SUGERIAMA ŠILUMA: FORMULĖS, KAIP JĄ APSKAIČIUOTI, IR IŠSPRĘSTI PRATIMAI - FIZINIS - 2024

Absorbuojamas šilumos yra apibrėžiamas kaip energijos perdavimo tarp dviejų organų, esant skirtingoms temperatūroms. Tas, kurio temperatūra žemesnė, sugeria to, kurio temperatūra aukštesnė. Kai tai atsitiks, padidėja šilumą sugeriančios medžiagos šiluminė energija, o ją sudarančios dalelės greičiau vibruoja, padidindamos kinetinę energiją.

Tai gali sukelti temperatūros padidėjimą ar būklės pasikeitimą. Pvz., Pereikite iš kieto skysčio, pavyzdžiui, ledo, kai kambario temperatūroje jis ištirpsta susilietęs su vandeniu ar soda.

Metalinis šaukštas sugeria karštą kavą. Šaltinis: „Pixabay“.

Šilumos dėka daiktai taip pat gali pakeisti savo matmenis. Šiluminis plėtimasis yra geras šio reiškinio pavyzdys. Kai dauguma medžiagų yra kaitinamos, jos paprastai didėja.

Išimtis yra vanduo. Tas pats skysto vandens kiekis padidina jo tūrį, kai jis atvėsta žemiau 4ºC. Be to, pakitus temperatūrai, gali pakisti ir jos tankis - tai labai gerai pastebima ir vandens atveju.

Iš ko ji susideda ir formulės

Perduodamos energijos atveju sugertos šilumos vienetai yra džauliai. Tačiau ilgą laiką šiluma turėjo savo vienetus: kalorijas.

Net ir šiais laikais šis vienetas yra naudojamas maisto energijos kiekiui nustatyti, nors iš tikrųjų viena dietinė kalorija atitinka vieną šilumos kalorijų kaloriją.

Kalorijos

Kalorija, sutrumpintai vadinama kalkėmis, yra šilumos kiekis, reikalingas 1 gramo vandens temperatūrai pakelti 1ºC.

XIX amžiuje seras Jamesas Prescottas Joule'as (1818–1889) atliko garsųjį eksperimentą, kurio metu sugebėjo mechaninį darbą paversti šiluma, gaudamas tokią atitiktį:

Britanijos vienetuose šilumos vienetas vadinamas Btu (britų šiluminis vienetas), kuris apibūdinamas kaip šilumos kiekis, reikalingas vieno svaro vandens temperatūrai pakelti 1ºF.

Lygiavertiškumas tarp vienetų yra toks:

Šių senesnių įrenginių problema yra ta, kad šilumos kiekis priklauso nuo temperatūros. Tai yra, tas, kuris reikalingas, pavyzdžiui, nuo 70ºC iki 75ºC, nėra tas pats, kuris reikalingas, pavyzdžiui, vandeniui pašildyti nuo 9ºC iki 10ºC.

Štai kodėl apibrėžime numatyti tiksliai apibrėžti diapazonai: atitinkamai nuo 14,5 iki 15,5 ° C ir nuo 63 iki 64 ° F kalorijų ir Btu.

Nuo ko priklauso sugertos šilumos kiekis?

Medžiagos sugertos šilumos kiekis priklauso nuo kelių veiksnių:

- Mišios. Kuo didesnė masė, tuo daugiau šilumos ji sugeba.

- Medžiagos savybės. Yra medžiagų, kurios, atsižvelgiant į jų molekulinę ar atominę struktūrą, sugeba absorbuoti daugiau šilumos nei kitos.

- Temperatūra. Norint gauti aukštesnę temperatūrą, reikia pridėti daugiau šilumos.

Šilumos kiekis, žymimas Q, yra proporcingas aprašytiems veiksniams. Todėl jis gali būti parašytas taip:

Kur m yra daikto masė, c yra konstanta, vadinama savitąja šiluma, būdinga medžiagos savybė, o Δ T yra temperatūros kitimas, pasiektas sugeriant šilumą.

Šis skirtumas turi teigiamą ženklą, nes, sugeriant šilumą, tikimasi, kad T _f > T _o. Tai įvyksta nebent cheminė medžiaga keičiasi fazėse, pavyzdžiui, vanduo pereina iš skysčio į garus. Kai vanduo verda, jo temperatūra išlieka pastovi maždaug 100ºC, nesvarbu, kaip greitai jis verda.

Kaip tai apskaičiuoti?

