TOPLOTA: FORMULE IN ENOTE, ZNAČILNOSTI, KAKO MERITI, PRIMERI - FIZIČNO - 2026

Toplote fizike je definirana kot toplotne energije prenese kadar kontaktne predmetov ali snovi, ki so pri različnih temperaturah. Ta prenos energije in vsi procesi, povezani z njim, so predmet preučevanja termodinamike, pomembne veje fizike.

Toplota je ena izmed mnogih oblik, ki jo prevzema energija, in ena najbolj znanih. Torej od kod prihaja? Odgovor je v atomih in molekulah, ki sestavljajo materijo. Ti delci znotraj stvari niso statični. Lahko si jih predstavljamo kot majhne kroglice, povezane z mehkimi vzmeti, ki se lahko z lahkoto skrčijo in raztegnejo.

Atomi in molekule vibrirajo znotraj snovi, kar se prevede v notranjo energijo. Vir: P. Tippens. Fizika: pojmi in aplikacije.

Na ta način delci lahko vibrirajo, njihova energija pa se zlahka prenaša na druge delce in tudi iz enega telesa na drugega.

Količina toplote, ki jo telo absorbira ali sprošča, je odvisna od narave snovi, njene mase in temperaturne razlike. Izračuna se tako:

Kjer je Q količina prenesene toplote, m masa predmeta, C _e specifična toplota snovi in ​​ΔT = _končna T - _začetna T , to je temperaturna razlika.

Kot vse oblike energije se tudi v mednarodnem sistemu (SI) vročina meri v džulih. Druge ustrezne enote so: ergs v sistemu cgs, Btu v britanskem sistemu in kalorija, izraz, ki se običajno uporablja za vsebnost energije v živilih.

Toplotne značilnosti

Vročina ob tabornem ognju je energija v prenosu. Vir: Pixabay

Upoštevati je treba več ključnih pojmov:

-Telo gre za energijo v tranzitu. Predmeti nimajo toplote, le sproščajo jo ali absorbirajo glede na okoliščine. Predmeti imajo notranjo energijo zaradi notranje konfiguracije.

Ta notranja energija je sestavljena iz kinetične energije, povezane z gibanjem vibracij in potencialne energije, značilne za molekularno konfiguracijo. V skladu s to konfiguracijo bo snov oddajala toploto bolj ali manj enostavno, kar se odraža v njeni specifični toploti C _e , vrednosti, ki je bila v enačbi omenjena za izračun Q.

-Drugi pomemben koncept je, da se toplota vedno prenaša iz najbolj vročega telesa v najbolj hladno. Izkušnje kažejo, da toplota iz vroče kave vedno prehaja proti porcelanu skodelice in krožnika ali kovini žlice, s katero mešamo, nikoli obratno.

-Količina prenesene ali absorbirane toplote je odvisna od mase telesa. Če dodate enako količino kalorij ali joulov vzorcu z maso X, se ne segreva na enak način drugega, katerega masa je 2X.

Razlog? V večjem vzorcu je več delcev in vsak bi v povprečju prejel le polovico energije manjšega vzorca.

Toplotno ravnovesje in ohranjanje energije

Izkušnje nam govorijo, da bomo, ko bomo v stiku dva predmeta pri različnih temperaturah, čez nekaj časa temperatura obeh enaka. Potem lahko ugotovimo, da so predmeti ali sistemi, kot jih lahko tudi imenujemo, v toplotnem ravnovesju.

Po drugi strani pa na podlagi povečanja notranje energije izoliranega sistema sklepamo, da obstajata dva možna mehanizma:

i) Ogrevanje, to je prenos energije iz drugega sistema.

ii) Izvedite mehansko delo na njem.

Ob upoštevanju varčevanja z energijo:

V okviru termodinamike je ta princip ohranjanja znan kot prvi zakon termodinamike. Pravimo, da mora biti sistem izoliran, ker bi bilo v nasprotnem primeru treba upoštevati druge vložke ali izhode energije v tehtnici.

Kako se meri toplota?

Toplota se meri glede na učinek, ki ga proizvede. Zato občutek dotika hitro pove, kako vroča ali hladna je pijača, hrana ali kateri koli predmet. Ker prenos ali absorpcija toplote povzroči spremembe temperature, se z merjenjem le-te predstavi, koliko toplote je bilo prenesenega.

Instrument, ki se uporablja za merjenje temperature, je termometer, naprava, opremljena z merilno skalo za odčitavanje. Najbolj znan je živosrebrni termometer, ki je sestavljen iz fine kapilare živega srebra, ki se pri segrevanju razširi.

Termometer z diplomo v Celzijevih in Fahrenheitovih lestvicah. Vir: Pixabay.

Kapilar, napolnjen z živim srebrom, se nato vloži v stekleno cev z lestvico in se postavi v stik s telesom, katerega temperaturo je treba izmeriti, dokler ne dosežemo toplotnega ravnovesja, temperatura obeh pa je enaka.

Kaj je potrebno za izdelavo termometra?

Za začetek morate imeti neko termometrično lastnost, to je tisto, ki se spreminja glede na temperaturo.

Na primer, plin ali tekočina, kot je živo srebro, se pri segrevanju širijo, čeprav služi tudi električni upor, ki oddaja toploto, ko skozi tok prehaja tok. Skratka, uporabimo lahko katero koli termometrično lastnost, ki je lahko merljiva.

