ЧУТЛИВЕ ТЕПЛО: КОНЦЕПЦІЯ, ФОРМУЛИ ТА РОЗВ’ЯЗАНІ ВПРАВИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Тепломісткість є тепловою енергією , що підводиться до об'єкту від його температури до підйому. Це протилежне прихованому нагріванню, при якому теплова енергія не підвищує температуру, а сприяє зміні фаз, наприклад, від твердої до рідкої.

Приклад уточнює концепцію. Припустимо, у нас є горщик з водою кімнатної температури 20 ° C. Коли ми ставимо його на плиту, подане тепло збільшує температуру води повільно, поки вона не досягне 100 ° С (температура кипіння води на рівні моря). Подане тепло називається чутливим теплом.

Тепло, що зігріває руки, - чутне тепло. Джерело: Піксабай

Як тільки вода досягне температури кипіння, тепло, яке подається пальником, більше не підвищує температуру води, яка залишається на рівні 100 ° C. У цьому випадку подана теплова енергія вкладається у випаровування води. Тепло, що подається, є прихованим, оскільки не підвищує температуру, а натомість спричиняє перехід від рідкої до газової фази.

Це експериментальний факт, що чутливе тепло, необхідне для досягнення певного перепаду температури, прямо пропорційне цьому коливанню та масі об'єкта.

Поняття та формули

Помічено, що крім маси та різниці температур, чутливе тепло також залежить від матеріалу. З цієї причини константа пропорційності між чутливим теплом і продуктом різниці мас і температур називається питомим теплом.

Кількість доставленого розумного тепла також залежить від того, як здійснюється процес. Наприклад, це інакше, якщо процес здійснюється при постійному обсязі, ніж при постійному тиску.

Формула чутливого тепла в ізобарному процесі, тобто при постійному тиску, така:

Q = ср. м (T f - T i)

У наведеному вище рівнянні Q - відчутне тепло, що подається на об'єкт масою m, яке підняло його початкову температуру T _i до кінцевого значення Tf. У попередньому рівнянні також видно ср, що є питомим нагріванням матеріалу при постійному тиску, оскільки процес здійснювався таким чином.

Зауважте також, що чутливе тепло є позитивним, коли воно поглинається предметом і викликає підвищення температури.

У тому випадку, коли тепло подається до газу, укладеного в жорстку ємність, процес буде ізохорним, тобто при постійному обсязі; і розумна формула тепла буде записана так:

Q = c v. м. (T f - T i)

Адіабатичний коефіцієнт γ

Коефіцієнт між питомим теплом при постійному тиску та питомим теплом при постійному об'ємі для одного і того ж матеріалу або речовини називається адіабатичним коефіцієнтом, який, як правило, позначається грецькою літерою gamma γ.

Адіабатичний коефіцієнт більший, ніж одиниця. Тепло, необхідне для підвищення температури грамового тіла на один градус, більше в ізобарному процесі, ніж при ізохорному.

Це тому, що в першому випадку частина тепла використовується для проведення механічних робіт.

Крім питомої теплоти, зазвичай визначається також теплоємність тіла. Це кількість тепла, необхідного для підвищення температури цього тіла на один градус Цельсія.

Теплоємність C

Теплоємність позначається великою величиною C, тоді як питома теплота - невеликою c. Співвідношення між обома величинами:

C = c⋅ m

Де m - маса тіла.

Використовується також молярне питоме тепло, яке визначається як кількість чутливого тепла, необхідного для підвищення температури одного моля речовини на один градус Цельсія або Кельвіна.

Питома теплота в твердих тілах, рідинах і газах

Молярна питома теплота більшості твердих речовин має значення, близьке до 3 разів R, де R - універсальна газова константа. R = 8,314472 Дж / (моль *).

Наприклад, алюміній має молярне питоме тепло 24,2 Дж / (моль ℃), мідь 24,5 Дж / (моль ℃), золото 25,4 Дж / (моль ℃), а м'яке залізо 25,1 Дж / (моль ℃). Зауважте, що ці значення близькі до 3R = 24,9 Дж / (моль ℃).

Навпаки, для більшості газів молярне теплоємність близька до n (R / 2), де n - ціле число, а R - універсальна газова константа. Ціле число n пов'язане з кількістю ступенів свободи молекули, яка складає газ.

Наприклад, у одноатомному ідеальному газі, молекула якого має лише три поступальні ступені свободи, молярне питоме тепло при постійному обсязі дорівнює 3 (R / 2). Але якщо це діатомовий ідеальний газ, додатково є два ступені обертання, тому cv = 5 (R / 2).

