ЧУВСТВИТЕЛНА ТОПЛИНА: КОНЦЕПЦИЯ, ФОРМУЛИ И РЕШЕНИ УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В разумен топлина е топлинната енергия подава към обект от температурата му да расте. То е обратното на латентната топлина, при която топлинната енергия не повишава температурата, а насърчава промяна на фазата, например от твърда в течна.

Един пример изяснява концепцията. Да предположим, че имаме съд с вода при стайна температура от 20 ° C. Когато го поставим на печката, подадената топлина увеличава бавно температурата на водата, докато достигне 100 ° C (температура на кипене на водата на морско равнище). Подадената топлина се нарича разумна топлина.

Топлината, която затопля ръцете, е чувствителна топлина. Източник: Pixabay

След като водата достигне точката на кипене, подадената от горелката топлина вече не повишава температурата на водата, която остава 100 ° C. В този случай доставената топлинна енергия се инвестира в изпаряване на водата. Подадената топлина е латентна, защото не повишава температурата, а вместо това предизвиква промяна от течната фаза към газовата фаза.

Експериментален факт е, че разумната топлина, необходима за постигане на определено изменение на температурата, е пряко пропорционална на това изменение и на масата на обекта.

Концепция и формули

Забелязано е, че освен масата и температурната разлика, чувствителната топлина зависи и от материала. Поради тази причина константата на пропорционалност между чувствителната топлина и произведението на масата и температурната разлика се нарича специфична топлина.

Количеството доставена разумна топлина също зависи от начина на протичане на процеса. Например, различно е, ако процесът се извършва с постоянен обем, отколкото при постоянно налягане.

Формулата за чувствителна топлина при изобарен процес, тоест при постоянно налягане, е следната:

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

В горното уравнение Q е чувствителната топлина, подадена на обекта с маса m, която е повишила началната си температура T _i до крайната стойност Tf. В предходното уравнение също се появява cp, което е специфичната топлина на материала при постоянно налягане, тъй като процесът е осъществен по този начин.

Обърнете внимание също, че чувствителната топлина е положителна, когато се поглъща от обекта и причинява повишаване на температурата.

В случай, че топлината се подава към газ, затворен в твърд контейнер, процесът ще бъде изохорен, тоест с постоянен обем; и разумната формула за топлина ще бъде написана така:

Q = c v. м. (T f - T i)

Адиабатният коефициент γ

Коефициентът между специфичната топлина при постоянно налягане и специфичната топлина при постоянен обем за същия материал или вещество се нарича адиабатен коефициент, който обикновено се обозначава с гръцката буква гама γ.

Адиабатният коефициент е по-голям от единица. Топлината, необходима за повишаване на температурата на едно грамово тяло с един градус, е по-голяма при изобарен процес, отколкото при изохорен.

Това е така, защото в първия случай част от топлината се използва за извършване на механична работа.

В допълнение към специфичната топлина обикновено се определя и топлинният капацитет на тялото. Това е количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на това тяло с една градус по Целзий.

Топлоемкост C

Топлинният капацитет се обозначава с главна буква С, а специфичната топлина - с малка с. Връзката между двете количества е:

C = c⋅ m

Където m е масата на тялото.

Използва се също така моларно специфична топлина, която се определя като количеството разумна топлина, необходимо за повишаване на температурата на един мол от веществото с един градус по Целзий или Келвин.

Специфична топлина в твърди частици, течности и газове

Моларната специфична топлина на повечето твърди частици има стойност, близка до 3 пъти R, където R е универсалната газова константа. R = 8,314472 J / (мол *).

Например, алуминият има моларно специфична топлина 24,2 J / (mol ℃), мед 24,5 J / (mol ℃), злато 25,4 J / (mol ℃) и меко желязо 25,1 J / (mol ℃). Обърнете внимание, че тези стойности са близки до 3R = 24,9 J / (mol ℃).

За разлика от това, за повечето газове молярната специфична топлина е близка до n (R / 2), където n е цяло число, а R е универсалната газова константа. Цялото число n е свързано с броя степени на свобода на молекулата, която съставя газа.

Например, в монотомен идеален газ, чиято молекула има само трите транслационни степени на свобода, моларната специфична топлина при постоянен обем е 3 (R / 2). Но ако това е диатомичен идеален газ, има и две въртящи се степени, така че cv = 5 (R / 2).

