ТЕПЛО ПОГЛИНАЛО: ФОРМУЛИ, ЯК ЙОГО ОБЧИСЛИТИ І РОЗВ’ЯЗАНІ ВПРАВИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Поглинене тепло визначається як передача енергії між двома тілами при різних температурах. Той, хто має нижчу температуру, поглинає тепло того, хто має більш високу температуру. Коли це відбувається, теплова енергія речовини, яка поглинає тепло, збільшується, а частинки, що входять до його складу, вібрують швидше, підвищуючи їх кінетичну енергію.

Це може призвести до підвищення температури або зміни стану. Наприклад, переходять від твердого до рідкого, як лід, коли він плавиться при контакті з водою або содою при кімнатній температурі.

Ложка з металу поглинає тепло від гарячої кави. Джерело: Pixabay.

Завдяки нагріванню об’єкти також можуть змінювати свої розміри. Теплове розширення - хороший приклад цього явища. Коли більшість речовин нагріваються, вони мають тенденцію до збільшення розмірів.

Виняток з цього - вода. Така ж кількість рідкої води збільшує свій об’єм, коли вона охолоджується нижче 4 ° C. Крім того, зміни температури можуть також відчувати зміни його щільності, що також дуже помітно у випадку з водою.

З чого складається і формули

Що стосується енергії в транзиті, одиницями поглиненого тепла є джоулі. Однак довгий час тепло мало свої одиниці: калорійність.

Навіть сьогодні ця одиниця використовується для кількісної оцінки енергетичного вмісту їжі, хоча насправді одна дієтична калорія відповідає одній кілокалорії тепла.

Калорійність

Калорійність, скорочена вапном, - це кількість тепла, необхідного для підвищення температури 1 грама води на 1ºC.

У 19 столітті сер Джеймс Прескотт Джоул (1818 - 1889) провів відомий експеримент, в якому йому вдалося перетворити механічну роботу в тепло, отримавши таку еквівалентність:

У британських одиницях одиниця тепла називається Btu (Британська теплова одиниця), яка визначається як кількість тепла, необхідна для підняття температури на один фунт води на 1ºF.

Еквівалентність між одиницями така:

Проблема цих старих агрегатів полягає в тому, що кількість тепла залежить від температури. Тобто той, який потрібно переходити від 70ºC до 75ºC, не такий, як потрібний, наприклад, для нагрівання води від 9ºC до 10ºC.

Ось чому визначення передбачає чітко визначені діапазони: від 14,5 до 15,5 ° C і від 63 до 64 ° F для калорійності і Btu відповідно.

Від чого залежить кількість поглиненого тепла?

Кількість поглиненого тепла, яке матеріал забирає, залежить від кількох факторів:

- Меса. Чим більша маса, тим більше тепла вона здатна поглинати.

- Характеристика речовини. Є речовини, які залежно від своєї молекулярної чи атомної структури здатні поглинати більше тепла, ніж інші.

- Температура. Для отримання більш високої температури потрібно додати більше тепла.

Кількість тепла, позначена Q, пропорційна описаним факторам. Тому його можна записати так:

Де m - маса предмета, c - константа, яка називається питомою теплою, внутрішньою властивістю речовини, а Δ T - зміна температури, що досягається за рахунок поглинання тепла.

Ця різниця має позитивний знак, оскільки при поглинанні тепла очікується, що T _f > T _o. Це відбувається, якщо речовина не зазнає змін фази, таких як вода, що переходить від рідини до пари. Коли вода закипає, її температура залишається постійною приблизно 100 ° C, незалежно від того, наскільки швидко вона кипить.

Як його обчислити?

Ставлячи два об'єкти при різних температурах у контакт, через деякий час вони обидва досягають теплової рівноваги. Потім температури вирівнюються і теплопередача припиняється. Те саме відбувається, якщо більше двох об'єктів контактують. Через певний час всі вони будуть перебувати при однаковій температурі.

