TOPLINA APSORBIRA: FORMULE, KAKO TO IZRAČUNATI I RIJEŠITI VJEŽBE - FIZIČKA - 2024

Apsorbira toplinu se definira kao prijenos energije između dva tijela na različitim temperaturama. Onaj s nižom temperaturom apsorbira toplinu, a onaj s višom temperaturom. Kad se to dogodi, toplinska energija tvari koja apsorbira toplinu se povećava, a čestice koje je sačinjavaju brže vibriraju povećavajući kinetičku energiju.

To može dovesti do povećanja temperature ili promjene stanja. Na primjer, pređite iz krute u tekuću, poput leda kada se topi u dodiru s vodom ili soda na sobnoj temperaturi.

Metalna žlica apsorbira toplinu iz vruće kave. Izvor: Pixabay.

Zahvaljujući toplini moguće je i objektima mijenjati svoje dimenzije. Toplinska ekspanzija je dobar primjer ovog fenomena. Kada se većina tvari zagrijava, one imaju tendenciju povećanja veličine.

Izuzetak je voda. Ista količina tekuće vode povećava svoj volumen kada se ohladi ispod 4 ° C. Osim toga, promjene temperature mogu osjetiti i promjene u njegovoj gustoći, što je također vrlo vidljivo u slučaju vode.

Od čega se sastoji i formula

U slučaju energije u tranzitu, jedinice apsorbirane topline su Joules. Međutim, dugo vremena toplina je imala svoje jedinice: kalorijsku.

I danas se ova jedinica koristi za kvantificiranje energetskog sadržaja hrane, iako u stvarnosti jedna dijetalna kalorija odgovara jednoj kilokaloriji topline.

kalorije

Kalorija, koja je skraćeno vapno, je količina topline koja je potrebna za povećanje temperature 1 gram vode za 1 ° C.

U 19. stoljeću, Sir James Prescott Joule (1818. - 1889.) izveo je poznati eksperiment u kojem je uspio mehanički rad pretvoriti u toplinu, dobivši sljedeću ekvivalentnost:

U britanskim jedinicama jedinica topline naziva se Btu (britanska termalna jedinica), što se definira kao količina topline koja je potrebna za podizanje temperature jedne funte vode za 1 ° F.

Ekvivalentnost između jedinica je kako slijedi:

Problem ovih starijih jedinica je što količina topline ovisi o temperaturi. Odnosno, onaj koji treba ići s 70 ° C na 75 ° C nije isti kao onaj potreban za zagrijavanje vode, na primjer, od 9 ° C do 10 ° C.

Zato definicija razmatra dobro definirane raspone: od 14,5 do 15,5 ° C i od 63 do 64 ° F za kalorije, odnosno Btu.

O čemu ovisi količina apsorbirane topline?

Količina apsorbirane topline koju materijal prikupi ovisi o nekoliko čimbenika:

- misa. Što je masa veća, to više topline može apsorbirati.

- Karakteristike tvari. Postoje tvari koje su, ovisno o svojoj molekularnoj ili atomskoj strukturi, sposobne apsorbirati više topline od ostalih.

- Temperatura. Dodavanje više topline potrebno je za postizanje veće temperature.

Količina topline, označena s Q, proporcionalna je opisanim faktorima. Stoga se može napisati kao:

Gdje je m masa predmeta, c je konstanta koja se naziva specifična toplina, intrinzično svojstvo tvari, a Δ T je promjena temperature postignuta apsorpcijom topline.

Ova razlika ima pozitivan predznak, jer se pri apsorpciji topline očekuje da T _f > T _o. To se događa osim ako tvar prolazi kroz fazne promjene, poput vode koja ide iz tekućine u paru. Kad voda proključa, njena temperatura ostaje konstantna na približno 100 ° C, bez obzira na brzinu ključanja.

Kako to izračunati?

