VARMEABSORBERET: FORMLER, HVORDAN MAN BEREGNER DET OG LØSTE ØVELSER - FYSISK - 2024

Den absorberede varme defineres som overførsel af energi mellem to legemer ved forskellige temperaturer. Den med en lavere temperatur absorberer varmen fra den, der har en højere temperatur. Når dette sker, stiger den termiske energi fra det stof, der absorberer varme, og partiklerne, der sammensætter det, vibrerer hurtigere, hvilket øger deres kinetiske energi.

Dette kan føre til en stigning i temperaturen eller en ændring af tilstanden. Gå for eksempel fra fast stof til væske, som is, når det smelter i kontakt med vand eller soda ved stuetemperatur.

Metalskeden absorberer varme fra den varme kaffe. Kilde: Pixabay.

Takket være varmen er det også muligt for genstande at ændre deres dimensioner. Termisk ekspansion er et godt eksempel på dette fænomen. Når de fleste stoffer opvarmes, har de en tendens til at stige i størrelse.

En undtagelse fra dette er vand. Den samme mængde flydende vand øger volumenet, når det afkøles under 4 ° C. Derudover kan ændringer i temperatur også opleve ændringer i dens densitet, noget også meget observerbart i tilfælde af vand.

Hvad det består af og formler

I tilfælde af energi i transit er enhederne af absorberet varme Joules. Men i lang tid havde varme sine egne enheder: kalorien.

Selv i dag bruges denne enhed til at kvantificere fødevarets energiindhold, skønt en diætkalorie i virkeligheden svarer til en kilokalorie varme.

Kalorier

Kalorien, forkortet som kalk, er den mængde varme, der er nødvendig for at hæve temperaturen på 1 gram vand med 1 ° C.

I det 19. århundrede gennemførte Sir James Prescott Joule (1818 - 1889) et berømt eksperiment, hvor han formåede at omdanne mekanisk arbejde til varme ved at opnå følgende ækvivalens:

I britiske enheder kaldes varmeenheden Btu (britisk termisk enhed), der er defineret som den mængde varme, der er nødvendig for at hæve temperaturen på et kilo vand med 1 ºF.

Ækvivalensen mellem enheder er som følger:

Problemet med disse ældre enheder er, at mængden af ​​varme afhænger af temperaturen. Det vil sige, at den, der kræves for at gå fra 70 ° C til 75 ° C, ikke er den samme som den, der kræves for at opvarme vandet fra 9 ° C til 10 ° C, for eksempel.

Derfor overvejer definitionen veldefinerede intervaller: fra 14,5 til 15,5 ° C og 63 til 64 ° F for henholdsvis kalorien og Btu.

Hvor afhænger mængden af ​​absorberet varme?

Mængden af ​​absorberet varme, som et materiale opsamler, afhænger af flere faktorer:

- Masse. Jo større masse, jo mere varme er den i stand til at absorbere.

- Egenskaber af stoffet. Der er stoffer, der afhængigt af deres molekylære eller atomare struktur er i stand til at absorbere mere varme end andre.

- Temperatur. Det er nødvendigt at tilføje mere varme for at opnå en højere temperatur.

Mængden af ​​varme, betegnet Q, er proportional med de beskrevne faktorer. Derfor kan det skrives som:

Hvor m er objektets masse, er c en konstant kaldet specifik varme, substansens indre egenskab, og Δ T er variationen i temperatur opnået ved at absorbere varme.

Denne forskel har et positivt tegn, da det ved optagelse af varme forventes, at T _f > T _o. Dette sker, medmindre stoffet gennemgår en faseændring, såsom vand, der går fra væske til damp. Når vand koger, forbliver temperaturen konstant ved ca. 100 ° C, uanset hvor hurtigt det koger.

Hvordan beregnes det?

Ved at sætte to genstande ved forskellige temperaturer i kontakt, når de et stykke tid termisk ligevægt. Temperaturen udlignes derefter, og varmeoverførslen ophører. Det samme sker, hvis mere end to genstande kommer i kontakt. Efter en bestemt tid vil de alle have samme temperatur.

Forudsat at objekterne i kontakt danner et lukket system, hvorfra varme ikke kan undslippe, gælder princippet om energibesparelse, så det kan siges, at:

Q _absorberet = - Q _gav

Dette repræsenterer en energibalance svarende til den, der indgår i en persons indkomst og udgifter. Af denne grund har den overførte varme et negativt tegn, da den endelige temperatur for det objekt, der giver efter, er lavere end den oprindelige. Dermed:

Ligningen Q _absorberet = - Q _opnået bruges hver gang to objekter er i kontakt.

Energibalance

For at udføre energibalancen er det nødvendigt at skelne objekter, der optager varme fra dem, der giver efter, så:

Σ Q _k = 0

Det vil sige, summen af ​​energi gevinster og tab i et lukket system skal være lig med 0.

Stoffets specifikke varme

For at beregne mængden af ​​absorberet varme er det nødvendigt at kende den specifikke varme for hvert deltagende stof. Dette er den mængde varme, der er nødvendig for at hæve temperaturen på 1 g materiale med 1 ºC. Dens enheder i det internationale system er: Joule / kg. K.

Der er tabeller med den specifikke varme for mange stoffer, beregnet generelt ved hjælp af et kalorimeter eller lignende værktøjer.

Et eksempel på, hvordan man beregner den specifikke varme til et materiale

250 kalorier er nødvendige for at hæve temperaturen på en metalring fra 20 til 30 ºC. Hvis ringen har en masse på 90 g. Hvad er metodens specifikke varme i SI-enheder?

Løsning

Enheder konverteres først:

Q = 250 kalorier = 1046,5 J

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

Træning løst

En aluminiumsskål indeholder 225 g vand og en 40 g kobberrører, alle ved 27 ° C. En prøve på 400 g sølv ved en initial temperatur på 87 ° C anbringes i vandet.

Omrøreren bruges til at omrøre blandingen, indtil den når sin endelige ligevægtstemperatur på 32 ° C. Beregn massen af ​​aluminiumskoppen, idet du tager i betragtning, at der ikke er varmetab i miljøet.

Skematisk et kalorimeter. Kilde: Solidswiki.

Nærme sig

Som nævnt ovenfor er det vigtigt at skelne mellem genstande, der opgiver varme fra dem, der optager:

- Aluminiumskoppen, kobberrøreren og vandet absorberer varme.

- Sølvprøven giver varme.

Data

De specifikke opvarmninger af hvert stof leveres:

Den varme, der absorberes eller overføres af hvert stof, beregnes ved hjælp af ligningen:

Løsning

Sølv

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

Kobberrører

Q _absorberet = 40 x 10 ^-3. 387 x (32 - 27) J = 77,4 J

Vand

Q _absorberet = 225 x 10 ^-3. 4186 x (32 - 27) J = 4709,25 J

Aluminiumskrus

Q _absorberet = m _aluminium. 900 x (32 - 27) J = 4500 m _aluminium

Brug af:

Σ Q _k = 0

77,4 + 4709,25 + 4500 m _aluminium = - (-5148)

Endelig renses aluminiumets masse:

m _aluminium = 0,0803 kg = 80,3 g

Referencer

1. Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med applikationer. 6 ^th. Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: Et kig på verden. 6 ^ta Redigering forkortet. Cengage Learning. 156-164.
3. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 309-332.
4. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med moderne fysik. 14 ^th. Volume1. 556-553.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9 ^na Cengage Learning. 362 - 374