ТОПЛИНА: ФОРМУЛИ И ЕДИНИЦИ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, КАК ДА СЕ ИЗМЕРИ, ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

На топлината по физика се определя като топлинната енергия се прехвърля, когато те контактни предмети или вещества, които са при различни температури. Този трансфер на енергия и всички процеси, свързани с него, са обект на изучаване на термодинамиката, важен отрасъл на физиката.

Топлината е една от многото форми, които приема енергията, и една от най-познатите. И така, откъде идва? Отговорът се крие в атомите и молекулите, които съставляват материя. Тези частици вътре в нещата не са статични. Можем да си ги представим като малки мъниста, свързани с меки пружини, способни да се свиват и разтягат с лекота.

Атомите и молекулите вибрират в рамките на вещества, което се превежда във вътрешна енергия. Източник: P. Tippens. Физика: Понятия и приложения.

По този начин частиците са в състояние да вибрират и енергията им може лесно да се прехвърля към други частици, а също и от едно в друго тяло.

Количеството топлина, което тялото абсорбира или отделя, зависи от естеството на веществото, неговата маса и разликата в температурата. Изчислява се по следния начин:

Където Q е количеството предавана топлина, m е масата на обекта, C _e е собствената специфична топлина на веществото и ΔT = _крайна Т - _{начална} Т, тоест температурната разлика.

Както всички форми на енергия, топлината се измерва в джоули, в Международната система (SI). Други подходящи единици са: ergs в системата cgs, Btu в британската система и калориите, термин, използван обикновено за енергийното съдържание на храните.

Топлинни характеристики

Топлината от огъня е в пренос на енергия. Източник: Pixabay

Има няколко ключови концепции, които трябва да имате предвид:

-Топлината е свързана с енергия в транзит. Обектите нямат топлина, те я отделят или абсорбират само в зависимост от обстоятелството. Това, което имат обектите, е вътрешната енергия, благодарение на тяхната вътрешна конфигурация.

Тази вътрешна енергия от своя страна се състои от кинетична енергия, свързана с вибрационното движение и потенциалната енергия, характерна за молекулната конфигурация. Съгласно тази конфигурация, веществото ще предава топлината повече или по-лесно и това се отразява в неговата специфична топлина C _e, стойността, спомената в уравнението за изчисляване на Q.

-Втората важна концепция е, че топлината винаги се прехвърля от най-горещото тяло към най-студеното. Опитът показва, че топлината от горещото кафе винаги преминава към порцелана на чашата и чинията, или към метала на лъжицата, с която се бърка, никога обратното.

- Количеството топлина, прехвърлена или погълната, зависи от масата на въпросното тяло. Добавянето на същото количество калории или джаули към проба с X маса не се нагрява по същия начин друга, чиято маса е 2X.

Причината? В по-голямата проба има повече частици и всяка от тях би получила средно само половината енергия от по-малката проба.

Топлинно равновесие и запазване на енергията

Опитът ни казва, че когато поставим два предмета при различни температури в контакт, след известно време температурата и на двата ще бъде една и съща. Тогава може да се каже, че обектите или системите, както могат да се наричат, са в топлинно равновесие.

От друга страна, обмисляйки как да увеличите вътрешната енергия на изолирана система, се стига до заключението, че има два възможни механизма:

i) Нагряване, тоест прехвърляне на енергия от друга система.

ii) Извършете някаква механична работа по него.

Имайки предвид, че енергията се запазва:

В рамките на термодинамиката този принцип на запазване е известен като Първия закон на термодинамиката. Ние казваме, че системата трябва да бъде изолирана, защото в противен случай би било необходимо да се вземат предвид други енергийни входове или изходи в баланса.

Как се измерва топлината?

Топлината се измерва според ефекта, който произвежда. Затова чувството на допир бързо информира колко гореща или студена е напитка, храна или какъвто и да е предмет. Тъй като прехвърлянето или абсорбирането на топлина води до промени в температурата, измерването на това дава представа колко топлина е пренесена.

Инструментът, използван за измерване на температурата, е термометърът, устройство, оборудвано с градуирана скала за извършване на отчитането. Най-известният е живачният термометър, който се състои от фин капиляр на живак, който се разширява при нагряване.

Термометър със завършване в скали по Целзий и по Фаренхайт. Източник: Pixabay

След това напълненият с живак капиляр се вкарва в стъклена тръба с мащаб и се поставя в контакт с тялото, температурата на която трябва да бъде измерена, докато те достигнат топлинно равновесие, а температурата и на двете е една и съща.

Какво е необходимо за направата на термометър?

Като начало трябва да имате някакво термометрично свойство, тоест такова, което варира в зависимост от температурата.

