ŠILUMA: FORMULĖS IR VIENETAI, CHARAKTERISTIKOS, KAIP JĄ IŠMATUOTI, PAVYZDŽIAI - FIZINIS - 2024

Šilumos fizikos yra apibrėžiamas kaip šiluminės energijos perduodama, kai jie kontaktiniai objektus arba medžiagos, kurios yra esant skirtingoms temperatūroms. Šis energijos perdavimas ir visi su juo susiję procesai yra svarbios fizikos šakos termodinamikos tyrimo objektas.

Šiluma yra viena iš daugelio formų, kurią įgauna energija, ir viena labiausiai pažįstamų. Taigi iš kur jis atsiranda? Atsakymas slypi atomus ir molekules, kurios sudaro materiją. Šios dalelės daiktų viduje nėra statiškos. Galime juos įsivaizduoti kaip mažus karoliukus, sujungtus minkštais spyruoklėmis, gebančius lengvai susitraukti ir ištempti.

Atomai ir molekulės vibruoja medžiagų viduje, o tai virsta vidine energija. Šaltinis: P. Tippens. Fizika: sąvokos ir programos.

Tokiu būdu dalelės sugeba vibruoti ir jų energija gali būti lengvai perkelta į kitas daleles, taip pat iš vieno kūno į kitą.

Šilumos kiekis, kurį kūnas sugeria ar išskiria, priklauso nuo medžiagos prigimties, jos masės ir temperatūros skirtumo. Jis apskaičiuojamas taip:

Kur Q yra perduotos šilumos kiekis, m yra daikto masė, C _e yra savitoji medžiagos šiluma ir ΔT = _galutinė T - _pradinė T , tai yra temperatūrų skirtumas.

Kaip ir visos energijos formos, šiluma matuojama džauliais, tarptautinėje sistemoje (SI). Kiti tinkami vienetai yra: „ergs“ cgs sistemoje, „Btu“ britų sistemoje ir kalorijos - terminas, paprastai naudojamas maisto produktų energetiniam kiekiui.

Šilumos savybės

Iš laužo šiluma perduoda energiją. Šaltinis: „Pixabay“

Reikia atsiminti keletą pagrindinių sąvokų:

- Šilta yra apie energiją, gabenamą tranzitu. Objektai neturi šilumos, jie tik išskiria arba sugeria jį priklausomai nuo aplinkybių. Objektai turi vidinę energiją dėl jų vidinės konfigūracijos.

Šią vidinę energiją savo ruožtu sudaro kinetinė energija, susijusi su vibracijos judėjimu, ir potencinė energija, būdinga molekulinei konfigūracijai. Pagal šią konfigūraciją medžiaga daugiau ar mažiau lengvai perduos šilumą ir tai atsispindi jos specifiniame šilumoje C _e , vertėje, kuri buvo paminėta lygtyje Q apskaičiuoti.

-Antra svarbi koncepcija yra ta, kad šiluma visada perduodama iš karščiausio kūno į šalčiausią. Patirtis rodo, kad karštos kavos karštis visada patenka į puodelio ir lėkštės porcelianą arba šaukšto metalą, su kuriuo ji maišoma, niekada atvirkščiai.

- Perduotos ar sugertos šilumos kiekis priklauso nuo atitinkamo kūno masės. Pridėjus tą patį kalorijų ar džaulių kiekį mėginyje, kurio masė X, nešildomas tuo pačiu būdu kitas, kurio masė yra 2X.

Priežastis? Didesniame mėginyje yra daugiau dalelių, ir kiekviena jų vidutiniškai gautų tik pusę mažesnio mėginio energijos.

Šiluminė pusiausvyra ir energijos išsaugojimas

Patirtis rodo, kad kai liečiame du objektus skirtingoje temperatūroje, po kurio laiko abiejų temperatūra bus vienoda. Tuomet galima teigti, kad objektai ar sistemos, kaip jie taip pat gali būti vadinami, yra šiluminėje pusiausvyroje.