Stavljanjem dva objekta na različitim temperaturama u kontakt, nakon nekog vremena oba postižu toplinsku ravnotežu. Temperature se tada izjednačavaju i prestaje prijenos topline. Isto se događa ako više od dva objekta dođe u kontakt. Nakon određenog vremena svi će biti na istoj temperaturi.

Pod pretpostavkom da objekti u kontaktu tvore zatvoreni sustav iz kojeg toplina ne može pobjeći, primjenjuje se načelo očuvanja energije, pa se može ustvrditi da:

Q _apsorbirano = - Q je _dobilo

To predstavlja energetsku bilancu, sličnu onoj u prihodima i troškovima osobe. Iz tog razloga prenesena toplina ima negativan predznak, jer je za objekt koji daje konačna temperatura niža od početne. Tako:

Jednadžba Q _apsorbirana = - _prinos Q koristi se kad god su dva objekta u kontaktu.

Energetska ravnoteža

Za izvršavanje energetske bilance potrebno je razlikovati predmete koji apsorbiraju toplinu od onih koji daju, a zatim:

Σ Q _k = 0

Odnosno, zbroj energetskih dobitaka i gubitaka u zatvorenom sustavu mora biti jednak 0.

Specifična toplina tvari

Za izračunavanje količine apsorbirane topline potrebno je znati specifičnu toplinu svake uključene tvari. To je količina topline koja je potrebna za povećanje temperature 1 g materijala za 1ºC. Njegove jedinice u Međunarodnom sustavu su: Joule / kg. K.

Postoje tablice s specifičnom toplinom mnogih tvari, uglavnom izračunate pomoću kalorimetra ili sličnih alata.

Primjer kako se izračunava specifična toplina materijala

Za podizanje temperature metalnog prstena s 20 na 30 ºC potrebno je 250 kalorija. Ako prsten ima masu od 90 g. Kolika je specifična toplina metala u SI jedinicama?

Riješenje

Prvo se pretvaraju jedinice:

Q = 250 kalorija = 1046,5 J

m = 90 g = 90 x 10 ^-3 kg

Vježba riješena

Aluminijska šalica sadrži 225 g vode i 40 g bakrene miješalice, i sve to na 27 ° C. 400 g uzorka srebra pri početnoj temperaturi od 87 ° C stavi se u vodu.

Miješalica se koristi za miješanje smjese dok ne postigne svoju konačnu ravnotežnu temperaturu od 32 ° C. Izračunajte masu aluminijske čaše, uzimajući u obzir da nema toplinskih gubitaka u okolišu.

Shema kalorimetra. Izvor: Solidswiki.

Pristup

Kao što je gore navedeno, važno je razlikovati objekte koji odišu toplinu od onih koji apsorbiraju:

- Aluminijska čaša, bakrena miješalica i voda apsorbiraju toplinu.

- Uzorak srebra daje toplinu.

Podaci

Specifična toplina svake tvari se isporučuje:

Toplina koju apsorbira ili prenosi svaka tvar izračunava se jednadžbom:

Riješenje

Srebro

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

Bakrena miješalica

Q _apsorbirano = 40 x 10 ^-3. 387 x (32 - 27) J = 77,4 J

Voda

Q _apsorbirano = 225 x 10 ^-3. 4186 x (32 - 27) J = 4709,25 J

Aluminijska šolja

Q _apsorbirano = m _aluminija. 900 x (32 - 27) J = 4500.m _aluminija

Korištenje:

Σ Q _k = 0

77,4 + 4709,25 + 4500.m _aluminija = - (-5148)

Konačno, aluminijska masa se očisti:

m _aluminij = 0,0803 kg = 80,3 g

Reference

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela s primjenama. 6. ^st. Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svijet. 6 ^ta Uređivanje skraćeno. Cengage Learning. 156-164.
3. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson. 309-332.
4. Sears, Zemanski. 2016. Sveučilišna fizika s modernom fizikom. 14. ^st. VOLUME1. 556-553.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Osnove fizike. 9 ^na Cengage Learning. 362 - 374