Ustalona koncepcja ciepła, formuły i ćwiczenia

On Wrażliwe ciepło Jest to energia cieplna dostarczana do obiektu, powodując wzrost jego temperatury. Jest przeciwieństwem utajonego ciepła, w którym energia cieplna nie zwiększa temperatury, ale promuje zmianę fazową, na przykład z stałego na ciecz.

Przykład wyjaśnia koncepcję. Załóżmy, że mamy garnek o temperaturze wody 20 ° C. Kiedy umieszczamy go w rogu, dostarczone ciepło powoli zwiększa temperaturę wody do 100 ° C (temperatura wrzenia wody na poziomie morza). Dostarczone ciepło nazywa się wrażliwym ciepłem.

Ciepło, które ogrzewa ręce, to wrażliwe ciepło. Źródło: Pixabay

Gdy woda osiągnie temperaturę wrzenia, ciepło dostarczane przez Hornilla nie zwiększa już temperatury wody, która pozostaje w temperaturze 100 ° C.  W takim przypadku dostarczana energia cieplna jest inwestowana w wodę odparowującą. Dostarczone ciepło jest utajone, ponieważ nie podniosło temperatury, ale spowodowało zmianę fazy ciekłej na fazę gazową.

Faktem jest eksperymentalne, że wrażliwe ciepło niezbędne do osiągnięcia pewnej zmienności temperatury jest wprost proporcjonalne do tej zmienności i masy obiektu.

[TOC]

Koncepcja i formuły

Zaobserwowano, że oprócz różnicy masy i temperatury, czułe ciepło zależy również od materiału. Z tego powodu stała proporcjonalności między wrażliwym ciepłem a iloczykiem masy według różnicy temperatury nazywa się ciepłem właściwym.

Ilość dostarczanego ciepła wrażliwego zależy również od tego, jak proces jest przeprowadzany. Na przykład jest inaczej, jeśli proces jest przeprowadzany przy stałej objętości niż stałe ciśnienie.

Wzór wrażliwych ciepła w procesie izobaryczne, To znaczy stałe ciśnienie, jest to następujące:

Q = CP . M (tF - TSiema)

W poprzednim równaniu Q Jest to wrażliwe ciepło dostarczane do obiektu masowego M, To podniosło początkową temperaturę T_Siema Aż do ostatecznej wartości Tf. W poprzednim równaniu również się pojawia CP, które jest ciepłem właściwym materiału pod stałym ciśnieniem, ponieważ proces został przeprowadzony w ten sposób.

Należy zauważyć, że wrażliwe ciepło jest dodatnie, gdy jest wchłaniane przez obiekt i powoduje wzrost temperatury.

W przypadku dostarczania gazu zamkniętego w sztywnym pojemniku, proces będzie izokoryczny, to znaczy, przy stałej objętości; A wrażliwa formuła ciepła zostanie napisana w ten sposób:

Może ci służyć: pofalowany ruch: cechy, rodzaje fal, przykłady

Q = cv. M . (TF - TSiema)

Współczynnik adiabatyczny γ

Współczynnik między ciepłem właściwym przy stałym ciśnieniu a ciepłem właściwym o stałej objętości dla tego samego materiału lub substancji nazywana jest Współczynnik adiabatyczny, który jest ogólnie oznaczony listem gamma gamma γ.

On Współczynnik adiabatyczny jest większy niż jednostka. Ciepło niezbędne do podwyższenia temperatury ciała gramu masy do stopnia jest większe w procesie izobarycznym niż w izokorycznym.

Dzieje się tak, ponieważ w pierwszym przypadku część ciepła jest używana do wykonywania pracy mechanicznej.

Oprócz ciepła właściwego, pojemność cieplna ciała jest zwykle zdefiniowana. Jest to ilość ciepła niezbędnego do podniesienia temperatury tego ciała stopnia liter.

Pojemność cieplna c

Pojemność cieplna jest oznaczona za pomocą C wielki C małe litery. Związek między obiema kwotami wynosi:

C = c⋅ m

Gdzie M To masa ciała.

Stosuje się również ciepło specyficzne molowe, które jest zdefiniowane jako ilość wrażliwego ciepła niezbędnego do podniesienia do temperatury Celsjusza lub Kelvina.

Ciepło właściwe w stałych, cieczach i gazach

Specyficzne ciepło molowe większości stałych ma wartość zbliżoną do 3 czasy R, Gdzie R Jest to uniwersalna stała gazów. R = 8,314472 J/(mol ℃).

Na przykład aluminium ma specyficzne ciepło trzonowe 24,2 J/(mol ℃), Miedź 24,5 J/(mol ℃), złoto 25,4 J/(mol ℃), i słodkie żelazo 25,1 J/(mol ℃). Zauważ, że wartości te są bliskie 3R = 24,9 J/(mol ℃).

Z drugiej strony dla większości gazów ciepło właściwe jest bliskie N (r/2), gdzie jest N liczba całkowita i R Jest to uniwersalna stała gazów. Liczba całkowita N jest związane z liczbą stopni swobody cząsteczki, która tworzy gaz.

Na przykład w idealnym gazie monoatomicznym, którego cząsteczka ma tylko trzy stopnie swobody, specyficzne ciepło molowe do stałej objętości wynosi 3 (r/2). Ale jeśli jest to idealny gaz dwuatomiczny, dwa stopnie obrotowe są dodatkowo, więc Cv = 5 (R/2).