Kita vertus, apmąstant, kaip padidinti izoliuotos sistemos vidinę energiją, daroma išvada, kad yra du galimi mechanizmai:

i) jį kaitinant, tai yra, perduodant energiją iš kitos sistemos.

ii) Atlikite tam tikrus mechaninius darbus.

Atsižvelgiant į tai, kad energija yra taupoma:

Remiantis termodinamika, šis išsaugojimo principas yra žinomas kaip pirmasis termodinamikos dėsnis. Mes sakome, kad sistema turi būti izoliuota, nes priešingu atveju reikėtų atsižvelgti į kitus energijos įvadus ar išėjimus pusiausvyroje.

Kaip matuojama šiluma?

Šiluma matuojama pagal tai, kokį poveikį jis sukelia. Todėl lytėjimo pojūtis greitai praneša, koks karštas ar šaltas gėrimas, maistas ar bet koks daiktas. Šiluma perduodant ar sugeriant keičiasi temperatūra, matuojant tai susidaro įspūdis, kiek šilumos buvo perduota.

Temperatūrai matuoti naudojamas termometras - prietaisas, turintis graduotą skalę rodmeniui atlikti. Labiausiai žinomas yra gyvsidabrio termometras, kurį sudaro smulkus gyvsidabrio kapiliaras, kuris šildant plečiasi.

Termometras su gradacija Celsijaus ir Farenheito skalėse. Šaltinis: „Pixabay“.

Tada gyvsidabriu užpildytas kapiliaras įkišamas į stiklinį vamzdelį su svarstyklėmis ir liečiamas su kūnu, kurio temperatūra turi būti matuojama, kol jie pasieks šiluminę pusiausvyrą, o abiejų temperatūra bus vienoda.

Ko reikia norint pagaminti termometrą?

Norėdami pradėti, turite turėti tam tikras termometrines savybes, tai yra tas, kuris kinta priklausomai nuo temperatūros.

Pavyzdžiui, dujos ar skystis, pavyzdžiui, gyvsidabris, kaitinant išsiplečia, nors ir tarnauja elektrinė varža, kuri skleidžia šilumą, kai pro ją praeina srovė. Trumpai tariant, gali būti naudojama bet kuri lengvai išmatuojama termometrinė savybė.

Jei temperatūra t yra tiesiogiai proporcinga termometrinei savybei X, tai galima parašyti:

Čia k yra proporcingumo konstanta, kuri turi būti nustatyta, kai nustatomos dvi tinkamos temperatūros ir išmatuojamos atitinkamos X vertės. Tinkama temperatūra reiškia, kad ją lengva gauti laboratorijoje.

Kai bus sudarytos poros (t ₁ , X ₁ ) ir (t ₂ , X ₂ ), intervalas tarp jų bus padalintas į lygias dalis, tai bus laipsniai.

Temperatūros skalės

Temperatūros skalės sudarymui reikalingos temperatūros parenkamos pagal kriterijų, kurį laboratorijoje lengva nustatyti. Viena iš plačiausiai pasaulyje naudojamų skalių yra Celsijaus skalė, kurią sukūrė švedų mokslininkas Andersas Celsijus (1701–1744).

0 Celsijaus skalėje yra temperatūra, kurioje ledas ir skystas vanduo yra pusiausvyroje esant 1 slėgio atmosferai, o viršutinė riba pasirenkama, kai skystas vanduo ir vandens garai yra vienodai pusiausvyroje ir esant 1 slėgio atmosferai. Šis intervalas yra padalintas į 100 laipsnių, kiekvienas iš jų yra vadinamas laipsniu Celsijau.

Tai nėra vienintelis būdas sukurti skalę, toli nuo jos. Yra ir kitų skirtingų skalių, tokių kaip Farenheito skalė, kuriose intervalai buvo parinkti su kitomis vertėmis. Yra Kelvino skalė, kuriai taikoma tik žemiausia riba: absoliutus nulis.

Absoliutus nulis atitinka temperatūrą, kurioje visiškai nutrūksta medžiagos dalelių judėjimas, tačiau, nors ji ir priartėjo prie jo, ji dar nesugebėjo atvėsinti jokios medžiagos iki absoliučios nulio.

