CĂLDURĂ SENSIBILĂ: CONCEPT, FORMULE ȘI EXERCIȚII REZOLVATE - FIZIC - 2025

Căldura sensibilă este energia termică furnizată unui obiect prin temperatura sa la naștere. Este opusul căldurii latente, în care energia termică nu crește temperatura, dar promovează o schimbare de fază, de exemplu de la solid la lichid.

Un exemplu clarifică conceptul. Să presupunem că avem o oală cu apă la temperatura camerei de 20 ° C. Când o așezăm pe aragaz, căldura furnizată crește încet temperatura apei până ajunge la 100 ° C (temperatura de fierbere a apei la nivelul mării). Căldura furnizată se numește căldură sensibilă.

Căldura care încălzește mâinile este căldură sensibilă. Sursa: Pixabay

Odată ce apa atinge punctul de fierbere, căldura furnizată de arzător nu mai crește temperatura apei, care rămâne la 100 ° C. În acest caz, energia termică furnizată este investită în evaporarea apei. Căldura furnizată este latentă, deoarece nu a crescut temperatura, ci a provocat o schimbare de la faza lichidă la faza gazoasă.

Este un fapt experimental că căldura sensibilă necesară pentru a obține o anumită variație a temperaturii este direct proporțională cu acea variație și cu masa obiectului.

Concept și formule

S-a observat că, în afară de masă și diferența de temperatură, căldura sensibilă depinde și de material. Din acest motiv, constanta de proporționalitate între căldura sensibilă și produsul diferenței de masă și temperatură se numește căldură specifică.

Cantitatea de căldură sensibilă furnizată depinde și de modul în care se desfășoară procesul. De exemplu, este diferit dacă procesul se desfășoară la volum constant decât la presiune constantă.

Formula unei călduri sensibile într-un proces izobar, adică la presiune constantă, este următoarea:

Q = cp. m (T f - T i)

În ecuația de mai sus Q este căldura sensibilă furnizată obiectului masei m, care și-a ridicat temperatura inițială T _i la valoarea finală Tf. În ecuația anterioară apare și cp, care este căldura specifică a materialului la presiune constantă, deoarece procesul a fost realizat în acest fel.

Rețineți că căldura sensibilă este pozitivă atunci când este absorbită de obiect și determină o creștere a temperaturii.

În cazul în care căldura este furnizată unui gaz închis într-un recipient rigid, procedeul va fi izochoric, adică la volum constant; iar formula de căldură sensibilă va fi scrisă astfel:

Q = c v. m. (T f - T i)

Coeficientul adiabatic γ

Coeficientul dintre căldura specifică la presiune constantă și căldura specifică la volum constant pentru același material sau substanță se numește coeficientul adiabatic, care este notat în general de litera greacă gamma γ.

Coeficientul adiabatic este mai mare decât unitatea. Căldura necesară pentru creșterea temperaturii unui corp de un gram cu un grad este mai mare într-un proces izobaric decât într-unul izoic.

Acest lucru se datorează faptului că, în primul caz, o parte din căldură este utilizată pentru a efectua lucrări mecanice.

În plus față de căldura specifică, capacitatea de căldură a unui corp este, de asemenea, de obicei definită. Aceasta este cantitatea de căldură necesară pentru a ridica temperatura corpului respectiv cu un grad centigrad.

Capacitate de căldură C

Capacitatea de căldură este notată cu un capital C, în timp ce căldura specifică este de un mic c. Relația dintre ambele cantități este:

C = c⋅ m

Unde m este masa corpului.

Căldura specifică molară este, de asemenea, utilizată, care este definită ca cantitatea de căldură sensibilă necesară pentru a ridica temperatura unui mol de substanță cu un grad Celsius sau Kelvin.

Căldură specifică în solide, lichide și gaze

Căldura specifică molară a majorității solidelor are o valoare apropiată de 3 ori R, unde R este constanta universală a gazului. R = 8.314472 J / (mol *).

De exemplu, aluminiu are căldură specifică molară 24,2 J / (mol ℃), cupru 24,5 J / (mol ℃), aur 25,4 J / (mol ℃) și fier moale 25,1 J / (mol ℃). Rețineți că aceste valori sunt apropiate de 3R = 24,9 J / (mol ℃).

În schimb, pentru majoritatea gazelor, căldura specifică molară este aproape de n (R / 2), unde n este un număr întreg și R este constanta universală a gazului. Întregul n este legat de numărul de grade de libertate a moleculei care formează gazul.

De exemplu, într-un gaz ideal monatomic, a cărui moleculă are doar cele trei grade de translație de libertate, căldura specifică molară la volum constant este 3 (R / 2). Dar dacă este un gaz ideal diatomic, există în plus două grade de rotație, deci cv = 5 (R / 2).