Może ci służyć: półkole: jak obliczyć obwód, obszar, centroid, ćwiczenia

W gazach idealnych spełniono następującą zależność ciepła molowego ciepła a stałą objętością: CP = cv + R.

Wspomnienie z boku zasługuje na wodę. W stanie ciekłym przy 25 ℃ woda ma CP = 41813 J/(g ℃), Pary wodne w 100 stopniach Celsjusza CP = 2 080 j/(g ℃) I lód wodny do zerowej klasy Celsjusza CP = 2 050 j/(g ℃).

Różnica z utajonym upałem

Materię można znaleźć w trzech stanach: stałe, ciekłe i gazowe. Aby zmienić stan, wymagana jest energia, ale każda substancja reaguje na nią w inny sposób w zależności od cech molekularnych i atomowych.

Gdy stałe topi się lub odparowuje ciecz, temperatura obiektu pozostaje stała, dopóki wszystkie cząstki zmieniły jego status.

Dlatego możliwe jest, że jedna substancja jest jednocześnie w równowadze w dwóch fazach: na przykład stała - ciecz lub ciecz - pary. Ilość substancji może przejść z jednego stanu do drugiego, dodając lub usuwając odrobinę ciepła, a temperatura pozostaje ustalona.

Ciepło dostarczone do materiału powoduje szybsze wibrowanie cząstek i zwiększają energię kinetyczną. To przekłada się na wzrost temperatury.

Możliwe, że pozyskiwana energia jest tak duża, że ​​nie wracają już do swojej pozycji równowagi i nie zwiększają separacji między nimi. Kiedy tak się dzieje, temperatura nie wzrasta, ale substancja przechodzi z ciała stałego do ciekłego lub gazowego.

W upale niezbędnym, aby tak się stało Ciepło. Dlatego utajone ciepło to ciepło, za pomocą którego substancja może zmienić fazę.

Oto różnica z wrażliwym ciepłem. Substancja, która pochłania czułe ciepło, zwiększa jego temperaturę i pozostaje w tym samym stanie.

Jak obliczyć utajone ciepło?

Utrzymujące ciepło jest obliczane według równania:

Q = m . L

Gdzie L Może to być ciepło właściwe waporyzacji lub fuzji. Jednostki L Są energią/masą.

Naukowcy przedstawili liczne nominacje cieplne, w zależności od rodzaju reakcji, w której uczestniczy. Zatem na przykład istnieje ciepło reakcji, ciepło spalania, ciepło zestalania, ciepło roztworu, ciepło sublimacji i wiele innych.

Może ci służyć: energia kinetyczna: cechy, typy, przykłady, ćwiczenia

Wartości wielu z tych rodzajów ciepła dla różnych substancji są tabelowane.

Rozwiązane ćwiczenia

Przykład 1

Załóżmy, że ma 3 kg masowego aluminium. Początkowo jest w 20 ° C i chcesz podnieść jego temperaturę do 100 ° C. Oblicz niezbędne wrażliwe ciepło.

Rozwiązanie

Najpierw musimy znać ciepło właściwe aluminium

CP = 0,897 J / (G ° C)

Tak więc ilość ciepła potrzebnego do podgrzewania kawałka aluminium będzie

Q = cP M (tf - ti) = 0,897 * 3000 * (100 - 20) j

Q = 215280 J

Przykład 2

Oblicz ilość ciepła potrzebnego do ogrzewania 1 litra wody z 25 ° C do 100 ° C na poziomie morza. Wyraź wynik również w kilokaloriach.

Rozwiązanie

Pierwszą rzeczą, którą powinniśmy pamiętać, jest to, że 1 litr wody waży 1 kg, czyli 1000 gramów.

Q = cP m (tf - ti) = 41813 J/(g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 j

Kaloria to jednostka energii zdefiniowana jako wrażliwe ciepło niezbędne do podniesienia grama wody do Celsjusza. Dlatego 1 kaloria jest równoważna 4 1813 dżuli.

Q = 313597,5 J * (1 Cal / 4,1813 J) = 75000 wapna = 75 kcal.

Przykład 3

Kawałek 360,16 gramów materiału jest podgrzewany od 37 ℃ do 140 ℃. Dostarczana energia cieplna to 1150 kalorii.

Ogrzewanie próbki. Źródło: Self Made.

Znajdź ciepło właściwe materiału.

Rozwiązanie

Możemy napisać ciepło właściwe na podstawie czułej zmiany ciepła, masy i temperatury zgodnie z wzorem:

CP = Q /(m δt)  

Zastąpienie danych mamy następujące:

CP = 1150 cal / (360,16 g * (140 ℃ - 37 ℃)) = 0.0310 Cal / (g ℃)

Ale ponieważ kaloria jest równoważna 41813 J, wynik można również wyrazić jako

CP = 0,130 j / (g ℃)

Bibliografia

1. Giancoli, zm.  2006. Fizyka: zasady z aplikacjami. 6^th. Wyd. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizyka: spojrzenie na świat. 6^ta Skrócone wydanie. Cengage Learning. 156 - 164.
3. Tippens, s. 1. 2011. Fizyka: koncepcje i zastosowania. 7th. Wydanie poprawione. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, a. 2011. Podstawy fizyki. osoba. 309 - 332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Fizyka uniwersytecka z nowoczesną fizyką. 14^th. Tom 1. 556 - 553.
6. Serway, r., Vulle, c. 2011. Podstawy fizyki. 9^na Cengage Learning. 362 - 374.