ТЕПЛО: ФОРМУЛИ ТА ОДИНИЦІ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЯК ЙОГО ВИМІРЯТИ, ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Тепла в фізиці визначається як теплової енергії , що передається щоразу , коли вони входять в контакт предмети або речовини, які при різних температурах. Ця передача енергії та всі пов'язані з нею процеси є об’єктом вивчення термодинаміки, важливою галуззю фізики.

Тепло - одна з багатьох форм, що приймає енергія, і одна з найвідоміших. То звідки воно походить? Відповідь полягає в атомах і молекулах, що складають матерію. Ці частинки всередині речі не є статичними. Ми можемо уявити їх як невеликі намистинки, пов’язані м’якими пружинами, здатні легко стискатися і розтягуватися.

Атоми і молекули вібрують всередині речовин, що переводиться на внутрішню енергію. Джерело: П. Тіппенс. Фізика: поняття та програми.

Таким чином частинки здатні вібрувати, і їх енергія може легко передаватися іншим частинкам, а також від одного тіла до іншого.

Кількість тепла, яке організм поглинає або виділяє, залежить від природи речовини, її маси та різниці температур. Він обчислюється так:

Де Q - кількість теплоти, що передається, m - маса об'єкта, C _e - питома теплоємність речовини, а ΔT = _{кінцева} T - _{початкова} T , тобто різниця температур.

Як і всі форми енергії, в Міжнародній системі (СІ) тепло вимірюється в джоулях. Інші відповідні одиниці - це ерги в системі КГС, Бту в Британській системі та калорійність, термін, що зазвичай використовується для вмісту енергії в продуктах харчування.

Теплові характеристики

Тепло від багаття - це передача енергії. Джерело: Піксабай

Майте на увазі кілька ключових понять:

-Тепло про енергію в дорозі. Об'єкти не мають тепла, вони лише вивільняють або поглинають його залежно від обставини. Об'єкти мають внутрішню енергію в силу їх внутрішньої конфігурації.

Ця внутрішня енергія, у свою чергу, складається з кінетичної енергії, пов'язаної з вібраційним рухом і потенційної енергією, типовою для молекулярної конфігурації. Відповідно до цієї конфігурації, речовина буде передавати тепло більш-менш легко, і це відображається на його питомому нагріванні C _e , величині, яке згадувалося в рівнянні для обчислення Q.

-Друга важлива концепція - те, що тепло завжди передається від найгарячішого тіла до найхолоднішого. Досвід показує, що тепло від гарячої кави завжди проходить у напрямку до фарфору чашки та тарілки, або металу ложки, з якою його перемішують, ніколи не навпаки.

-Кількість переданого або поглинутого тепла залежить від маси тіла, про яке йде мова. Додавання такої ж кількості калорій або джоулів до зразка з X масою не нагріває таким же чином інший, маса якого 2X.

Причина? У більшій вибірці більше частинок, і кожна з них отримувала б в середньому лише половину енергії меншого зразка.

Теплова рівновага та збереження енергії

Досвід показує, що коли ми ставимо два об'єкти при різних температурах у контакт, через деякий час температура обох буде однаковою. Тоді можна констатувати, що об'єкти чи системи, як їх ще можна назвати, знаходяться в тепловій рівновазі.

З іншого боку, розмірковуючи про те, як збільшити внутрішню енергію ізольованої системи, робиться висновок про існування двох можливих механізмів:

і) Нагрівання його, тобто передача енергії з іншої системи.

ii) Проведіть на ній якусь механічну роботу.

Враховуючи, що енергія зберігається:

У рамках термодинаміки цей принцип збереження відомий як Перший закон термодинаміки. Ми говоримо, що система повинна бути ізольованою, тому що в іншому випадку потрібно було б врахувати інші входи або виходи енергії в балансі.

Як вимірюється тепло?

Тепло вимірюється відповідно до ефекту, який він виробляє. Тому саме відчуття дотику швидко повідомляє, наскільки гарячим чи холодним є напій, їжа чи будь-який предмет. Оскільки передача або поглинання тепла призводить до зміни температури, вимірювання цього дає уявлення про те, скільки теплоти було передано.

Прилад для вимірювання температури - це термометр, прилад, обладнаний градуйованою шкалою для здійснення зчитування. Найвідомішим є ртутний термометр, який складається з тонкого капіляра ртуті, який при нагріванні розширюється.

Термометр із закінченням за шкалою Цельсія та Фаренгейта. Джерело: Pixabay.

Потім капіляр, наповнений ртуттю, вставляється у скляну трубку зі шкалою і вводиться у контакт з тілом, температуру якої необхідно вимірювати до досягнення теплової рівноваги, а температура обох не однакова.

Що потрібно для виготовлення термометра?

Для початку потрібно мати деяку термометричну властивість, тобто таку, яка змінюється залежно від температури.

Наприклад, газ або рідина, така як ртуть, при нагріванні розширюються, хоча служить електричний опір, який випромінює тепло, коли через нього проходить струм. Коротше кажучи, можна використовувати будь-яке термометричне властивість, яке легко вимірюється.