В ідеальних газах виконується така залежність між молярним питомим теплом при постійному тиску та постійним об'ємом: cp = cv + R.

Вода заслуговує на особливу згадку. У рідкому стані при 25 ℃ вода має ср = 4,1813 Дж / (г ℃), водяна пара при 100 градусах Цельсія має ср = 2,080 Дж / (г ℃), а водний лід при нульових градусах Цельсія має с.п. = 2050 Дж / (г *).

Відмінність від прихованого тепла

Матерія може бути в трьох станах: твердий, рідкий і газовий. Для зміни стану потрібна енергія, але кожна речовина реагує на неї по-різному відповідно до її молекулярних та атомних характеристик.

Коли тверда речовина плавиться або рідина випаровується, температура об'єкта залишається постійною, поки всі частинки не змінить стан.

З цієї причини можливо, що речовина перебуває у рівновазі у дві фази: тверда - рідка чи рідка - пара. Кількість речовини може переноситися з одного стану в інший, додаючи або відводячи трохи тепла, при цьому температура залишається фіксованою.

Тепло, яке подається матеріалу, змушує його частинки швидше вібрувати і збільшувати їх кінетичну енергію. Це означає перепад температури.

Цілком можливо, що енергія, яку вони набувають, настільки велика, що вони більше не повертаються до свого стану рівноваги, і розділення між ними збільшується. Коли це відбувається, температура не підвищується, але речовина переходить від твердого до рідкого або від рідкого до газового.

Тепло, необхідне для цього, називається прихованим теплом. Тому приховане тепло - це тепло, завдяки якому речовина може змінити фазу.

Ось різниця з чутливим теплом. Речовина, яка поглинає чутливе тепло, підвищує свою температуру і залишається в тому ж стані.

Як обчислити приховану теплоту?

Приховане тепло обчислюється рівнянням:

Де L може бути питома теплота випаровування або теплота плавлення. Одиниці L - енергія / маса.

Вчені дали теплі численні назви, залежно від типу реакції, в якій вона бере участь. Наприклад, існує тепло реакції, тепло горіння, теплота затвердіння, теплота розчину, тепло сублімації та багато інших.

Значення багатьох цих типів тепла для різних речовин відображаються в таблиці.

Розв’язані вправи

Приклад 1

Припустимо, що має шматок алюмінію масою 3 кг. Спочатку вона знаходиться при 20 ° C, і ви хочете підняти її температуру до 100 ° C. Обчисліть необхідне необхідне тепло.

Рішення

Спочатку нам потрібно знати питому теплоту алюмінію

ср = 0,897 Дж / (г ° С)

Тоді кількість тепла, необхідного для нагрівання шматка алюмінію, буде

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

Q = 215 280 Дж

Приклад 2

Обчисліть кількість теплоти, необхідної для нагрівання 1 літра води від 25 ° С до 100 ° С на рівні моря. Висловіть результат також у кілокалоріях.

Рішення

Перше, що потрібно пам’ятати, це те, що 1 літр води важить 1 кг, тобто 1000 грам.

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

Калорійність - це одиниця енергії, яка визначається як розумне тепло, необхідне для підняття граму води на один градус Цельсія. Тому 1 калорійність дорівнює 4,1813 джоулів.

Q = 313597,5 Дж * (1 кал / 4,1813 Дж) = 75000 кал = 75 ккал.

Приклад 3

Шматок матеріалу 360,16 грамів нагрівається від 37 ℃ до 140 ℃. Подача теплової енергії становить 1150 калорій.

Нагрівання зразка. Джерело: саморобний.

Знайдіть питому теплоту матеріалу.

Рішення

Ми можемо записати питоме тепло як функцію чутливого тепла, маси та зміни температури за формулою:

cp = Q / (m ΔT)

Підміняючи дані, ми маємо наступне:

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

Але оскільки одна калорійність дорівнює 4,1813 Дж, результат також можна виразити як

cp = 0,130 Дж / (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. Тіппенс, П. 2011. Фізика: поняття та програми. 7-й. Перероблене видання. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Рекс, А. 2011. Основи фізики. Пірсон. 309-332.
5. Сірс, Земанський. 2016. Університетська фізика із сучасною фізикою. 14- ^й . Том1. 556-553.
6. Сервей, Р., Вулле, C. 2011. Основи фізики. 9 ^на Cengage Learning. 362-374.