- În ce constă și formule
- calorii
- De ce depinde cantitatea de căldură absorbită?
- Cum să-l calculez?
- Echilibrul energetic
- Căldura specifică a unei substanțe
- Un exemplu despre cum se calculează căldura specifică a unui material
- Exercițiu rezolvat
- Abordare
- Date
- Soluţie
- Argint
- Agitator de cupru
- Apă
- Cana din aluminiu
- Referințe
Căldura absorbită este definită ca transferul de energie între două corpuri la temperaturi diferite. Cel cu o temperatură mai scăzută absoarbe căldura celui cu o temperatură mai mare. Când se întâmplă acest lucru, energia termică a substanței care absoarbe căldura crește, iar particulele care o compun vibrează mai rapid, crescând energia lor cinetică.
Aceasta poate duce la o creștere a temperaturii sau la o schimbare a stării. De exemplu, treceți de la solid la lichid, cum ar fi gheața atunci când se topește în contact cu apa sau soda la temperatura camerei.
Lingura de metal absoarbe căldura din cafeaua fierbinte. Sursa: Pixabay.
Datorită căldurii, este posibil și obiectele să își schimbe dimensiunile. Expansiunea termică este un bun exemplu al acestui fenomen. Când majoritatea substanțelor sunt încălzite, acestea tind să crească în dimensiuni.
O excepție de la aceasta este apa. Aceeași cantitate de apă lichidă își crește volumul atunci când se răcește sub 4ºC. În plus, schimbările de temperatură pot experimenta, de asemenea, modificări ale densității sale, ceva foarte observabil și în cazul apei.
În ce constă și formule
În cazul energiei în tranzit, unitățile de căldură absorbită sunt Joules. Totuși, de multă vreme, căldura a avut propriile unități: caloriile.
Chiar și astăzi această unitate este folosită pentru a cuantifica conținutul de energie al alimentelor, deși, în realitate, o calorie dietetică corespunde unei kilocalorii de căldură.
calorii
Caloria, prescurtată ca var, este cantitatea de căldură necesară pentru a ridica temperatura de 1 gram de apă cu 1ºC.
În secolul al XIX-lea, Sir James Prescott Joule (1818 - 1889) a efectuat un faimos experiment în care a reușit să transforme munca mecanică în căldură, obținând următoarea echivalență:
În unitățile britanice, unitatea de căldură se numește Btu (unitatea termică britanică), care este definită ca cantitatea de căldură necesară pentru ridicarea temperaturii unei kilograme de apă cu 1ºF.
Echivalența dintre unități este următoarea:
Problema cu aceste unități mai vechi este că cantitatea de căldură depinde de temperatură. Adică, cea necesară pentru a merge de la 70ºC la 75ºC nu este aceeași cu cea necesară pentru încălzirea apei de la 9ºC la 10ºC, de exemplu.
De aceea, definiția are în vedere domenii bine definite: de la 14,5 la 15,5 ° C, respectiv 63 până la 64 ° F pentru calorii, respectiv Btu.
De ce depinde cantitatea de căldură absorbită?
Cantitatea de căldură absorbită depinde de mai mulți factori:
- Liturghie. Cu cât este mai mare masa, cu atât mai multă căldură este capabilă să absoarbă.
- Caracteristicile substanței. Există substanțe care, în funcție de structura lor moleculară sau atomică, sunt capabile să absoarbă mai multă căldură decât altele.
- Temperatura. Adăugarea mai multă căldură este necesară pentru a obține o temperatură mai ridicată.
Cantitatea de căldură, notată Q, este proporțională cu factorii descriși. Prin urmare, poate fi scris ca:
Acolo unde m este masa obiectului, c este o constantă numită căldură specifică, o proprietate intrinsecă a substanței și Δ T este schimbarea temperaturii obținută prin absorbția căldurii.
Această diferență are un semn pozitiv, deoarece la absorbția căldurii, este de așteptat ca T f > T o. Aceasta se întâmplă cu excepția cazului în care substanța suferă o modificare de fază, cum ar fi apa care trece de la lichid la vapori. Când apa fierbe, temperatura ei rămâne constantă la aproximativ 100ºC, indiferent cât de repede fierbe.
Cum să-l calculez?