В идеалните газове има следната връзка между молярната специфична топлина при постоянно налягане и постоянен обем: cp = cv + R.

Водата заслужава специално споменаване. В течно състояние при 25 ℃, водата има cp = 4.1813 J / (g ℃), водната пара при 100 градуса по Целзий има cp = 2.080 J / (g ℃), а водният лед при нула градуса по Целзий има cp = 2050 J / (g *).

Разлика с латентна топлина

Материята може да бъде в три състояния: твърдо, течно и газово. Необходима е енергия за промяна на състоянието, но всяко вещество реагира на него по различен начин според молекулните и атомните си характеристики.

Когато твърдото вещество се топи или течност се изпарява, температурата на обекта остава постоянна, докато всички частици не са променили състоянието си.

Поради тази причина е възможно веществото да е в равновесие в две фази: твърда - течна или течна - пари, например. Количество вещество може да се прехвърли от едно състояние в друго чрез добавяне или премахване на малко топлина, докато температурата остава фиксирана.

Подадената топлина на даден материал кара частиците му да вибрират по-бързо и да увеличат кинетичната си енергия. Това се превръща в повишаване на температурата.

Възможно е енергията, която придобиват, да е толкова голяма, че те вече да не се връщат в равновесното си положение и раздялата между тях се увеличава. Когато това се случи, температурата не се повишава, но веществото преминава от твърдо в течно или от течно в газ.

Топлината, необходима за това да се случи, е известна като латентна топлина. Следователно, латентната топлина е топлината, чрез която веществото може да промени фазата.

Ето разликата с чувствителната топлина. Вещество, което абсорбира чувствителната топлина, повишава температурата си и остава в същото състояние.

Как да изчислим латентната топлина?

Латентната топлина се изчислява по уравнението:

Където L може да бъде специфичната топлина на изпаряване или топлината на синтеза. Единиците на L са енергия / маса.

Учените са дали топлина многобройни имена, в зависимост от вида на реакцията, в която участва. Например, има топлината на реакцията, топлината на горенето, топлината на втвърдяване, топлината на разтвора, топлината на сублимацията и много други.

Стойностите на много от тези видове топлина за различни вещества се представят таблично.

Решени упражнения

Пример 1

Да предположим, че има парче алуминий с маса 3 кг. Първоначално е на 20 ° C и искате да повишите температурата му до 100 ° C. Изчислете необходимата топлина.

Решение

Първо трябва да знаем специфичната топлина на алуминия

cp = 0.897 J / (g ° C)

Тогава количеството топлина, необходимо за загряване на парчето алуминий, ще бъде

Q = cpm (Tf - Ti) = 0.897 * 3000 * (100 - 20) J

Q = 215 280 Дж

Пример 2

Изчислете количеството топлина, необходимо за загряване на 1 литър вода от 25 ° C до 100 ° C на морско равнище. Изразете резултата и в килокалории.

Решение

Първото нещо, което трябва да запомните е, че 1 литър вода тежи 1 кг, тоест 1000 грама.

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

Калорията е единица енергия, която се определя като разумната топлина, необходима за повишаване на грам вода с един градус по Целзий. Следователно 1 калория е равна на 4.1813 джаула.

Q = 313597.5 J * (1 cal / 4.1813 J) = 75000 cal = 75 kcal.

Пример 3

Материал от 360.16 грама се нагрява от 37 ℃ до 140 ℃. Доставената топлинна енергия е 1150 калории.

Загряване на пробата. Източник: самостоятелно направен.

Намерете специфичната топлина на материала.

Решение

Можем да запишем специфичната топлина като функция на чувствителната топлина, масата и изменението на температурата според формулата:

cp = Q / (m ΔT)

Замествайки данните, ние имаме следното:

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

Но тъй като една калория е равна на 4.1813 J, резултатът също може да се изрази като

cp = 0,130 J / (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. Tippens, P. 2011. Физика: концепции и приложения. 7-ми. Преработено издание. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Рекс, А. 2011. Основи на физиката. Пиърсън. 309-332.
5. Сиърс, Земански. 2016. Университетска физика със съвременна физика. 14 ^-та. VOLUME1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Основи на физиката. 9 ^на Cengage Learning. 362-374.