TOPLINA: FORMULE I JEDINICE, KARAKTERISTIKE, KAKO SE MJERI, PRIMJERI - FIZIČKA - 2024

Topline u fizici definirana kao toplinsku energiju prenose kad god kontakt predmeti ili tvari koje su na različitim temperaturama. Ovaj prijenos energije i svi procesi povezani s njim predmet su proučavanja termodinamike, važne grane fizike.

Toplina je jedan od mnogih oblika koji energija poprima, a jedan je od najpoznatijih. Pa odakle dolazi? Odgovor leži u atomima i molekulama koje čine materiju. Te čestice unutar stvari nisu statične. Možemo ih zamisliti kao male kuglice povezane mekim oprugama, sposobnim da se s lakoćom smanjuju i istežu.

Atomi i molekule vibriraju unutar tvari, što se pretvara u unutarnju energiju. Izvor: P. Tippens. Fizika: pojmovi i primjene.

Na taj način čestice mogu vibrirati i njihova se energija može lako prenijeti na druge čestice, a također i iz jednog tijela u drugo.

Količina topline koju tijelo apsorbira ili oslobađa ovisi o prirodi tvari, njezinoj masi i razlici u temperaturi. Izračunava se ovako:

Gdje je Q količina prenesene topline, m masa objekta, C _e specifična toplina tvari, a ΔT = _krajnji T - _početni T, to jest razlika u temperaturi.

Kao i svi oblici energije, toplina se mjeri u džulima, u Međunarodnom sustavu (SI). Ostale prikladne jedinice su: ergs u sustavu cgs, Btu u britanskom sustavu, i kalorija, izraz koji se obično koristi za energetski sadržaj hrane.

Karakteristike topline

Toplina od logorske vatre je energija u prijenosu. Izvor: Pixabay

Imajte na umu nekoliko ključnih koncepata:

-Zdravlje se odnosi na energiju u tranzitu. Predmeti nemaju toplinu, samo je oslobađaju ili apsorbiraju ovisno o okolnosti. Predmeti imaju unutarnju energiju zahvaljujući njihovoj unutarnjoj konfiguraciji.

Ta se unutarnja energija sačinjava od kinetičke energije povezane s vibracijskim kretanjem i potencijalne energije, tipične za molekularnu konfiguraciju. Prema ovoj konfiguraciji, tvar će toplinu ili manje prenositi toplinu, a to se odražava na njezinu specifičnu toplinu C _e, vrijednost koja je spomenuta u jednadžbi za izračunavanje Q.

- Drugi važan koncept je da se toplina uvijek prenosi s najtoplijeg tijela na najhladnije. Iskustvo pokazuje da toplina vruće kave uvijek prelazi prema porculanu šalice i tanjura, ili metalu žlice s kojom se miješa, nikada obrnuto.

-Količina prenesene ili apsorbirane topline ovisi o masi tijela u pitanju. Dodavanje iste količine kalorija ili joula u uzorak s X mase ne zagrijava se na isti način drugi čija je masa 2X.

Razlog? U većem uzorku ima više čestica, a svaka bi u prosjeku primala samo pola energije manjeg uzorka.

Toplinska ravnoteža i očuvanje energije

Iskustvo nam govori da ćemo, kada stavimo dva predmeta pri različitim temperaturama u kontakt, nakon nekog vremena temperatura oba biti ista. Tada se može ustvrditi da su predmeti ili sustavi, kako ih se još može nazvati, u toplinskoj ravnoteži.

S druge strane, razmišljajući o tome kako povećati unutarnju energiju izoliranog sustava, zaključuje se da postoje dva moguća mehanizma:

i) Grijanje, to jest prijenos energije iz drugog sustava.

ii) Izvedite neke mehaničke radove na njemu.

Uzimajući u obzir da se energija štedi:

U okviru termodinamike, ovaj princip očuvanja poznat je pod nazivom Prvi zakon termodinamike. Kažemo da sustav mora biti izoliran, jer bi u protivnom bilo potrebno razmotriti ostale unose ili izlaze energije u ravnoteži.

Kako se mjeri toplina?

Toplina se mjeri prema učinku koji proizvodi. Stoga je osjećaj dodira brzo informiran o tome koliko je vruće ili hladno piće, hrana ili bilo koji predmet. Budući da prijenos ili apsorpcija topline rezultira promjenama temperature, mjerenje na taj način daje predodžbu o tome koliko je topline preneseno.

Instrument koji se koristi za mjerenje temperature je termometar, uređaj opremljen postupnom skalom za izvođenje očitanja. Najpoznatiji je živinski termometar koji se sastoji od fine kapilare žive koja se prilikom zagrijavanja širi.

Termometar s matricom u Celzijevoj i Fahrenheitovoj skali. Izvor: Pixabay.

Zatim se kapilar ispunjen živom umetne u staklenu cijev s ljestvicom i stavi u dodir s tijelom, čija se temperatura mora mjeriti dok ne postignu toplinsku ravnotežu, a temperatura obaju je ista.

Što je potrebno za izradu termometra?

Za početak, morate imati neko termometrijsko svojstvo, tj. Ono koje varira ovisno o temperaturi.