Punând două obiecte la temperaturi diferite în contact, după un timp, ambele ating echilibrul termic. Temperaturile apoi se egalizează și transferul de căldură încetează. Același lucru se întâmplă dacă mai mult de două obiecte vin în contact. După un anumit timp, toate vor fi la aceeași temperatură.
Presupunând că obiectele aflate în contact formează un sistem închis, din care nu poate scăpa căldura, se aplică principiul conservării energiei, astfel încât se poate afirma că:
Q absorbit = - Q cedat
Aceasta reprezintă un echilibru energetic, similar cu cel al veniturilor și cheltuielilor unei persoane. Din acest motiv, căldura transferată are un semn negativ, deoarece pentru obiectul care cedează, temperatura finală este mai mică decât cea inițială. Prin urmare:
Ecuația Q absorbită = - Q cedată este utilizată ori de câte ori două obiecte sunt în contact.
Echilibrul energetic
Pentru a realiza echilibrul energetic este necesar să distingem obiectele care absorb căldura de cele care produc, apoi:
Σ Q k = 0
Adică, suma câștigurilor și pierderilor de energie într-un sistem închis trebuie să fie egală cu 0.
Căldura specifică a unei substanțe
Pentru a calcula cantitatea de căldură absorbită este necesar să cunoaștem căldura specifică a fiecărei substanțe participante. Aceasta este cantitatea de căldură necesară pentru a ridica temperatura de 1 g de material cu 1ºC. Unitățile sale din Sistemul internațional sunt: Joule / kg. K.
Există tabele cu căldura specifică a multor substanțe, în general calculate cu ajutorul unui calorimetru sau instrumente similare.
Un exemplu despre cum se calculează căldura specifică a unui material
250 de calorii sunt necesare pentru a ridica temperatura unui inel metalic de la 20 la 30 ºC. Dacă inelul are o masă de 90 g. Care este căldura specifică a metalului în unitățile SI?
Soluţie
Primele unități sunt convertite:
Q = 250 calorii = 1046,5 J
m = 90 g = 90 x 10 -3 kg
Exercițiu rezolvat
O cană de aluminiu conține 225 g de apă și un agitator de cupru de 40 g, toate la 27 ° C. O probă de 400 g de argint la o temperatură inițială de 87 ° C este plasată în apă.
Agitatorul este folosit pentru a agita amestecul până când atinge temperatura finală de echilibru de 32 ° C. Calculați masa cupei de aluminiu, având în vedere că nu există pierderi de căldură pentru mediu.
Schema unui calorimetru. Sursa: Solidswiki.
Abordare
După cum sa menționat mai sus, este important să distingem între obiectele care renunță la căldură de cele care absorb:
- Cupa de aluminiu, agitatorul de cupru și apa absorb căldura.
- proba de argint produce căldură.
Date
Se furnizează călduri specifice fiecărei substanțe:
Căldura absorbită sau transferată de fiecare substanță este calculată folosind ecuația:
Soluţie
Argint
Q a dat = 400 x 10 -3 . 234 x (32 - 87) J = -5148 J
Agitator de cupru
Q absorbit = 40 x 10 -3 . 387 x (32 - 27) J = 77,4 J
Apă
Q absorbit = 225 x 10 -3 . 4186 x (32 - 27) J = 4709,25 J
Cana din aluminiu
Q absorbit = m aluminiu . 900 x (32 - 27) J = 4500 .m aluminiu
Folosind:
Σ Q k = 0
77,4 + 4709.25 + 4500 .m aluminiu = - (-5148)
În cele din urmă, masa aluminiului este curățată:
m aluminiu = 0,0803 kg = 80,3 g
Referințe
- Giancoli, D. 2006. Fizică: Principii cu aplicații. 6 a . Ed. Sala Prentice. 400 - 410.
- Kirkpatrick, L. 2007. Fizica: o privire asupra lumii. 6 ta Editarea prescurtată. Cengage Learning. 156-164.
- Rex, A. 2011. Fundamentele fizicii. Pearson. 309-332.
- Sears, Zemansky. 2016. Universitatea de fizică cu fizică modernă. 14 a . Volumul 1. 556-553.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentele fizicii. 9 na Cengage Learning. 362 - 374