ПОГЛЪЩАНА ТОПЛИНА: ФОРМУЛИ, КАК ДА СЕ ИЗЧИСЛИ И РЕШЕНИ УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В абсорбира топлина се определя като предаване на енергия между две тела при различни температури. Този с по-ниска температура поглъща топлината на този с по-висока температура. Когато това се случи, топлинната енергия на веществото, което абсорбира топлината, се увеличава, а частиците, които го съставят, вибрират по-бързо, повишавайки кинетичната си енергия.

Това може да доведе до повишаване на температурата или промяна в състоянието. Например, преминавайте от твърдо в течно, като лед, когато се стопи при контакт с вода или сода при стайна температура.

Металната лъжица абсорбира топлината от горещото кафе. Източник: Pixabay

Благодарение на топлината е възможно и обектите да променят размерите си. Топлинното разширение е добър пример за това явление. Когато повечето вещества се нагряват, те имат тенденция да увеличават размера си.

Изключение от това е водата. Същото количество течна вода увеличава обема си, когато се охлади под 4 ° C. В допълнение, промените в температурата могат да получат и промени в неговата плътност, нещо също много забележимо в случая с водата.

От какво се състои и формули

В случай на енергия в транзит, единиците на абсорбираната топлина са джоули. Въпреки това, дълго време топлината имаше свои единици: калоричност.

И до днес тази единица се използва за количествено определяне на енергийното съдържание на храната, въпреки че в действителност една диетична калория съответства на една килокалория топлина.

Калории

Калорията, съкратено като вар, е количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на 1 грам вода с 1ºC.

През 19 век сър Джеймс Прескот Джоул (1818 - 1889) провежда известен експеримент, при който успява да превърне механичната работа в топлина, като получи следната еквивалентност:

В британските единици топлинната единица се нарича Btu (британска термична единица), която се определя като количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на един килограм вода с 1ºF.

Еквивалентността между единиците е следната:

Проблемът при тези по-стари единици е, че количеството топлина зависи от температурата. Тоест, тази, която се изисква да премине от 70ºC до 75ºC, не е същата като тази, необходима за загряване на вода от 9ºC до 10ºC, например.

Ето защо дефиницията предвижда добре определени диапазони: от 14,5 до 15,5 ° C и 63 до 64 ° F за калориите и Btu съответно.

От какво зависи количеството на абсорбираната топлина?

Количеството абсорбирана топлина, което материалът взима зависи от няколко фактора:

- Маса. Колкото по-голяма е масата, толкова повече топлина е в състояние да абсорбира.

- Характеристики на веществото. Има вещества, които в зависимост от молекулярната си или атомната структура са способни да поемат повече топлина от останалите.

- Температура. Добавянето на повече топлина е необходимо за получаване на по-висока температура.

Количеството топлина, обозначено Q, е пропорционално на описаните фактори. Следователно, той може да бъде записан като:

Където m е масата на обекта, c е постоянна, наречена специфична топлина, присъщо свойство на веществото и Δ T е изменението на температурата, постигнато чрез поглъщане на топлина.

Тази разлика има положителен знак, тъй като при поглъщане на топлина се очаква T _f > T _o. Това се случва, освен ако веществото е подложено на фазова промяна, например вода, преминаваща от течност в пара. Когато водата заври, нейната температура остава постоянна при приблизително 100 ° C, без значение колко бързо кипи.

Как да го изчислим?

Като поставят в контакт два предмета при различни температури, след известно време и двамата достигат топлинно равновесие. След това температурите се изравняват и топлопредаването спира. Същото се случва, ако повече от два обекта влязат в контакт. След определено време всички те ще бъдат на една и съща температура.

Ако приемем, че контактните предмети образуват затворена система, от която топлината не може да избяга, се прилага принципът за запазване на енергията, така че може да се заяви, че:

Q _{абсорбира} = - Q се _{получава}

Това представлява енергиен баланс, подобен на доходите и разходите на човек. Ето защо предаваната топлина има отрицателен знак, тъй като за обекта, който отдава, крайната температура е по-ниска от първоначалната. По този начин:

Уравнението Q _{абсорбира} = - Q _{получава} се използва, когато два обекта са в контакт.

Енергиен баланс

За да се осъществи енергийният баланс е необходимо да се разграничат обектите, които поглъщат топлина, от тези, които добиват, след това:

Σ Q _k = 0

Тоест сумата от енергийните печалби и загуби в затворена система трябва да е равна на 0.

Специфичната топлина на веществото

За да се изчисли количеството на абсорбираната топлина, е необходимо да се знае специфичната топлина на всяко участващо вещество. Това е количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на 1 g материал с 1ºC. Неговите единици в международната система са: джаул / кг. К.

Има таблици със специфичната топлина на много вещества, обикновено изчислени с помощта на калориметър или подобни инструменти.

Пример за това как да се изчисли специфичната топлина на материал

250 калории са необходими за повишаване на температурата на метален пръстен от 20 на 30 ºC. Ако пръстенът има маса 90 g. Каква е специфичната топлина на метала в единици SI?

Решение

Първите единици се преобразуват:

Q = 250 калории = 1046,5 J

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

Упражнението е разрешено

Алуминиева чаша съдържа 225 g вода и 40 g медна бъркалка, всичко това при 27 ° C. 400 g проба сребро при начална температура 87 ° C се поставя във водата.

Бъркалката се използва за разбъркване на сместа, докато достигне крайната си равновесна температура 32 ° С. Изчислете масата на алуминиевата чаша, като вземете предвид, че няма топлинни загуби за околната среда.

Схема на калориметър. Източник: Solidswiki.

Приближаване

Както беше посочено по-горе, важно е да се прави разлика между обектите, които отделят топлина от тези, които поглъщат:

- Алуминиевата чаша, медната бъркалка и водата абсорбират топлината.

- Сребърната проба отделя топлина.

Данни

Специфичните топлини на всяко вещество се доставят:

Топлината, погълната или прехвърлена от всяко вещество, се изчислява с помощта на уравнението:

Решение

сребърен

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

Медна бъркалка

Q _{абсорбира} = 40 x 10 ^-3. 387 x (32 - 27) J = 77,4 J

вода

Q _{абсорбира} = 225 x 10 ^-3. 4186 x (32 - 27) J = 4709,25 J

Алуминиева чаша

Q _{абсорбира} = m _{алуминий}. 900 x (32 - 27) J = 4500 mm _{алуминий}

Използване на:

Σ Q _k = 0

77.4 + 4709.25 + 4500.m _{алуминий} = - (-5148)

Накрая масата на алуминия се изчиства:

m _{алуминий} = 0,0803 kg = 80,3 g

Препратки

1. Giancoli, D. 2006. Физика: Принципи на приложение. 6 ^-та. Ед Прентис Хол. 400 - 410.
2. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: поглед към света. 6 ^ta Съкратено редактиране. Учене в Cengage. 156-164.
3. Рекс, А. 2011. Основи на физиката. Пиърсън. 309-332.
4. Сиърс, Земански. 2016. Университетска физика със съвременна физика. 14 ^-та. VOLUME1. 556-553.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Основи на физиката. 9 ^на Cengage Learning. 362 - 374