OSJETLJIVA TOPLINA: KONCEPT, FORMULE I RIJEŠENE VJEŽBE - FIZIČKA - 2024

Toplina je toplinska energija na objekt po temperatura poraste. To je suprotno od latentne topline, u kojoj toplinska energija ne povećava temperaturu, već potiče promjenu faze, na primjer iz krute u tekuću.

Primjer pojašnjava koncept. Pretpostavimo da imamo lonac vode sobne temperature od 20 ° C. Kad je stavimo na štednjak, dovedena toplina polako povećava temperaturu vode dok ne dosegne 100 ° C (temperatura vrenja vode na razini mora). Dovedena toplina naziva se osjetna toplina.

Toplina koja grije ruke je osjetljiva toplina. Izvor: Pixabay

Nakon što voda dosegne točku ključanja, toplina koju dovodi plamenik više ne podiže temperaturu vode koja ostaje na 100 ° C. U tom se slučaju isporučena toplinska energija ulaže u isparavanje vode. Dovedena toplina je latentna jer nije povisila temperaturu, već je uzrokovala promjenu s tekuće u plinsku fazu.

Eksperimentalna je činjenica da je osjetna toplina potrebna za postizanje određene varijacije temperature izravno proporcionalna toj varijaciji i masi predmeta.

Koncept i formule

Primjećeno je da, osim mase i temperaturne razlike, osjetljiva toplina ovisi i o materijalu. Iz tog razloga se konstanta proporcionalnosti između osjetne topline i produkta razlike mase i temperature naziva specifičnom toplinom.

Količina isporučene osjetne topline također ovisi o načinu provođenja postupka. Na primjer, drugačije je ako se postupak izvodi pri konstantnom volumenu nego pri konstantnom tlaku.

Formula osjetne topline u izobarskom procesu, to jest pri konstantnom tlaku, jest sljedeća:

Q = cp. m (T f - T i)

U gornjoj jednadžbi Q je osjetna toplina dovedena do objekta mase m, koja je svoju početnu temperaturu T _i povisila na krajnju vrijednost Tf. U prethodnoj jednadžbi također se pojavljuje cp, što je specifična toplina materijala pri konstantnom tlaku, jer je postupak izveden na taj način.

Također imajte na umu da je osjetna toplina pozitivna kad ga apsorbira objekt i uzrokuje porast temperature.

U slučaju da se toplina dovodi do plina zatvorenog u krutom spremniku, postupak će biti izokorski, to jest u konstantnom volumenu; a razumna formula topline biti će napisana ovako:

Q = c v. m. (T f - T i)

Adijabatski koeficijent γ

Kvocijent između specifične topline pri konstantnom tlaku i specifične topline u konstantnom volumenu za isti materijal ili tvar naziva se adijabatski koeficijent, koji se općenito označava grčkim slovom gama γ.

Adijabatski koeficijent veći je od jedinstva. Toplina potrebna za podizanje temperature jednog grama tijela za jedan stupanj veća je u izobarskom procesu nego u izohorskom.

To je zato što se u prvom slučaju dio topline koristi za obavljanje mehaničkih radova.

Uz specifičnu toplinu, obično se definira i toplinski kapacitet tijela. Ovo je količina topline potrebne za podizanje temperature tog tijela za jedan stupanj Celzijusa.

Kapacitet topline C

Kapacitet topline označava se velikim slovom C, a specifična toplina malom c. Odnos između obje količine je:

C = c⋅ m

Gdje je m masa tijela.

Koristi se i molarna specifična toplina koja se definira kao količina osjetne topline koja je potrebna za podizanje temperature jednog mola tvari za jedan stupanj Celzijusa ili Kelvina.

Specifična toplina u čvrstim tvarima, tekućinama i plinovima

Molarna specifična toplina većine krutih tvari ima vrijednost blizu 3 puta R, gdje je R univerzalna plinska konstanta. R = 8,314472 J / (mol *).

Na primjer, aluminij ima molarnu specifičnu toplinu 24,2 J / (mol ℃), bakar 24,5 J / (mol ℃), zlato 25,4 J / (mol ℃), a meko željezo 25,1 J / (mol ℃). Imajte na umu da su ove vrijednosti blizu 3R = 24,9 J / (mol ℃).

Suprotno tome, za većinu plinova molarna specifična toplina je blizu n (R / 2), gdje je n cijeli broj, a R je univerzalna plinska konstanta. Cijeli broj n povezan je s brojem stupnjeva slobode molekule koja čini plin.

Na primjer, u mononatom idealnom plinu, čija molekula ima samo tri translacijska stupnja slobode, molarna specifična toplina u konstantnom volumenu je 3 (R / 2). Ali ako se radi o dijatomskom idealnom plinu, postoje dodatna dva stupnja rotacije, dakle cv = 5 (R / 2).

