CĂLDURĂ: FORMULE ȘI UNITĂȚI, CARACTERISTICI, MODUL DE MĂSURARE, EXEMPLE - FIZIC - 2025

Căldura în fizică este definită ca energia termică transferată de fiecare dată când obiectele de contact sau substanțe care sunt la temperaturi diferite. Acest transfer de energie și toate procesele legate de acesta, fac obiectul studiului termodinamicii, o ramură importantă a fizicii.

Căldura este una dintre numeroasele forme pe care le ia energia și una dintre cele mai cunoscute. Deci de unde vine? Răspunsul constă în atomii și moleculele care formează materia. Aceste particule din interiorul lucrurilor nu sunt statice. Le putem imagina ca mărgele mici legate de arcuri moi, capabile să se micșoreze și să se întindă cu ușurință.

Atomii și moleculele vibrează în interiorul substanțelor, ceea ce se traduce în energie internă. Sursa: P. Tippens. Fizică: concepte și aplicații.

În acest fel, particulele sunt capabile să vibreze, iar energia lor poate fi transferată cu ușurință către alte particule, precum și de la un corp la altul.

Cantitatea de căldură pe care un corp o absoarbe sau o eliberează depinde de natura substanței, de masa sa și de diferența de temperatură. Se calculează astfel:

Unde Q este cantitatea de căldură transferată, m este masa obiectului, C _e este căldura specifică a substanței și andT = T _final - T _inițială , adică diferența de temperatură.

Ca toate formele de energie, căldura este măsurată în jouli, în Sistemul Internațional (SI). Alte unități adecvate sunt: ​​ergii în sistemul cgs, Btu în sistemul britanic și caloriile, un termen utilizat frecvent pentru conținutul energetic al alimentelor.

Caracteristici de căldură

Căldura din focul de tabără este energie în transfer. Sursa: Pixabay

Există mai multe concepte cheie de care trebuie să țineți cont:

-Sânatul este despre energie în tranzit. Obiectele nu au căldură, o eliberează sau o absorb doar în funcție de circumstanță. Ceea ce obiectele au este energia internă, în virtutea configurației lor interne.

Această energie internă, la rândul său, este compusă din energie cinetică asociată cu mișcarea vibratorie și energia potențială, tipică configurației moleculare. Conform acestei configurații, o substanță va transfera căldura de mai mult sau mai puțin ușor și acest lucru se reflectă în căldura specifică C sa _e , valoarea care a fost menționată în ecuația la Q. calcula

-Al doilea concept important este că căldura este întotdeauna transferată de la cel mai tare corp la cel mai rece. Experiența indică că căldura de la cafeaua fierbinte trece întotdeauna spre porțelanul cupei și farfuriei, sau metalul lingurii cu care este agitată, niciodată invers.

-Calitatea de căldură transferată sau absorbită depinde de masa corpului în cauză. Adăugarea aceleiași cantități de calorii sau jouli la o probă cu masă X nu se încălzește în același mod cu alta a cărei masă este 2X.

Motivul? Există mai multe particule în eșantionul mai mare și fiecare ar primi în medie doar jumătate din energia probei mai mici.

Echilibrul termic și conservarea energiei

Experiența ne spune că atunci când punem două obiecte la temperaturi diferite în contact, după un timp temperatura ambelor va fi aceeași. Atunci se poate spune că obiectele sau sistemele, cum se mai pot numi, se află în echilibru termic.

Pe de altă parte, reflectând modul de creștere a energiei interne a unui sistem izolat, se concluzionează că există două mecanisme posibile:

i) Încălzirea, adică transferul de energie dintr-un alt sistem.

ii) Efectuați un fel de lucru mecanic asupra acestuia.

Ținând cont că energia este conservată:

În cadrul termodinamicii, acest principiu de conservare este cunoscut sub numele de prima lege a termodinamicii. Spunem că sistemul trebuie izolat, pentru că, în caz contrar, ar fi necesar să avem în vedere alte intrări sau ieșiri de energie în echilibru.

Cum se măsoară căldura?

Căldura se măsoară în funcție de efectul pe care îl produce. Prin urmare, sentimentul atingerii informează rapid cât de fierbinte sau rece este o băutură, un aliment sau orice obiect. Deoarece transferul sau absorbția căldurii are ca rezultat schimbări de temperatură, măsurarea acestora dă o idee despre cât de multă căldură a fost transferată.

Instrumentul utilizat pentru măsurarea temperaturii este termometrul, un dispozitiv echipat cu o scară gradată pentru a efectua citirea. Cel mai cunoscut este termometrul cu mercur, care constă dintr-un capilar fin de mercur care se extinde atunci când este încălzit.

Un termometru cu absolvire în cântare Celsius și Fahrenheit. Sursa: Pixabay.

Capilarul umplut cu mercur este apoi introdus într-un tub de sticlă cu o scară și este pus în contact cu corpul, a cărui temperatură trebuie măsurată până când ating echilibrul termic, iar temperatura ambelor este aceeași.

Ce este necesar pentru a face un termometru?

Pentru început, trebuie să aveți unele proprietăți termometrice, adică una care variază în funcție de temperatură.