Якщо припустити, що об'єкти, що контактують, утворюють замкнуту систему, з якої тепло не може вийти, застосовується принцип збереження енергії, тому можна констатувати, що:

Q _{поглинене} = - Q _{виходило}

Це являє собою енергетичний баланс, подібний до доходів і витрат людини. З цієї причини передане тепло має негативний знак, оскільки для об'єкта, який поступається, кінцева температура нижча за початкову. Таким чином:

Рівняння Q _{поглинається} = - _вихід Q використовується, коли два об'єкти контактують.

Енергетичний баланс

Для здійснення енергетичного балансу необхідно відрізнити об'єкти, які поглинають тепло, від тих, що дають, а потім:

Σ Q _k = 0

Тобто сума приросту енергії та втрат у закритій системі повинна дорівнювати 0.

Питома теплота речовини

Для обчислення кількості поглинутого тепла необхідно знати питому теплоту кожної речовини, що бере участь. Це кількість тепла, необхідного для підвищення температури 1 г матеріалу на 1ºС. Його одиницями в Міжнародній системі є: джоуль / кг. К.

Існують таблиці з питомою теплоти багатьох речовин, як правило, розраховані за допомогою калориметра або подібних інструментів.

Приклад того, як обчислити питому теплоту матеріалу

250 калорій потрібно для підвищення температури металевого кільця з 20 до 30 ºC. Якщо кільце має масу 90 гр. Яка питома теплота металу в одиницях СІ?

Рішення

Одиниці конвертуються спочатку:

Q = 250 калорій = 1046,5 Дж

м = 90 г = 90 х 10 ^-3 кг

Вправа вирішена

Алюмінієва чашка містить 225 г води і 40 г мідної мішалки, і все це при температурі 27 ° C. Зразок 400 г срібла при початковій температурі 87 ° С поміщають у воду.

Мішалка використовується для перемішування суміші до досягнення кінцевої рівноважної температури 32 ° C. Обчисліть масу алюмінієвої чашки, враховуючи те, що немає екологічних втрат.

Схема калориметра. Джерело: Solidswiki.

Підхід

Як було сказано вище, важливо відрізняти об'єкти, які віддають тепло від тих, що поглинають:

- Алюмінієва чашка, мідна мішалка і вода поглинають тепло.

- Зразок срібла виділяє тепло.

Дані

Питомі нагрівання кожної речовини подаються:

Тепло, що поглинається або передається кожною речовиною, обчислюється за допомогою рівняння:

Рішення

Срібло

_Вихід Q = 400 x 10 ^-3 . 234 х (32 - 87) J = -5148 Дж

Мідна мішалка

Q _{поглинене} = 40 x 10 ^-3 . 387 х (32 - 27) J = 77,4 Дж

Вода

Q _{поглинене} = 225 x 10 ^-3 . 4186 x (32 - 27) J = 4709,25 Дж

Алюмінієва кружка

Q _{поглинене} = м _{алюмінію} . 900 x (32 - 27) J = 4500мм _{алюмінію}

Використання:

Σ Q _k = 0

77,4 + 4709,25 + 4500 .м _{алюміній} = - (-5148)

Нарешті маса алюмінію очищається:

м _{алюмінію} = 0,0803 кг = 80,3 г

Список літератури

1. Джанколі, Д. 2006. Фізика: принципи застосування. 6- ^й . Ред. Прентіс Холл. 400 - 410.
2. Кіркпатрик, Л. 2007. Фізика: погляд у світ. 6 ^та Редагування скорочено. Cengage Learning. 156-164.
3. Рекс, А. 2011. Основи фізики. Пірсон. 309-332.
4. Сірс, Земанський. 2016. Університетська фізика із сучасною фізикою. 14- ^й . Том1. 556-553.
5. Сервей, Р., Вулле, C. 2011. Основи фізики. 9 ^на Cengage Learning. 362 - 374