U idealnim plinovima drži se sljedeći odnos između molarne specifične topline pri konstantnom tlaku i konstantnog volumena: cp = cv + R.

Voda zaslužuje poseban spomen. U tekućem stanju na 25 ℃, voda ima cp = 4,1813 J / (g ℃), vodena para na 100 Celzijevih stupnjeva ima cp = 2,080 J / (g ℃), a vodeni led na nula Celzijevih stupnjeva ima cp = 2050 J / (g *).

Razlika s latentnom toplinom

Materija može biti u tri stanja: kruta, tekuća i plinska. Za promjenu stanja potrebna je energija, ali svaka tvar reagira na različit način u skladu sa svojim molekularnim i atomskim karakteristikama.

Kad se kruta tvar otopi ili tekućina ispari, temperatura objekta ostaje konstantna sve dok sve čestice ne promijene svoje stanje.

Iz tog razloga moguće je da se tvar nalazi u ravnoteži u dvije faze: na primjer, kruta - tekuća ili tekuća - para. Količina tvari može se prenijeti iz jednog u drugo stanje dodavanjem ili uklanjanjem malo topline, a temperatura ostaje fiksna.

Toplina dovedena u neki materijal uzrokuje da njegove čestice vibriraju brže i povećavaju njihovu kinetičku energiju. To znači porast temperature.

Moguće je da energija koju steknu toliko velika da se više ne vraćaju u ravnotežni položaj i razdvajanje među njima se povećava. Kad se to dogodi temperatura se ne povećava, ali tvar prelazi iz krute u tekuću ili iz tekuće u plinsku.

Toplina potrebna da se to dogodi poznata je kao latentna toplina. Prema tome, prikrivena toplina je toplina kojom tvar može promijeniti fazu.

Evo razlike s osjetnom toplinom. Tvar koja apsorbira osjetnu toplinu povećava temperaturu i ostaje u istom stanju.

Kako izračunati latentnu toplinu?

Latentna toplina se izračunava jednadžbom:

Gdje L može biti specifična toplina isparavanja ili toplina fuzije. Jedinice L su energija / masa.

Znanstvenici su dali toplinu brojnim imenima, ovisno o vrsti reakcije u kojoj sudjeluje. Na primjer, postoji toplina reakcije, toplina izgaranja, toplina skrućivanja, toplina otopine, toplina sublimacije i mnogi drugi.

Vrijednosti mnogih ovih vrsta topline za različite tvari su tabelarno prikazane.

Riješene vježbe

Primjer 1

Pretpostavimo da onaj koji ima komad aluminija mase 3 kg. U početku je na 20 ° C, a želite podići temperaturu na 100 ° C. Izračunajte potrebnu osjetljivu toplinu.

Riješenje

Prvo moramo znati specifičnu toplinu aluminija

cp = 0,897 J / (g ° C)

Tada će biti potrebna količina topline za zagrijavanje komada aluminija

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

Q = 215 280 J

Primjer 2

Izračunajte količinu topline potrebne za zagrijavanje 1 litre vode od 25 ° C do 100 ° C na razini mora. Rezultat izrazite i u kilokalorijama.

Riješenje

Prvo što treba zapamtiti je da 1 litra vode teži 1 kg, odnosno 1000 grama.

Q = cpm (Tf - Ti) = 4.1813 J / (g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597.5 J

Kalorija je jedinica energije koja se definira kao osjetna toplina koja je potrebna za podizanje grama vode za jedan stupanj Celzijusa. Stoga je 1 kalorija jednaka 4,1813 Joulesa.

Q = 313597,5 J * (1 cal / 4.1813 J) = 75000 cal = 75 kcal.

Primjer 3

Komad materijala od 360,16 grama zagrijava se sa 37 ℃ na 140 ℃. Opskrbljena toplinskom energijom je 1150 kalorija.

Zagrijavanje uzorka. Izvor: self made.

Pronađite specifičnu toplinu materijala.

Riješenje

Specifičnu toplinu možemo napisati kao funkciju osjetne topline, mase i promjene temperature u skladu s formulom:

cp = Q / (m ΔT)

Zamjenom podataka imamo sljedeće:

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

No budući da je jedna kalorija jednaka 4,1813 J, rezultat se također može izraziti kao

cp = 0,130 J / (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. Tippens, P. 2011. Fizika: pojmovi i primjene. 7.. Revidirano izdanje. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson. 309-332.
5. Sears, Zemanski. 2016. Sveučilišna fizika s modernom fizikom. 14. ^st. VOLUME1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Osnove fizike. 9 ^na Cengage Learning. 362-374.