Например газ или течност като живак се разширяват при нагряване, въпреки че служи и електрическо съпротивление, което излъчва топлина, когато през него преминава ток. Накратко, може да се използва всяко термометрично свойство, което е лесно измеримо.

Ако температурата t е пряко пропорционална на термометричното свойство X, тогава може да се напише:

Където k е константата на пропорционалност, която трябва да се определи, когато се зададат две подходящи температури и се измерват съответните стойности на X. Подходящите температури означават лесно получаване в лабораторията.

След като двойките (t ₁, X ₁) и (t ₂, X ₂) са установени, интервалът между тях е разделен на равни части, това ще бъдат градусите.

Температурни скали

Изборът на температурите, необходими за изграждането на температурна скала, се прави с критерия, който те могат лесно да се получат в лабораторията. Една от най-широко използваните везни по света е скалата на Целзий, създадена от шведския учен Андерс Целзий (1701-1744).

0 по скалата на Целзий е температурата, при която ледът и течната вода са в равновесие при 1 атмосфера на налягане, докато горната граница се избира, когато течната вода и водната пара са еднакво равновесни и при 1 атмосфера на налягане. Този интервал е разделен на 100 градуса, всеки от които се нарича градусова градус.

Това не е единственият начин за изграждане на мащаб, далеч от него. Има и други различни скали, като скалата на Фаренхайт, в която интервалите са избрани с други стойности. И там е скалата на Келвин, която има само долна граница: абсолютна нула.

Абсолютната нула съответства на температурата, при която всяко движение на частици в дадено вещество престава напълно, но въпреки че се е приближило доста, той все още не е успял да охлади никое вещество до абсолютна нула.

Примери

Всеки човек изпитва топлина ежедневно, пряко или косвено. Например, когато имате топла напитка, на обедното слънце, изследвате температурата на автомобилен двигател, в стая, пълна с хора и в безброй други ситуации.

На Земята топлината е необходима за поддържане на жизнените процеси, както тази, която идва от Слънцето, така и тази, която идва от вътрешността на планетата.

По същия начин климатът се обуславя от промени в топлинната енергия, които настъпват в атмосферата. Топлината на Слънцето не достига навсякъде еднакво, на екваториални ширини достига повече, отколкото на полюсите, така че най-горещият въздух в тропиците се издига и се движи на север и юг, за да се постигне топлинен баланс за което се говореше и преди.

По този начин се установяват въздушни течения с различна скорост, които транспортират облаци и дъжд. От друга страна, внезапният сблъсък между фронтовете с горещ и студен въздух предизвиква явления като бури, торнадо и урагани.

За разлика от това, на по-близко ниво топлината може да не е толкова добре дошла, колкото залез на плажа. Топлината причинява експлоатационни проблеми в автомобилните двигатели и компютърните процесори.

Той също така води до загуба на електрическа енергия в проводящите кабели и материали, които се разширяват, поради което термичната обработка е толкова важна във всички области на техниката.

Упражнения

- Упражнение 1

Етикетът на бонбон гласи, че той осигурява 275 калории. Колко енергия в джаули е еквивалентно на този бонбон?

Решение

В началото калориите бяха споменати като единица за топлина. Храната съдържа енергия, която обикновено се измерва в тези единици, но диетичните калории всъщност са килокалории.

Еквивалентността е следната: 1 kcal = 4186 J, и се заключава, че бонбоните имат:

275 килокалории x 4186 джаул / килокалория = 1,15 10 ⁶ Дж.

- Упражнение 2

100 g метал се нагряват до 100 ° C и се поставят в калориметър с 300 g вода при 20 ° C. Температурата, която системата придобива, когато достигне равновесие, е 21,44 ° C. От вас се изисква да определите специфичната топлина на метала, като приемете, че калориметърът не абсорбира топлината.

Решение

В тази ситуация металът отдава топлина, която ще наречем _дадена Q и пред нея се поставя знак (-), който показва загуба:

От своя страна водата в калориметъра абсорбира топлината, която ще бъде обозначена като Q абсорбира:

Енергията се запазва, от което следва, че:

От извлечението можете да изчислите ΔT:

Важно: 1 ° C е същия размер като 1 келвин. Разликата между двете скали е, че скалата на Келвин е абсолютна (градусите на Келвин винаги са положителни).

Специфичната топлина на водата при 20ºC е 4186 J / kg. K и с това може да се изчисли абсорбираната топлина:

В заключение, специфичната топлина на метала се изчиства:

Препратки

1. Bauer, W. 2011. Физика за инженерство и науки. Том 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Подход от компетенции. McGraw Hill.
3. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: поглед към света. 6 ^ta Съкратено редактиране. Учене в Cengage.
4. Найт, Р. 2017. Физиката за учените и инженерството: стратегически подход. Пиърсън.
5. Tippens, P. 2011. Физика: концепции и приложения. 7-мо издание. Хълм Макграу