod uwagę inne wejścia lub energii.

Jak mierzy się ciepło?

Ciepło mierzy się zgodnie z efektem, jaki wytwarza. Dlatego to poczucie dotyku, które szybko informuje, jak gorący lub zimny jest napój, posiłek lub dowolny przedmiot. Ponieważ podawanie lub wchłanianie ciepła przekłada się na zmiany temperatury, pomiar tego ma pojęcie o tym, ile ciepła zostało przeniesione.

Przyrządem używanym do pomiaru temperatury jest termometr, urządzenie dostarczone ze stopniowaną skalą do przeprowadzenia odczytu. Najbardziej znany jest termometr rtęciowy, który składa się z drobnej kapilary rtęciowej, która rozszerza się podczas ogrzewania.

Termometr z ukończeniem skal Celsjusza i Fahrenheita. Źródło: Pixabay.

Następnie kapilara pełna rtęci jest wkładana do szklanej rurki ze skalą i skontaktuje się z ciałem, którego temperaturę należy mierzyć, aż osiągną równowagę termiczną, a temperatura obu jest taka sama.

Co jest wymagane do zrobienia termometru?

Na początek konieczne jest posiadanie właściwości termometrycznej, to znaczy, która zmienia się w zależności od temperatury.

Na przykład gaz lub ciecz, podobnie jak rtęć, rozszerzaj się podczas ogrzewania, chociaż służy również oporności elektrycznej, która emituje ciepło po skrzyżowaniu prądem. Krótko mówiąc, można użyć każdej właściwości termometrycznej.

Jeśli temperatura T jest wprost proporcjonalny do właściwości termometrycznej X, Następnie możesz napisać:

t = kx

Gdzie k Jest stałą proporcjonalności, którą należy ustalić, gdy ustawione są dwie odpowiednie temperatury i odpowiednie wartości X. Odpowiednie temperatury oznacza łatwe do uzyskania w laboratorium.

Może ci służyć: ukośny paraboliczny strzał: cechy, wzory, równania, przykłady

Po ustaleniu pary (T₁, X₁) I (T₂, X₂), Interwał między nimi jest podzielony na równe części, będą to oceny.

Skale temperatury

Wybór niezbędnych temperatur w celu zbudowania skali temperatury jest dokonany z kryterium, które są one łatwe do uzyskania w laboratorium. Jedną z najczęściej używanych łusek na całym świecie jest skala Celsjusza, stworzona przez szwedzkiego naukowca Andersa Celsjusza (1701-1744).

0 skali Celsjusza jest temperaturą, w której lodowe i ciekłe woda są w równowadze w 1 atmosferze ciśnieniowej, podczas gdy górny przystanek jest wybierany, gdy ciekła woda i para wodna jest w równowadze i w 1 atmosferze ciśnienia. Ten przedział jest podzielony na 100 stopni, z których każdy jest nazywany stopni Celsjusza.

To nie jest jedyny sposób na zbudowanie skali, a tym bardziej. Istnieją inne różne skale, takie jak skala Fahrenheita, w której wybrano odstępy z innymi wartościami. I jest skala Kelvina, która ma tylko niższy przystanek: bezwzględny zero.

Bezwzględny zero odpowiada temperaturze, w której każdy ruch cząstek w substancji całkowicie ustaje, chociaż był dość blisko, żadna substancja nie została jeszcze ochłodzona do bezwzględnego zera.

Przykłady

Wszystkie doświadczają ciepła codziennie, bezpośrednio lub pośrednio. Na przykład, gdy przyjmuje się gorący napój, po otrzymaniu południa słońca, badanie temperatury motorycznej samochodu, w pokoju pełnym ludzi i w niezliczonych większych sytuacjach.

Na Ziemi ciepło jest konieczne do utrzymania procesów życia, zarówno tego, który pochodzi ze Słońca, jak i ten, który opuszcza wnętrze planety.