În gazele ideale, urmărește următoarea relație între căldura specifică molară la presiune constantă și volum constant: cp = cv + R.

Apa merită o mențiune specială. În stare lichidă la 25 ℃, apa are cp = 4.1813 J / (g ℃), vaporii de apă la 100 de grade Celsius au cp = 2.080 J / (g ℃), iar gheața de apă la zero grade Celsius are cp = 2.050 J / (g *).

Diferența cu căldura latentă

Materia poate fi în trei stări: solid, lichid și gaz. Energia este necesară pentru a schimba starea, dar fiecare substanță răspunde la ea într-un mod diferit în funcție de caracteristicile sale moleculare și atomice.

Când un solid se topește sau un lichid se evaporă, temperatura obiectului rămâne constantă până când toate particulele și-au schimbat starea.

Din acest motiv, este posibil ca o substanță să fie în echilibru în două faze: solid - lichid sau lichid - vapori, de exemplu. O cantitate de substanță poate fi transferată de la o stare la alta prin adăugarea sau îndepărtarea puțină căldură, în timp ce temperatura rămâne fixă.

Căldura furnizată unui material face ca particulele sale să vibreze mai rapid și să-și crească energia cinetică. Aceasta se traduce printr-o creștere a temperaturii.

Este posibil ca energia pe care o achiziționează să fie atât de mare încât să nu mai revină la poziția lor de echilibru și separarea dintre ele crește. Când se întâmplă acest lucru, temperatura nu crește, dar substanța trece de la solid la lichid sau de la lichid la gaz.

Căldura necesară pentru ca acest lucru să se întâmple este cunoscut sub numele de căldură latentă. Prin urmare, căldura latentă este căldura prin care o substanță poate schimba faza.

Iată diferența cu căldura sensibilă. O substanță care absoarbe căldura sensibilă își crește temperatura și rămâne în aceeași stare.

Cum se calculează căldura latentă?

Căldura latentă este calculată prin ecuație:

În cazul în care L poate fi căldura specifică de vaporizare sau căldura de fuziune. Unitățile L sunt energie / masă.

Oamenii de știință au dat căldură numeroase nume, în funcție de tipul de reacție la care participă. De exemplu, există căldura de reacție, căldura de ardere, căldura de solidificare, căldura soluției, căldura de sublimare și multe altele.

Valorile multor aceste tipuri de căldură pentru diferite substanțe sunt tabulate.

Exerciții rezolvate

Exemplul 1

Să presupunem că acesta are o bucată de aluminiu cu o greutate de 3 kg. Inițial este la 20 ° C și doriți să ridicați temperatura la 100 ° C. Calculați căldura sensibilă necesară.

Soluţie

Mai întâi trebuie să cunoaștem căldura specifică a aluminiului

cp = 0,897 J / (g ° C)

Apoi, cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea bucății de aluminiu va fi

Q = cpm (Tf - Ti) = 0,897 * 3000 * (100 - 20) J

Q = 215 280 J

Exemplul 2

Calculați cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi 1 litru de apă de la 25 ° C la 100 ° C la nivelul mării. Exprimați rezultatul și în kilocalorii.

Soluţie

Primul lucru de reținut este că 1 litru de apă cântărește 1 kg, adică 1000 de grame.

Q = cpm (Tf - Ti) = 4.1813 J / (g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 J

Caloria este o unitate de energie care este definită drept căldura sensibilă necesară pentru a ridica un gram de apă cu un grad Celsius. Prin urmare, 1 calorie este egală cu 4.1813 Joule.

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

Exemplul 3

Un material de 360,16 grame este încălzit de la 37 ℃ la 140 ℃. Energia termică furnizată este de 1150 de calorii.

Încălzirea probei. Sursa: creată de sine.

Găsiți căldura specifică a materialului.

Soluţie

Putem scrie căldura specifică ca funcție a căldurii sensibile, a masei și a variației temperaturii conform formulei:

cp = Q / (m ΔT)

Înlocuind datele, avem următoarele:

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

Dar, deoarece o calorie este egală cu 4.1813 J, rezultatul poate fi exprimat și ca

cp = 0,130 J / (g ℃)

Referințe

1. Giancoli, D. 2006. Fizică: Principii cu aplicații. 6 ^a . Ed. Sala Prentice. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizica: o privire asupra lumii. 6 ^ta Editarea prescurtată. Cengage Learning. 156-164.
3. Tippens, P. 2011. Fizică: concepte și aplicații. Al 7-lea. Ediție revizuită. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. Fundamentele fizicii. Pearson. 309-332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitatea de fizică cu fizică modernă. 14 ^a . Volumul 1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentele fizicii. 9 ^na Cengage Learning. 362-374.