JAUTRUS KARŠTIS: KONCEPCIJA, FORMULĖS IR IŠSPRĘSTI PRATIMAI - FIZINIS - 2024

Kai ši šiluma yra tiekiama šiluminė energija į objektą pagal jų temperatūrą didėja. Tai yra priešinga latentinei šilumai, kurioje šiluminė energija nedidina temperatūros, bet skatina fazės pokyčius, pavyzdžiui, iš kieto į skystą.

Pavyzdys paaiškina sąvoką. Tarkime, kad mes turime vandens puodą, kurio temperatūra 20 ° C. Kai mes dedame jį ant viryklės, tiekiama šiluma lėtai padidina vandens temperatūrą, kol ji pasiekia 100 ° C (vandens virimo temperatūra jūros lygyje). Tiekiama šiluma vadinama protinga šiluma.

Šiluma, kuri sušildo rankas, yra protinga šiluma. Šaltinis: „Pixabay“

Kai vanduo pasiekia virimo tašką, degiklio tiekiama šiluma nebekelia vandens temperatūros, kuri išlieka 100 ° C. Tokiu atveju tiekiama šiluminė energija investuojama į vandens garinimą. Tiekiama šiluma yra latentinė, nes ji nepakėlė temperatūros, o pakeitė skystąją fazę į dujų fazę.

Tai yra eksperimentinis faktas, kad protinga šiluma, reikalinga tam tikram temperatūros pokyčiui pasiekti, yra tiesiogiai proporcinga tam pokyčiui ir objekto masei.

Koncepcija ir formulės

Pastebėta, kad nuo masės ir temperatūrų skirtumo jautri šiluma priklauso ir nuo medžiagos. Dėl šios priežasties jautrios šilumos ir masės bei temperatūros skirtumo sandaugos proporcingumo konstanta vadinama specifine šiluma.

Tiekiamo protingo šilumos kiekis taip pat priklauso nuo to, kaip procesas atliekamas. Pavyzdžiui, skirtinga, jei procesas vykdomas esant pastoviam tūriui, o ne esant pastoviam slėgiui.

Jautrios šilumos formulė izobariniame procese, ty esant pastoviam slėgiui, yra tokia:

Q = cp. m (Tf - T i)

Aukščiau pateiktoje lygtyje Q yra protinga m masės objektui tiekiama šiluma, kurios pradinė temperatūra T _i pakilo iki galutinės vertės Tf. Ankstesnėje lygtyje taip pat yra cp, kuri yra medžiagos savitoji šiluma esant pastoviam slėgiui, nes procesas vyko tokiu būdu.

Taip pat atkreipkite dėmesį, kad jautri šiluma yra teigiama, kai ją sugeria daiktas ir sukelia temperatūros pakilimą.

Jei šiluma tiekiama dujoms, uždarytoms standžiame inde, procesas bus izochoriškas, ty pastovaus tūrio; ir protinga šilumos formulė bus parašyta taip:

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

Adiabatinis koeficientas γ

Tos pačios medžiagos ar medžiagos savitoji šiluma esant pastoviam slėgiui ir savitoji šiluma esant pastoviam tūriui yra vadinamos adiabatiniu koeficientu, kuris paprastai žymimas graikiška raide gamma γ.

Adiabatinis koeficientas yra didesnis nei vienybė. Šiluma, reikalinga vieno gramo kūno temperatūrai pakelti vienu laipsniu, yra didesnė izobariniame procese nei izochoriniame.

Taip yra todėl, kad pirmuoju atveju dalis šilumos naudojama mechaniniams darbams atlikti.

Be specifinės šilumos, paprastai nustatoma ir kūno šiluminė talpa. Tai yra šilumos kiekis, reikalingas to kūno temperatūrai pakelti vienu laipsniu Celsijaus.

Šilumos talpa C

Šilumos talpa žymima kapitalu C, o savitoji šiluma - maža c. Abiejų dydžių santykis yra:

C = c⋅ m

Kur m yra kūno masė.

Taip pat naudojama molinė savitoji šiluma, kuri apibrėžiama kaip protingos šilumos kiekis, reikalingas vieno molio medžiagos temperatūrai pakelti vienu Celsijaus laipsniu arba Kelvino laipsniu.

Specifinė šiluma kietose medžiagose, skysčiuose ir dujose

Daugelio kietųjų dalelių molinės savitosios šilumos vertė yra beveik 3 kartus didesnė už R, kur R yra universali dujų konstanta. R = 8,314472 J / (mol *).

Pavyzdžiui, aliuminis turi savitąją molinę šilumą 24,2 J / (mol ℃), varis 24,5 J / (mol ℃), auksas 25,4 J / (mol ℃) ir minkštoji geležis 25,1 J / (mol ℃). Atkreipkite dėmesį, kad šios vertės yra artimos 3R = 24,9 J / (mol ℃).

Priešingai, daugumos dujų molio savitoji šiluma yra artima n (R / 2), kur n yra sveikas skaičius, o R yra universali dujų konstanta. Sveikasis skaičius n yra susijęs su dują sudarančios molekulės laisvės laipsnių skaičiumi.

Pvz., Vienatūrėse idealiosiose dujose, kurių molekulė turi tik tris laisvojo transliacijos laipsnius, molinė savitoji šiluma esant pastoviam tūriui yra 3 (R / 2). Bet jei tai yra diatominės idealios dujos, papildomai yra du sukimosi laipsniai, taigi cv = 5 (R / 2).