Якщо температура t прямо пропорційна термометричній властивості X, то можна записати:

Де k - константа пропорційності, яку слід визначити при встановленні двох відповідних температур і вимірюванні відповідних значень X. Відповідні температури означають легко отримати в лабораторії.

Після встановлення пар (t ₁ , X ₁ ) і (t ₂ , X ₂ ) інтервал між ними розділиться на рівні частини, це будуть градуси.

Температурні шкали

Вибір температур, необхідних для побудови температурної шкали, проводиться за критерієм, який їх легко отримати в лабораторії. Однією з найбільш широко використовуваних масштабів у всьому світі є шкала Цельсія, створена шведським вченим Андерсом Цельсієм (1701-1744).

0 за шкалою Цельсія - це температура, при якій лід і рідка вода перебувають у рівновазі при 1 атмосфері тиску, тоді як верхня межа вибирається, коли рідка вода та водяна пара в рівній рівновазі та при 1 атмосфері тиску. Цей інтервал ділиться на 100 градусів, кожен з яких називається градусом градуса.

Це не єдиний спосіб побудувати масштаб, далеко від нього. Існують і інші різні шкали, наприклад, за шкалою Фаренгейта, в яких були обрані інтервали з іншими значеннями. І є шкала Кельвіна, яка має лише нижню межу: абсолютний нуль.

Абсолютний нуль відповідає температурі, при якій весь рух частинок у речовині повністю припиняється, однак, хоч він і наблизився досить близько, він ще не зміг охолодити жодну речовину до абсолютного нуля.

Приклади

Кожен щодня відчуває тепло, прямо чи опосередковано. Наприклад, коли ви п’єте гарячий напій, під полуденним сонцем, досліджуючи температуру автомобільного двигуна, в приміщенні, повному людях і в незліченних кількох ситуаціях.

На Землі тепло необхідне для підтримання життєвих процесів, як тих, що виходять від Сонця, так і тих, що надходять з надр планети.

Так само клімат обумовлюється змінами теплової енергії, які відбуваються в атмосфері. Тепло Сонця не досягає скрізь однаково, на екваторіальних широтах воно досягає більше, ніж на полюсах, тому найгарячіше повітря в тропіках піднімається і рухається на північ і південь, щоб досягти теплового балансу про що говорили раніше.

Таким чином встановлюються повітряні потоки з різною швидкістю, які транспортують хмари та дощ. З іншого боку, раптове зіткнення між фронтами гарячого та холодного повітря спричиняє такі явища, як шторми, смерчі та урагани.

Навпаки, на більш близькому рівні спека може бути не такою вітальною, як захід сонця на пляжі. Тепло спричиняє робочі проблеми в автомобільних двигунах та комп'ютерних процесорах.

Це також призводить до втрати електричної енергії в провідних кабелях та матеріалах, що розширюються, тому термічна обробка настільки важлива у всіх сферах техніки.

Вправи

- Вправа 1

На етикетці цукерки написано, що вона забезпечує 275 калорій. Скільки енергії в джоулях еквівалентно цій цукерці?

Рішення

На початку калорія згадувалася як одиниця тепла. Їжа містить енергію, яка зазвичай вимірюється в цих одиницях, але калорії в їжі - це фактично кілокалорії.

Еквівалентність така: 1 ккал = 4186 Дж, і робиться висновок, що цукерка має:

275 кілокалорій x 4186 джоуль / кілокалорія = 1,15 10 ⁶ Дж.

- Вправа 2

100 г металу нагрівають до 100 ° С і поміщають в калориметр з 300 г води при 20 ° С. Температура, яку система набуває при досягненні рівноваги, становить 21,44 ° C. Вам пропонується визначити питому теплоту металу, припускаючи, що калориметр не поглинає тепло.

Рішення

У цій ситуації метал віддає тепло, яке ми будемо називати _{заданим} Q і перед ним ставиться знак (-), щоб вказати на втрату:

Зі свого боку, вода в калориметрі поглинає тепло, яке буде позначатися як Q поглинене:

Енергія зберігається, з чого випливає, що:

З твердження можна обчислити ΔT:

Важливо: 1 ºC - це той самий розмір, що і 1 кельвін. Різниця між двома шкалами полягає в тому, що шкала Кельвіна абсолютна (градуси Кельвіна завжди позитивні).

Питома теплота води при 20ºC становить 4186 Дж / кг. K і з цим поглинене тепло можна розрахувати:

На закінчення, питома теплота металу очищається:

Список літератури

1. Bauer, W. 2011. Фізика для інженерії та наук. Том 1. МакГрау Хілл.
2. Куеляр, JA Фізика II: підхід за компетентностями. McGraw Hill.
3. Кіркпатрик, Л. 2007. Фізика: погляд у світ. 6 ^та Редагування скорочено. Cengage Learning.
4. Найт, Р. 2017. Фізика для вчених та інженерія: стратегічний підхід. Пірсон.
5. Тіппенс, П. 2011. Фізика: поняття та програми. 7-е видання. Пагорб Макграу