OBČUTLJIVA TOPLOTA: KONCEPT, FORMULE IN REŠENE VAJE - FIZIČNO - 2026

Zaznavno toploto je toplotna energija dovaja predmet po svoji temperatura dvignila. Je nasprotno od latentne toplote, pri kateri toplotna energija ne poveča temperature, ampak spodbuja fazno spremembo, na primer iz trdne v tekočo.

Primer pojasni koncept. Recimo, da imamo lonec vode pri sobni temperaturi 20 ° C. Ko ga postavimo na štedilnik, dobavljena toplota počasi zvišuje temperaturo vode, dokler ne doseže 100 ° C (temperatura vrelišča vode na ravni morja). Dovedena toplota se imenuje smiselna toplota.

Vročina, ki ogreje roke, je smiselna toplota. Vir: Pixabay

Ko voda doseže vrelišče, toplota, ki jo dovaja gorilnik, ne dvigne temperature vode, ki ostane pri 100 ° C. V tem primeru se dobavljena toplotna energija vloži v izhlapevanje vode. Dobavljena toplota je latentna, ker ni zvišala temperature, temveč je povzročila prehod iz tekoče v plinsko fazo.

Eksperimentalno dejstvo je, da je smiselna toplota, potrebna za doseganje določenih sprememb temperature, sorazmerna s to spremembo in maso predmeta.

Koncept in formule

Opaženo je bilo, da je poleg mase in temperaturne razlike smiselna toplota odvisna tudi od materiala. Zaradi tega se konstanta sorazmernosti med občutljivo toploto in produktom mase in temperaturne razlike imenuje specifična toplota.

Količina občutljive toplote je odvisna tudi od tega, kako poteka postopek. Na primer, drugače je, če postopek izvajamo s konstantno prostornino kot pri konstantnem tlaku.

Formula za občutljivo toploto v izobaričnem procesu, torej s konstantnim tlakom, je naslednja:

Q = cp m (T f - T i)

V zgornji enačbi Q je občutljiva toplota, dobavljena predmetu mase m, ki je svojo začetno temperaturo T _i dvignila na končno vrednost Tf. V prejšnji enačbi se pojavi tudi cp, ki je specifična toplota materiala pri konstantnem tlaku, ker je postopek potekal na ta način.

Upoštevajte tudi, da je občutljiva toplota pozitivna, ko jo objekt absorbira in povzroči zvišanje temperature.

V primeru, da se toplota dovaja plinu, zaprtim v togi posodi, bo postopek izohoričen, to je s konstantno prostornino; in smiselna toplotna formula bo zapisana tako:

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

Adiabatski koeficient γ

Koeficient med specifično toploto pri konstantnem tlaku in specifično toploto pri konstantni prostornini za isti material ali snov imenujemo adiabatski koeficient, ki ga na splošno označimo z grško črko gama γ.

Adiabatski koeficient je večji od enotnosti. Toplota, potrebna za zvišanje temperature en-gramskega telesa za eno stopinjo, je večja v izobaričnem procesu kot pri izohoričnem.

To je zato, ker se v prvem primeru del toplote uporablja za izvajanje mehanskih del.

Poleg specifične toplote se običajno definira tudi toplotna zmogljivost telesa. To je količina toplote, ki je potrebna za zvišanje temperature tega telesa za eno stopinjo Celzija.

Toplotna zmogljivost C

Toplotna zmogljivost je označena z veliko začetnico C, specifična toplota pa z majhno c. Razmerje med obema količinama je:

C = c⋅ m

Kjer je masa telesa.

Uporablja se tudi molarna specifična toplota, ki je opredeljena kot količina občutljive toplote, ki je potrebna za dvig temperature enega mola snovi za eno stopinjo Celzija ali Kelvina.

Specifična toplota v trdnih snoveh, tekočinah in plinih

Molarna specifična toplota večine trdnih snovi ima vrednost blizu 3-krat R, kjer je R univerzalna plinska konstanta. R = 8,314472 J / (mol *).

Na primer, aluminij ima molarno specifično toploto 24,2 J / (mol ℃), baker 24,5 J / (mol ℃), zlato 25,4 J / (mol ℃) in mehko železo 25,1 J / (mol ℃). Upoštevajte, da so te vrednosti blizu 3R = 24,9 J / (mol ℃).

Nasprotno pa je za večino plinov molarna specifična toplota blizu n (R / 2), kjer je n celo število in je R univerzalna plinska konstanta. Celo število n je povezano s številom stopenj svobode molekule, ki sestavlja plin.