Na primjer, plin ili tekućina poput žive, kod zagrijavanja se šire, iako služi i električni otpor koji emitira toplinu kad struja prolazi kroz nju. Ukratko, može se koristiti bilo koje termometrijsko svojstvo koje je lako mjerljivo.

Ako je temperatura t izravno proporcionalna termometrijskom svojstvu X, tada se može napisati:

Gdje je k konstanta proporcionalnosti koju treba odrediti kada su postavljene dvije odgovarajuće temperature i odgovarajuće vrijednosti X su izmjerene. Odgovarajuće temperature znače lako dobiti u laboratoriju.

Jednom kada su parovi (t ₁, X ₁) i (t ₂, X ₂) uspostavljeni, interval između njih podijeljen je u jednake dijelove, to će biti stupnjevi.

Temperaturne ljestvice

Odabir temperatura potrebnih za izgradnju temperaturne ljestvice vrši se kriterijem da ih je lako dobiti u laboratoriju. Jedna od najčešće korištenih ljestvica širom svijeta je Celzijusova ljestvica, koju je stvorio švedski znanstvenik Anders Celsius (1701-1744).

0 na Celzijevoj skali je temperatura pri kojoj su led i tekuća voda u ravnoteži pri 1 atmosferskom tlaku, dok je gornja granica odabrana kada su tekuća voda i vodena para u ravnoteži i pri 1 atmosferi tlaka. Taj se interval dijeli na 100 stupnjeva, od kojih se svaki naziva stupanj Celzijusa.

Ovo nije jedini način za izgradnju ljestvice, daleko od nje. Postoje i druge različite ljestvice, poput Fahrenheitove skale, u kojoj su intervali odabrani s drugim vrijednostima. A tu je i Kelvinova ljestvica koja ima samo donju granicu: apsolutnu nulu.

Apsolutna nula odgovara temperaturi na kojoj prestaje svako kretanje čestica neke tvari, međutim, iako je došlo sasvim blizu, još nije uspjelo ohladiti nijednu tvar do apsolutne nule.

Primjeri

Svi svakodnevno doživljavaju toplinu, bilo izravno ili neizravno. Na primjer, kada pijete vruće piće, na podnevnom suncu, ispitujete temperaturu automobila u automobilu, u sobi punoj ljudi i u bezbroj drugih situacija.

Na Zemlji je toplina potrebna za održavanje životnih procesa, kako onih koji dolaze sa Sunca, tako i onih koji dolaze iz unutrašnjosti planeta.

Isto tako, klimom utječu promjene toplinske energije koje se događaju u atmosferi. Sunčeva toplina ne doseže svugdje jednako, na ekvatorijalnim širinama ona doseže više nego na polovima, pa se najtopliji zrak u tropima diže i kreće prema sjeveru i jugu, kako bi se postigla toplinska ravnoteža o tome se razgovaralo i prije.

Na taj način uspostavljaju se zračne struje različitim brzinama, koje prevoze oblake i kišu. S druge strane, nagli sud fronte vrućeg i hladnog zraka uzrokuje pojave poput oluje, tornada i uragana.

Suprotno tome, na bližem nivou vrućina možda i nije toliko dobrodošla kao zalazak sunca na plaži. Toplina uzrokuje pogonske probleme u motorima automobila i računalnim procesorima.

Također uzrokuje gubitak električne energije u provodnim kablovima i materijalima zbog čega je toplinska obrada tako važna u svim područjima strojarstva.

vježbe

- Vježba 1

Na etiketi slatkiša piše da osigurava 275 kalorija. Koliko je energije u džulovima jednaka?

Riješenje

Na početku se kalorija spominje kao jedinica za toplinu. Hrana sadrži energiju koja se obično mjeri u tim jedinicama, ali prehrambene kalorije su zapravo kilokalorije.

Ekvivalentnost je sljedeća: 1 kcal = 4186 J, a zaključuje se da bombon ima:

275 kilokalorija x 4186 joule / kilocalorie = 1,15 10 ⁶ J.

- Vježba 2

100 g metala zagrijava se na 100 ° C i stavi u kalorimetar sa 300 g vode na 20 ° C. Temperatura koju sustav postigne kad postigne ravnotežu je 21,44 ° C. Od vas se traži da odredite specifičnu toplinu metala, pod pretpostavkom da kalorimetar ne apsorbira toplinu.

Riješenje

U ovoj situaciji metal se predaje toplini, koju ćemo nazvati _dano Q, a ispred nje se stavlja znak (-) koji označava gubitak:

Sa svoje strane, voda u kalorimetru apsorbira toplinu, što će biti označeno kao Q apsorbirano:

Energija se čuva, iz čega proizlazi:

Iz izvoda možete izračunati ΔT:

Važno: 1 ° C je iste veličine kao 1 kelvin. Razlika između dvije ljestvice je u tome što je Kelvinska skala apsolutna (Kelvin stupnjevi su uvijek pozitivni).

Specifična toplina vode pri 20 ° C je 4186 J / kg. K i s tim se apsorbira toplina može izračunati:

Zaključno, očitava se specifična toplina metala:

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fizika za inženjerstvo i znanosti. Svezak 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Fizika II: Pristup kompetencijama. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: pogled na svijet. 6 ^ta Uređivanje skraćeno. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike i inženjerstvo: strateški pristup. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fizika: pojmovi i primjene. 7. izdanje. Mcgraw Hill