Če je temperatura t sorazmerna s termometrično lastnostjo X, lahko zapišemo:

Kjer je konstanta sorazmernosti, ki jo je treba določiti, ko nastavimo dve ustrezni temperaturi in izmerimo ustrezni vrednosti X. Ustrezne temperature pomenijo enostavno pridobitev v laboratoriju.

Ko so pari (t ₁ , X ₁ ) in (t ₂ , X ₂ ) vzpostavljeni, je interval med njimi razdeljen na enake dele, to bodo stopinje.

Temperaturne lestvice

Izbor temperatur, potrebnih za izdelavo temperaturne lestvice, je izbran s merilom, ki ga je enostavno dobiti v laboratoriju. Ena najpogosteje uporabljanih lestvic po svetu je Celzijeva lestvica, ki jo je ustvaril švedski znanstvenik Anders Celsius (1701-1744).

0 na Celzijevi lestvici je temperatura, pri kateri sta led in tekoča voda ravnovesna pri 1 atmosferski tlaki, medtem ko je zgornja meja izbrana, ko sta tekoča voda in vodna para enakomerno in v 1 atmosferi tlaka. Ta interval je razdeljen na 100 stopinj, od katerih se vsaka imenuje stopinja Celzija.

To ni edini način za gradnjo lestvice, daleč od nje. Obstajajo tudi druge različne lestvice, na primer Fahrenheitova lestvica, pri kateri so bili intervali izbrani z drugimi vrednostmi. In tu je Kelvinova lestvica, ki ima le spodnjo mejo: absolutno ničlo.

Absolutna nič ustreza temperaturi, pri kateri se popolnoma giblje delce v snovi, vendar, čeprav se je že približal, še ni uspelo ohladiti nobene snovi do absolutne nič.

Primeri

Vsi doživljajo toploto vsakodnevno, neposredno ali posredno. Na primer, ko si privoščite toplo pijačo, v opoldanskem soncu preverjate temperaturo avtomobilskega motorja, v sobi, polni ljudi in v neštetih drugih situacijah.

Na Zemlji je toplota potrebna za vzdrževanje življenjskih procesov, tako tistih, ki prihajajo iz Sonca, kot tisti, ki prihajajo iz notranjosti planeta.

Podobno podnebje poganjajo spremembe toplotne energije, ki se pojavljajo v atmosferi. Sončeva vročina ne doseže povsod enako, na ekvatorialnih zemljepisnih širinah doseže več kot na polovicah, zato se najbolj vroč zrak v tropih dviga in premakne proti severu in jugu, da doseže toplotno ravnovesje o čemer se je govorilo prej.

Na ta način se vzpostavijo zračni tokovi z različnimi hitrostmi, ki prevažajo oblake in dež. Po drugi strani pa nenadno trčenje vročih in hladnih zračnih front povzroči pojave, kot so nevihte, tornada in orkani.

V nasprotju s tem na višji ravni vročina morda ni tako dobrodošla kot sončni zahod na plaži. Toplota povzroča težave pri delovanju avtomobilskih motorjev in računalniških procesorjev.

Prav tako se v prevodnih kablih in materialih izgubi električna energija, zato je toplotna obdelava tako pomembna na vseh področjih tehnike.

Vaje

- Vaja 1

Na etiketi sladkarije piše, da zagotavlja 275 kalorij. Koliko energije v džulih je enakovredna tem sladkarijam?

Rešitev

Na začetku je bila kalorija omenjena kot enota za toploto. Hrana vsebuje energijo, ki jo običajno merimo v teh enotah, vendar so prehranske kalorije dejansko kilokalorije.

Enakovrednost je naslednja: 1 kcal = 4186 J, in sklepamo, da ima sladkarije:

275 kilokalorij x 4186 joule / kilocalorie = 1,15 10 ⁶ J.

- Vaja 2

100 g kovine segrejemo na 100 ° C in damo v kalorimeter s 300 g vode pri 20 ° C. Temperatura, ki jo sistem doseže, ko doseže ravnotežje, je 21,44 ° C. Odločite se, kako določiti toploto kovine, če kalorimeter ne absorbira toplote.

Rešitev

V tem primeru, kovinski daje največ toplote, ki ga imenujemo Q _dana in znak (-), ki je postavljena pred navesti izgubo:

V svojem kalorimetru voda absorbira toploto, ki bo označena kot Q absorbira:

Varčuje se z energijo, iz česar sledi, da:

Iz stavka lahko izračunate ΔT:

Pomembno: 1 ° C je enaka velikosti kot 1 kelvin. Razlika med dvema lestvicama je, da je Kelvinova skala absolutna (stopinje Kelvina so vedno pozitivne).

Specifična toplota vode pri 20 ° C je 4186 J / kg. K in s tem je mogoče izračunati absorbirano toploto:

Za zaključek se očisti specifična toplota kovine:

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fizika za inženirstvo in znanosti. Zvezek 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Fizika II: pristop s kompetencami. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svet. 6 ^ta Urejanje skrajšano. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike in inženiring: strateški pristop. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fizika: pojmi in aplikacije. 7. izdaja Mcgraw hrib