Na primer, v monatomskem idealnem plinu, katerega molekula ima le tri translacijske stopnje svobode, je molska specifična toplota s konstantno prostornino 3 (R / 2). Če pa gre za diatomski idealni plin, obstajata še dve rotacijski stopinji, torej cv = 5 (R / 2).

V idealnih plinih drži naslednje razmerje med molarno specifično toploto pri konstantnem tlaku in konstantno prostornino: cp = cv + R.

Voda si zasluži posebno omembo. V tekočem stanju pri 25 ℃ ima voda cp = 4,1813 J / (g ℃), vodna para pri 100 stopinjah Celzija ima cp = 2,080 J / (g ℃), vodni led pri nič stopinjah Celzija pa ima cp = 2050 J / (g *).

Razlika z latentno toploto

Zadeva je lahko v treh stanjih: trdna, tekoča in plinska. Za spremembo stanja je potrebna energija, vendar se vsaka snov nanjo odziva na drugačen način glede na njegove molekularne in atomske značilnosti.

Ko se trdna snov topi ali tekočina izhlapi, temperatura predmeta ostane konstantna, dokler vsi delci ne spremenijo stanja.

Zaradi tega je možno, da je snov v ravnovesju v dveh fazah: na primer trdna - tekoča ali tekoča - para. Količina snovi se lahko prenaša iz enega v drugo stanje z dodatkom ali odvzemom malo toplote, medtem ko temperatura ostane fiksna.

Toplota, ki jo daje material, povzroči, da njegovi delci hitreje vibrirajo in povečajo njihovo kinetično energijo. To pomeni porast temperature.

Mogoče je, da je energija, ki jo pridobijo, tako velika, da se ne vrnejo več v ravnotežni položaj in se ločitev med njimi povečuje. Ko se to zgodi, se temperatura ne poveča, ampak snov preide iz trdne v tekočo ali iz tekoče v plinsko.

Toplota, potrebna za to, se imenuje latentna toplota. Latentna toplota je torej toplota, s katero lahko snov spremeni fazo.

Tu je razlika z občutljivo toploto. Snov, ki absorbira občutljivo toploto, poveča temperaturo in ostane v enakem stanju.

Kako izračunati latentno toploto?

Latentna toplota se izračuna z enačbo:

Kjer je L lahko specifična toplota izhlapevanja ali toplota fuzije. Enote L so energija / masa.

Znanstveniki so poimenovali številna imena, odvisno od vrste reakcije, v kateri sodeluje. Na primer, obstaja reakcijska toplota, toplota zgorevanja, toplota strjevanja, toplota raztopine, toplota sublimacije in številne druge.

Vrednosti mnogih teh vrst toplote za različne snovi so tabelirane.

Rešene vaje

Primer 1

Recimo, da ima kos aluminija mase 3 kg. Sprva je pri 20 ° C in želite dvigniti njegovo temperaturo na 100 ° C. Izračunajte potrebno toploto.

Rešitev

Najprej moramo poznati specifično toploto aluminija

cp = 0,897 J / (g ° C)

Potem bo količina toplote, ki je potrebna za segrevanje kosa aluminija

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

Q = 215 280 J

Primer 2

Izračunajte količino toplote, ki je potrebna za segrevanje 1 litra vode od 25 ° C do 100 ° C na morju. Rezultat izrazite tudi v kilokalorijah.

Rešitev

Prva stvar, ki si jo morate zapomniti, je, da 1 liter vode tehta 1 kg, torej 1000 gramov.

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

Kalorija je enota energije, ki je opredeljena kot smiselna toplota, potrebna za dvig grama vode za eno stopinjo Celzija. Zato je 1 kalorija enaka 4,1813 Joules.

Q = 313597,5 J * (1 cal / 4.1813 J) = 75000 cal = 75 kcal.

Primer 3

Košček materiala 360,16 grama segreva s 37 ℃ na 140 ℃. Dobavljena toplotna energija znaša 1150 kalorij.

Ogrevanje vzorca. Vir: self made.

Poiščite specifično toploto materiala.

Rešitev

Specifično toploto lahko zapišemo kot funkcijo občutljive toplote, mase in spremembe temperature po formuli:

cp = Q / (m ΔT)

Nadomestitev podatkov imamo naslednje:

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

Ker pa je ena kalorija enaka 4,1813 J, lahko rezultat izrazimo tudi kot

cp = 0,130 J / (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. Tippens, P. 2011. Fizika: pojmi in aplikacije. 7. Prenovljena izdaja. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson. 309-332.
5. Sears, Zemanski. 2016. Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14. ^st . Zvezek1. 556–553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Osnove fizike. 9 ^na Cengage Learning. 362-374.