Podobnie klimat jest napędzany zmianami energii cieplnej, które występują w atmosferze. Ciepło Słońca nie osiąga równych wszędzie, szerokości równikowe dociera więcej niż bieguny, więc najgorętsze powietrze tropików wzrasta i porusza się na północ i południe, aby osiągnąć równowagę termiczną, która została omówiona wcześniej.

W ten sposób prądy powietrza są ustalane przy różnych prędkościach, które transportowe chmury i deszcz. Z drugiej strony nagle zderzenie gorących i zimnych frontów powoduje zjawiska takie jak burze, tornada i huragany.

Z drugiej strony, na bliższym poziomie, ciepło może nie być tak mile widziane jak zachód słońca na plaży. Ciepło powoduje problemy z działaniem w silnikach samochodowych i procesorach komputerowych.

Może ci służyć: Watt Law: co to jest, przykłady, aplikacje

Powoduje również utratę energii elektrycznej w kablach i materiałach do rozszerzenia, więc obróbka cieplna jest tak ważna we wszystkich obszarach inżynierii.

Ćwiczenia

- Ćwiczenie 1

Na etykiecie czytania cukierków, które wnoszą 275 kalorii. Ile energii w dżule jest równoważne temu cukierkowi?

Rozwiązanie

Na początku kaloria została wymieniona jako jednostka ciepła. Żywność zawiera energię, która zwykle mierzy się w tych jednostkach, ale spożywanie kalorii to w rzeczywistości kilokalorie.

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

275 kilokalorii x 4186 Joule/Kilocaloria = 1.15 10⁶ J.

- Ćwiczenie 2

100 g są podgrzewane do metalu do 100 ° C i umieszczają go w kalorymetrze z 300 g wody w temperaturze 20 ° C. Temperatura uzyskana przez system, gdy osiągnie równowagę, wynosi 21.44 ° C. Poproszono o określenie ciepła właściwego metalu, zakładając, że kalorymetr nie wchłania ciepła.

Rozwiązanie

W tej sytuacji metal daje ciepło, który nazwiemy Q_Sceding A znak (-) jest umieszczany przed wskazaniem straty:

Q_Sceding = m_metal .Ec_metal. Δt

Ze swojej części woda kalorymetru pochłania ciepło, które zostanie oznaczone jako wchłaniane:

Q_{zaabsorbowany} = m_woda .Ec _woda . Δt

Energia jest zachowana, z której następuje:

Q_Sceding = Q_{zaabsorbowany}

Z instrukcji, które możesz obliczyć Δt:

Metal: ΔT = t_finał - T_wstępny= (21.44 - 100) ºC = -78.56 ° C = -78.56 K.

Woda: ΔT = t_finał - T_wstępny= (21.44 - 20) ºC = 1.44 ° C = 1.44 K.

Ważny: 1 ºC ma ten sam rozmiar co 1 Kelvin. Różnica między obiema skalami polega na tym, że skala Kelvina jest absolutna (oceny Kelvina są zawsze dodatnie).

Ciepło właściwe wody w temperaturze 20 ° C wynosi 4186 J/kg. K, a dzięki temu możesz już obliczyć pochłonięte ciepło:

Q_{zaabsorbowany} = m_woda .Ec _woda . ΔT = 300 x 10^-3 kg . 4186 J/kg . K . 1.44 k = 1808.35 J.

Podsumowując, ciepło właściwe metalu jest oczyszczone:

Ec _metal = Q _{zaabsorbowany} /-M _metal . ΔT _metal  = 1808.35 J / -[(100 x 10^-3 kg. (-78.56 K)] = 230.2 j/kg.K

Bibliografia

1. Bauer, w. 2011. Fizyka inżynierii i nauki. Tom 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, J.DO. Fisca II: podejście kompetencyjne. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6^ta Skrócone wydanie. Cengage Learning.
4. Knight, r.  2017. Fizyka dla naukowców i inżynierii: podejście strategiczne.  osoba.
5. Tippens, s. 1. 2011. Fizyka: koncepcje i zastosowania. 7. edycja. McGraw Hill