Palietę du skirtingos temperatūros daiktus, po kurio laiko jie abu pasiekia šiluminę pusiausvyrą. Tada temperatūra suvienodėja ir šilumos perdavimas nutrūksta. Tas pats nutinka, jei liečiasi daugiau nei du objektai. Po tam tikro laiko jie visi bus vienodos temperatūros.

Darant prielaidą, kad liečiami daiktai sudaro uždarą sistemą, iš kurios šiluma negali išeiti, galioja energijos taupymo principas, todėl galima teigti, kad:

Q _absorbuotas = - Q _davė

Tai reiškia energijos balansą, panašų į žmogaus pajamų ir išlaidų balansą. Dėl šios priežasties perduodama šiluma turi neigiamą ženklą, nes išeinančio objekto galutinė temperatūra yra žemesnė už pradinę. Taigi:

Lygtis Q _{absorbuojamas} = - Q _davė yra naudojamas, kai du objektai yra susilietus.

Energijos balansas

Norint atlikti energijos balansą, reikia atskirti šilumą sugeriančius objektus nuo tų, kurie skleidžia, tada:

Σ Q _k = 0

T. y., Energijos uždirbimo ir nuostolių suma uždaroje sistemoje turi būti lygi 0.

Specifinė medžiagos šiluma

Norint apskaičiuoti absorbuotos šilumos kiekį, būtina žinoti kiekvienos dalyvaujančios medžiagos savitąją šilumą. Tai yra šilumos kiekis, reikalingas 1 g medžiagos temperatūrai pakelti 1ºC. Jo vienetai tarptautinėje sistemoje yra: Džauliai / kg. K.

Yra lentelės, kuriose nurodoma daugelio medžiagų savitoji šiluma, paprastai apskaičiuojama naudojant kalorimetrą ar panašius įrankius.

Pavyzdys, kaip apskaičiuoti savitąją medžiagos šilumą

Norint padidinti metalinio žiedo temperatūrą nuo 20 iki 30 ºC, reikia 250 kalorijų. Jei žiedo masė yra 90 g. Kokia yra metalo savitoji šiluma SI vienetais?

Sprendimas

Vienetai yra konvertuojami pirmiausia:

Q = 250 kalorijų = 1046,5 J

m = 90 g = 90 x 10 ^-3 kg

Pratimas išspręstas

Aliuminio puodelyje yra 225 g vandens ir 40 g vario maišytuvas, visi 27 ° C temperatūroje. Į vandenį įpilama 400 g sidabro mėginio, kurio pradinė temperatūra 87 ° C.

Maišytuvas naudojamas mišiniui maišyti, kol jis pasiekia galutinę pusiausvyros 32 ° C temperatūrą. Apskaičiuokite aliuminio taurės masę, atsižvelgdami į tai, kad aplinka netektų šilumos.

Kalorimetro schema. Šaltinis: Solidswiki.

metodas

Kaip minėta pirmiau, svarbu atskirti šilumą skleidžiančius objektus nuo objektų, kurie sugeria:

- Aliuminio taurė, vario maišiklis ir vanduo sugeria šilumą.

- Sidabro pavyzdys skleidžia šilumą.

Duomenys

Tiekiami specifiniai kiekvienos medžiagos šilumai:

Kiekvienos medžiagos sugeriama ar perduota šiluma apskaičiuojama pagal lygtį:

Sprendimas

sidabras

Q _išeiga = 400 x 10 ^-3 . 234 x (32 - 87) J = -5148 J

Varinis maišiklis

Q _{absorbuojamas} = 40 x 10 ^-3 . 387 x (32 - 27) J = 77,4 J

Vanduo

Q _{absorbuojamas} = 225 x 10 ^-3 . 4186 x (32 - 27) J = 4709,25 J

Aliuminio puodelis

Q _absorbuotas = m _aliuminio . 900 x (32 - 27) J = 4500 m _aliuminio

Naudojamasi:

Σ Q _k = 0

77,4 + 4709,25 + 4500 mm _aliuminio = - (-5148)

Galiausiai aliuminio masė išvaloma:

m _aliuminis = 0,0803 kg = 80,3 g

Nuorodos

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. 6 ^-oji . Ed Prentice salė. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: žvilgsnis į pasaulį. 6 ^ta Taisymas sutrumpintas. „Cengage“ mokymasis. 156–164.
3. Rex, A. 2011. Fizikos pagrindai. Pearsonas. 309-332.
4. Searsas, Zemansky. 2016. Universiteto fizika su šiuolaikine fizika. 14 ^-oji . 1 tomas. 556-553.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fizikos pagrindai. 9 ^{na „} Cengage“ mokymasis. 362 - 374