De exemplu, un gaz sau un lichid, cum ar fi mercur, se extind atunci când este încălzit, deși servește și o rezistență electrică, care emite căldură când trece un curent prin el. Pe scurt, poate fi utilizată orice proprietate termometrică care poate fi măsurată cu ușurință.

Dacă temperatura t este direct proporțională cu proprietatea termometrică X, atunci se poate scrie:

În cazul în care k este constanta de proporționalitate care trebuie determinată atunci când sunt setate două temperaturi corespunzătoare și se măsoară valorile corespunzătoare ale lui X. Temperaturile adecvate înseamnă ușor de obținut în laborator.

Odată ce perechile (t ₁ , X ₁ ) și (t ₂ , X ₂ ) au fost stabilite, intervalul dintre ele este împărțit în părți egale, acestea vor fi gradele.

Cantare de temperatură

Selectarea temperaturilor necesare pentru a construi o scală de temperatură se face cu criteriul că sunt ușor de obținut în laborator. Una dintre cele mai utilizate scări în întreaga lume este scara Celsius, creată de savantul suedez Anders Celsius (1701-1744).

0 pe scara Celsius este temperatura la care gheața și apa lichidă sunt în echilibru la 1 atmosferă de presiune, în timp ce limita superioară este aleasă atunci când apa lichidă și vaporii de apă sunt la egalitate și la 1 atmosferă de presiune. Acest interval este împărțit în 100 de grade, fiecare dintre ele fiind numit centigrad de grade.

Nu este singura modalitate de a construi o scară, departe de aceasta. Există alte scale diferite, cum ar fi scara Fahrenheit, în care intervalele au fost alese cu alte valori. Și există scara Kelvin, care are doar o limită inferioară: zero absolut.

Zero absolut corespunde temperaturii la care întreaga mișcare a particulelor dintr-o substanță încetează complet, totuși, deși s-a apropiat destul de mult, nu a fost încă în măsură să răcească nicio substanță până la zero absolut.

Exemple

Toată lumea experimentează căldura zilnic, direct sau indirect. De exemplu, atunci când beți o băutură caldă, în soarele de amiază, examinând temperatura unui motor auto, într-o cameră plină de oameni și în nenumărate alte situații.

Pe Pământ, căldura este necesară pentru menținerea proceselor de viață, atât cea care provine de la Soare, cât și cea care provine din interiorul planetei.

De asemenea, climatul este determinat de schimbările energiei termice care apar în atmosferă. Căldura Soarelui nu ajunge peste tot în mod egal, la latitudinile ecuatoriale ajunge mai mult decât la poli, astfel încât aerul cel mai tare din tropice se ridică și se deplasează spre nord și sud, pentru a atinge echilibrul termic despre care se vorbea înainte.

În acest fel, curenții de aer sunt stabiliți cu viteze diferite, care transportă nori și ploi. Pe de altă parte, ciocnirea bruscă între fronturile de aer cald și rece provoacă fenomene precum furtuni, tornade și uragane.

În schimb, la un nivel mai apropiat, căldura nu poate fi la fel de binevenită ca un apus de soare pe plajă. Căldura provoacă probleme de funcționare la motoarele auto și procesoarele computerizate.

De asemenea, determină pierderea energiei electrice în cablurile de conducere și materialele să se extindă, motiv pentru care tratamentul termic este atât de important în toate domeniile ingineriei.

Exerciții

- Exercitiul 1

Eticheta unei bomboane scrie că oferă 275 calorii. Câtă energie este echivalentă cu plăcintele?

Soluţie

La început, caloria fusese menționată ca unitate pentru căldură. Mâncarea conține energie care este de obicei măsurată în aceste unități, dar caloriile dietetice sunt de fapt kilocalorii.

Echivalența este următoarea: 1 kcal = 4186 J, și se concluzionează că bomboanele au:

275 kilocalorii x 4186 joule / kilocalorie = 1,15 10 ⁶ J.

- Exercițiul 2

100 g de metal sunt încălzite la 100 ° C și plasate într-un calorimetru cu 300 g de apă la 20 ° C. Temperatura pe care o dobândește sistemul atunci când atinge echilibrul este de 21,44 ° C. Vi se cere să determinați căldura specifică a metalului, presupunând că calorimetrul nu absoarbe căldura.

Soluţie

În această situație, metalul renunță la căldură, pe care îl vom numi Q _dat și un semn (-) este plasat înaintea acestuia pentru a indica pierderea:

La rândul său, apa din calorimetru absoarbe căldura, care va fi notată ca Q absorbită:

Energia este conservată, din care rezultă că:

Din enunț puteți calcula ΔT:

Important: 1 ºC are aceeași dimensiune ca 1 kelvin. Diferența dintre cele două scale este că scara Kelvin este absolută (gradele Kelvin sunt întotdeauna pozitive).

Căldura specifică a apei la 20ºC este de 4186 J / kg. K și cu aceasta se poate calcula căldura absorbită:

În concluzie, căldura specifică a metalului este curățată:

Referințe

1. Bauer, W. 2011. Fizică pentru inginerie și științe. Volumul 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Abordare după competențe. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizica: o privire asupra lumii. 6 ^ta Editarea prescurtată. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Fizica oamenilor de știință și inginerie: o abordare strategică. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fizică: concepte și aplicații. Ediția a VII-a. Dealul Mcgraw