Pavyzdžiai

Kiekvienas žmogus tiesiogiai ar netiesiogiai patiria šilumą kasdien. Pavyzdžiui, kai geriate karštą gėrimą, vidurdienio saulėje, tirdami automobilio variklio temperatūrą, kambaryje, kuriame pilna žmonių, ir daugybėje kitų situacijų.

Žemėje šiluma yra būtina gyvybiniams procesams palaikyti - tiek tiems, kurie kyla iš saulės, tiek tiems, kurie kyla iš planetos vidaus.

Taip pat klimatą lemia atmosferoje vykstantys šiluminės energijos pokyčiai. Saulės šiluma pasiekia ne visur vienodai, pusiaujo platumose ji siekia daugiau nei polius, todėl šilčiausias tropikų oras pakyla ir juda į šiaurę bei pietus, kad būtų pasiekta šiluminė pusiausvyra. apie tai buvo kalbėta anksčiau.

Tokiu būdu skirtingu greičiu nustatomos oro srovės, kurios perduoda debesis ir lietų. Kita vertus, staigus karšto ir šalto oro fronto susidūrimas sukelia tokius reiškinius kaip audros, tornadai ir uraganai.

Vietoj to, artimesniame lygyje karštis gali būti ne toks laukiamas kaip saulėlydis paplūdimyje. Karštis sukelia problemų su varikliais ir kompiuterių procesoriais.

Dėl to prarandama elektros energija laidumo kabeliuose ir medžiagose, todėl terminis apdorojimas yra toks svarbus visose inžinerijos srityse.

Pratimai

- 1 pratimas

Saldainio etiketėje rašoma, kad jis suteikia 275 kalorijas. Kiek energijos džauliais atitinka šis saldainis?

Sprendimas

Iš pradžių kalorija buvo minima kaip šilumos vienetas. Maiste yra energijos, kuri paprastai matuojama šiais vienetais, tačiau maistinės kalorijos iš tikrųjų yra kilokalorijos.

Lygiavertiškumas yra toks: 1 kcal = 4186 J, ir daroma išvada, kad saldainiai turi:

275 kilokalorijos x 4186 džauliai / kilokalorijos = 1,15 10 ⁶ J.

- 2 pratimas

100 g metalo įkaitinama iki 100 ° C ir dedama į kalorimetrą su 300 g vandens 20 ° C temperatūroje. Temperatūra, kurią sistema įgyja pasiekusi pusiausvyrą, yra 21,44 ° C. Jūsų prašoma nustatyti specifinę metalo šilumą, darant prielaidą, kad kalorimetras nesugeria šilumos.

Sprendimas

Šioje situacijoje metalas atiduoda šilumą, kurią mes vadinsime _suteikta Q _, ir ženklas (-) yra pritvirtintas, kad parodytų nuostolius:

Savo ruožtu kalorimetre esantis vanduo sugeria šilumą, kuri bus žymima kaip Q sugertas:

Taupoma energija, iš kurios darytina išvada, kad:

Iš teiginio galite apskaičiuoti ΔT:

Svarbu: 1 ºC yra tokio pat dydžio kaip 1 kelvinas. Skirtumas tarp dviejų skalių yra tas, kad Kelvino skalė yra absoliuti (Kelvino laipsniai visada yra teigiami).

Savitasis vandens karštis esant 20ºC yra 4186 J / kg. K ir pagal tai galima apskaičiuoti sugertą šilumą:

Baigdamas norėčiau pasakyti, kad metalo savitoji šiluma yra išvaloma:

Nuorodos

1. Bauer, W. 2011. Fizika inžinerijai ir mokslams. 1 tomas. „McGraw Hill“.
2. Cuellar, JA Fizika II: Kompetencijų požiūris. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: žvilgsnis į pasaulį. 6 ^ta Taisymas sutrumpintas. „Cengage“ mokymasis.
4. Knight, R. 2017. Fizika mokslininkams ir inžinerijai: strategijos metodas. Pearsonas.
5. Tippens, P. 2011. Fizika: sąvokos ir programos. 7-asis leidimas. Mcgraw kalva