VROČINA, KI JO ABSORBIRAJO: FORMULE, KAKO JO IZRAČUNATI IN REŠITI VAJE - FIZIČNO - 2026

Absorbira toploto je opredeljena kot prenos energije med dvema telesoma pri različnih temperaturah. Tisti z nižjo temperaturo absorbira toploto tistega z višjo temperaturo. Ko se to zgodi, se poveča toplotna energija snovi, ki absorbira toploto, in delci, ki jo sestavljajo, hitreje vibrirajo, kar poveča njihovo kinetično energijo.

To lahko privede do zvišanja temperature ali spremembe stanja. Na primer, preide iz trdnega v tekočino, kot led, ko se ta stopi v stiku z vodo ali sodo pri sobni temperaturi.

Kovinska žlica absorbira toploto iz vroče kave. Vir: Pixabay.

Zahvaljujoč toploti lahko tudi predmeti spremenijo svoje dimenzije. Toplotna ekspanzija je dober primer tega pojava. Ko se večina snovi segreva, se povečujejo po velikosti.

Izjema je voda. Enaka količina tekoče vode poveča svojo prostornino, ko se ohladi pod 4 ° C. Poleg tega lahko spremembe temperature občutijo tudi spremembe v njegovi gostoti, kar je tudi pri vodi zelo opazno.

Kaj sestavlja in formule

Če gre za energijo v tranzitu, so enote absorbirane toplote Joules. Vendar je dolgo časa toplota imela svoje enote: kalorično.

Še danes se ta enota uporablja za količinsko določitev vsebnosti energije v hrani, čeprav v resnici ena prehranska kalorija ustreza eni kilokaloriji toplote.

Kalorije

Kalorija, okrajšana kot apno, je količina toplote, ki je potrebna za dvig temperature 1 grama vode za 1 ° C.

Sir James Prescott Joule (1818 - 1889) je v 19. stoletju izvedel znameniti eksperiment, v katerem mu je uspelo mehanično delo pretvoriti v toploto in doseglo naslednjo enakovrednost:

V britanskih enotah se enota toplote imenuje Btu (britanska termalna enota), ki je opredeljena kot količina toplote, ki je potrebna za dvig temperature enega kilograma vode za 1 ° F.

Enakovrednost med enotami je naslednja:

Težava teh starejših enot je, da je količina toplote odvisna od temperature. To pomeni, da tista, ki je potrebna za prehajanje z 70 ° C na 75 ° C, ni enaka tisti, ki je na primer potrebna za segrevanje vode z 9 ° C na 10 ° C.

Zato definicija predvideva dobro opredeljene razpone: od 14,5 do 15,5 ° C in od 63 do 64 ° F za kalorije oziroma Btu.

Od česa je odvisna količina absorbirane toplote?

Količina absorbirane toplote, ki jo material pobere, je odvisna od več dejavnikov:

- maša. Večja kot je masa, več toplote lahko absorbira.

- Značilnosti snovi. Obstajajo snovi, ki lahko glede na svojo molekularno ali atomsko strukturo absorbirajo več toplote kot druge.

- temperatura. Za doseganje višje temperature je potrebno dodati več toplote.

Količina toplote, označena s Q, je sorazmerna z opisanimi dejavniki. Zato ga lahko zapišemo kot:

Kadar je m masa predmeta, je c stalnica, ki se imenuje specifična toplota, intrinzična lastnost snovi in ​​Δ T je sprememba temperature, dosežena z absorpcijo toplote.

Ta razlika ima pozitiven predznak, saj je pri absorpciji toplote pričakovati, da je T _f > T _o. Do tega pride, če se snov ne spreminja v fazi, na primer voda, ki prehaja iz tekočine v hlape. Ko voda zavre, ostane njena temperatura konstantna pri približno 100 ° C, ne glede na to, kako hitro zavre.

Kako izračunati?

Če postavimo dva predmeta pri različnih temperaturah v stik, čez nekaj časa oba dosežeta toplotno ravnovesje. Temperature se nato izenačijo in prenos toplote preneha. Enako se zgodi, če pride v stik več kot dva predmeta. Po določenem času bodo vsi na isti temperaturi.

Če predpostavimo, da predmeti v stiku tvorijo zaprt sistem, iz katerega toplota ne more uiti, velja načelo ohranjanja energije, zato lahko trdimo, da:

Q _absorbirano = - Q _prineslo

To predstavlja energetsko bilanco, podobno kot prihodki in odhodki osebe. Zaradi tega ima prenesena toplota negativen predznak, saj je za objekt, ki odda, končna temperatura nižja od začetne. Tako:

Enačba Q _absorbira = - _dobljeni Q se uporablja, kadar sta dva predmeta v stiku.

Energetska bilanca

Za izvedbo energetske bilance je treba ločiti predmete, ki absorbirajo toploto, od tistih, ki prinašajo, in:

Σ Q _k = 0

Se pravi, vsota energijskih dobičkov in izgub v zaprtem sistemu mora biti enaka 0.

Specifična toplota snovi

Za izračun količine absorbirane toplote je treba poznati specifično toploto vsake sodelujoče snovi. To je količina toplote, ki je potrebna za zvišanje temperature 1 g materiala za 1 ° C. Njene enote v mednarodnem sistemu so: Joule / kg. K.

Obstajajo tabele s specifično toploto številnih snovi, ki se običajno izračunajo s kalorimetrom ali podobnimi orodji.

Primer, kako izračunati specifično toploto materiala

Za dvig temperature kovinskega obroča z 20 na 30 ºC je potrebnih 250 kalorij. Če ima obroč maso 90 g. Kakšna je specifična toplota kovine v enotah SI?

Rešitev

Najprej se pretvorijo enote:

Q = 250 kalorij = 1046,5 J

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

Vaja rešena

Aluminijasta skodelica vsebuje 225 g vode in 40 g bakrenega mešalnika, vse pri 27 ° C. 400 g vzorca srebra pri začetni temperaturi 87 ° C damo v vodo.

Mešalnik se uporablja za mešanje mešanice, dokler ne doseže končne temperature ravnotežja 32 ° C. Izračunajte maso aluminijaste skodelice, upoštevajoč, da v okolju ni toplotnih izgub.

Shema kalorimetra. Vir: Solidswiki.

Pristop

Kot je navedeno zgoraj, je treba razlikovati med predmeti, ki oddajajo toploto, od tistih, ki absorbirajo:

- Aluminijasta skodelica, bakreni mešalnik in voda absorbirajo toploto.

- Vzorec srebra odda toploto.

Podatki

Dobava se posebna toplota vsake snovi:

Toplota, ki jo vsaka snov absorbira ali prenese, se izračuna z enačbo:

Rešitev

Srebrna

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

Baker mešalnik

Q _absorbirano = 40 x 10 ^-3 . 387 x (32 - 27) J = 77,4 J

Voda

Q _absorbirano = 225 x 10 ^-3 . 4186 x (32 - 27) J = 4709,25 J

Aluminijasta skodelica

Q _absorbira = m _aluminija . 900 x (32 - 27) J = 4500 mm _aluminija

Uporaba:

Σ Q _k = 0

77,4 + 4709,25 + 4500 .m _aluminija = - (-5148)

Na koncu se masa aluminija očisti:

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

Reference

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela z aplikacijami. 6. ^st . Ed Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svet. 6 ^ta Urejanje skrajšano. Cengage Learning. 156–164.
3. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson. 309-332.
4. Sears, Zemanski. 2016. Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14. ^st . Zvezek1. 556–553.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Osnove fizike. 9 ^na Cengage Learning. 362 - 374