Esant idealiosioms dujoms, priklauso toks santykis tarp molinės savitosios šilumos esant pastoviam slėgiui ir pastovaus tūrio: cp = cv + R.

Vanduo nusipelno ypatingo paminėjimo. Skystos būsenos, esant 25 ℃, vanduo turi cp = 4,1813 J / (g ℃), vandens garai esant 100 laipsnių Celsijaus yra cp = 2,080 J / (g ℃), o vandens ledas esant nuliui laipsnių Celsijaus yra cp = 2 050 J / (g *).

Skirtumas su latentine šiluma

Medžiaga gali būti trijų būsenų: kieta, skysta ir dujinė. Norint pakeisti būseną, reikalinga energija, tačiau kiekviena medžiaga reaguoja į ją skirtingai pagal savo molekulines ir atomines savybes.

Kai tirpsta kieta medžiaga arba išgaruoja skystis, objekto temperatūra išlieka pastovi, kol visos dalelės pakeis savo būseną.

Dėl šios priežasties gali būti, kad cheminė medžiaga yra pusiausvyroje dviem fazėmis: pavyzdžiui, kieta - skysta arba skysta - garais. Medžiagos kiekį galima perkelti iš vienos būsenos į kitą pridedant arba pašalinant šiek tiek šilumos, kol temperatūra išlieka fiksuota.

Medžiagai tiekiama šiluma priverčia jos daleles greičiau vibruoti ir padidinti jų kinetinę energiją. Tai reiškia, kad pakilo temperatūra.

Gali būti, kad jų įgyta energija yra tokia didelė, kad jie nebegrįžta į pusiausvyros padėtį ir padidėja atskirtis tarp jų. Tokiu atveju temperatūra nedidėja, tačiau medžiaga pereina iš kietos į skystą arba iš skystos į dujas.

Šiluma, reikalinga tam, kad įvyktų, yra žinoma kaip latentinė šiluma. Todėl latentinė šiluma yra šiluma, kurios metu medžiaga gali pakeisti fazę.

Čia yra skirtumas su protinga šiluma. Medžiaga, sugerianti jautrią šilumą, padidina jos temperatūrą ir išlieka toje pačioje būsenoje.

Kaip apskaičiuoti latentinę šilumą?

Latentinė šiluma apskaičiuojama pagal lygtį:

Kur L gali būti specifinė garinimo arba sintezės šiluma. L vienetai yra energija / masė.

Atsižvelgiant į reakcijos, kurioje jis dalyvauja, tipą mokslininkai davė daugybę pavadinimų. Pavyzdžiui, yra reakcijos šiluma, degimo šiluma, sukietėjimo šiluma, tirpalo šiluma, sublimacijos šiluma ir daugelis kitų.

Daugelio šių rūšių šilumos vertės skirtingoms medžiagoms pateiktos lentelėse.

Išspręsta mankšta

1 pavyzdys

Tarkime, kad aliuminio gabalas sveria 3 kg. Iš pradžių jis yra 20 ° C temperatūroje ir jūs norite pakelti jo temperatūrą iki 100 ° C. Apskaičiuokite protingą reikalingą šilumą.

Sprendimas

Pirmiausia turime žinoti specifinę aliuminio šilumą

cp = 0,897 J / (g ° C)

Tuomet bus reikalingas šilumos kiekis aliuminio gabalui sušildyti

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

Q = 215 280 J

2 pavyzdys

Apskaičiuokite šilumos kiekį, reikalingą 1 litrui vandens pašildyti nuo 25 ° C iki 100 ° C jūros lygyje. Rezultatą taip pat išreikškite kilokalorijomis.

Sprendimas

Pirmas dalykas, kurį reikia atsiminti, yra tai, kad 1 litras vandens sveria 1 kg, tai yra, 1000 gramų.

Q = cpm (Tf - Ti) = 4,1813 J / (g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 J

Kalorija yra energijos vienetas, kuris apibūdinamas kaip protinga šiluma, reikalinga vandens gramui pakelti vienu laipsniu Celsijaus. Todėl 1 kalorija lygi 4,1813 džauliams.

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

3 pavyzdys

360,16 g medžiagos gabalėlis kaitinamas nuo 37 ℃ iki 140 ℃. Tiekiama šiluminė energija yra 1150 kalorijų.

Mėginio kaitinimas. Šaltinis: pačių sukurtas.

Raskite savitą medžiagos šilumą.

Sprendimas

Specifinę šilumą galime surašyti kaip jautriosios šilumos, masės ir temperatūros kitimo funkciją pagal formulę:

cp = Q / (m ΔT)

Pakeisdami šiuos duomenis, turime šiuos duomenis:

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

Bet kadangi viena kalorija lygi 4,1813 J, rezultatas taip pat gali būti išreikštas

cp = 0,130 J / (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. Tippens, P. 2011. Fizika: sąvokos ir programos. 7-asis. Pataisytas leidimas. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. Fizikos pagrindai. Pearsonas. 309-332.
5. Searsas, Zemansky. 2016. Universiteto fizika su šiuolaikine fizika. 14 ^-oji . 1 tomas. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fizikos pagrindai. 9 ^{na „} Cengage“ mokymasis. 362-374.