FØLSOM VARME: KONCEPT, FORMLER OG LØSTE ØVELSER - FYSISK - 2024

Den følsomme varme er den termiske energi, der tilføres et objekt ved, at temperaturen stiger. Det er det modsatte af latent varme, hvor termisk energi ikke øger temperaturen men fremmer en faseændring, for eksempel fra faststof til væske.

Et eksempel klargør begrebet. Antag, at vi har en gryde med vand ved stuetemperatur på 20 ° C. Når vi anbringer det på komfuret, øger den tilførte varme temperaturen på vandet langsomt, indtil det når 100 ° C (kogetemperatur på vandet ved havets overflade). Den leverede varme kaldes fornuftig varme.

Varmen, der varmer hænderne, er fornuftig varme. Kilde: Pixabay

Når vandet når kogepunktet, hæver den varme, der leveres af brænderen, ikke længere temperaturen på vandet, der forbliver ved 100 ° C. I dette tilfælde investeres den leverede termiske energi i at fordampe vandet. Den tilførte varme er latent, fordi den ikke hævede temperaturen, men i stedet forårsagede en ændring fra væskefasen til gasfasen.

Det er en eksperimentel kendsgerning, at den fornuftige varme, der er nødvendig for at opnå en bestemt variation i temperaturen, er direkte proportional med denne variation og objektets masse.

Koncept og formler

Det er blevet observeret, at bortset fra massen og temperaturforskellen, afhænger følsom varme også af materialet. Af denne grund kaldes den konstante proportionalitet mellem fornuftig varme og produktet af masse og temperaturforskel specifik varme.

Mængden af ​​tilført følsom varme afhænger også af, hvordan processen udføres. For eksempel er det anderledes, hvis processen udføres ved konstant volumen end ved konstant tryk.

Formlen for fornuftig varme i en isobarisk proces, det vil sige ved konstant tryk, er følgende:

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

I den ovenstående ligning Q er frie varme tilføres til genstand for masse m, som har hævet starttemperatur T _i den endelige værdi Tf. I den forrige ligning vises også cp, som er den specifikke varme af materialet ved konstant tryk, fordi processen er blevet udført på denne måde.

Bemærk også, at fornuftig varme er positiv, når den absorberes af genstanden og forårsager en temperaturstigning.

I tilfælde af, at der tilføres varme til en gas, der er lukket i en stiv beholder, vil processen være isokorisk, dvs. ved konstant volumen; og den fornuftige varmeformel skrives sådan:

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

Den adiabatiske koefficient γ

Kvotienten mellem den specifikke varme ved konstant tryk og den specifikke varme ved konstant volumen for det samme materiale eller stof kaldes den adiabatiske koefficient, der generelt betegnes med den græske bogstav gamma y.

Den adiabatiske koefficient er større end enheden. Varmen, der kræves for at hæve temperaturen i et gram gram med en grad, er større i en isobarisk proces end i en isokorisk.

Dette skyldes, at i det første tilfælde bruges en del af varmen til at udføre mekanisk arbejde.

Foruden specifik varme defineres normalt også et legems varmekapacitet. Dette er den mængde varme, der er nødvendig for at hæve temperaturen på kroppen i en grad celsius.

Varmekapacitet C

Varmekapacitet er angivet med en kapital C, mens specifik varme med en lille c. Forholdet mellem begge mængder er:

C = c⋅m

Hvor m er kroppens masse.

Molær specifik varme anvendes også, som defineres som den mængde af fornuftig varme, der er nødvendig for at hæve en temperatur på en mol stof med en grad Celsius eller Kelvin.

Specifik varme i faste stoffer, væsker og gasser

Den molære specifikke varme for de fleste faste stoffer har en værdi tæt på 3 gange R, hvor R er den universelle gaskonstant. R = 8,314472 J / (mol *).

F.eks. Har aluminium molspecifik varme 24,2 J / (mol ℃), kobber 24,5 J / (mol ℃), guld 25,4 J / (mol ℃) og blødt jern 25,1 J / (mol ℃). Bemærk, at disse værdier er tæt på 3R = 24,9 J / (mol ℃).

I modsætning hertil er den molære specifikke varme for de fleste gasser tæt på n (R / 2), hvor n er et heltal, og R er den universelle gaskonstant. Heltallet n er relateret til antallet af frihedsgrader for molekylet, der udgør gassen.

For eksempel i en monatomisk ideel gas, hvis molekyle kun har de tre translationsgrader af frihed, er den molære specifikke varme ved konstant volumen 3 (R / 2). Men hvis det er en ideel diatomisk gas, er der yderligere to rotationsgrader, så cv = 5 (R / 2).

I ideelle gasser holder følgende forhold mellem molspecifik varme ved konstant tryk og konstant volumen: cp = cv + R.

Vandet fortjener en særlig omtale. I en flydende tilstand ved 25 ℃ har vand cp = 4,1813 J / (g ℃), vanddamp ved 100 grader Celsius har cp = 2,080 J / (g ℃) og vandis ved nul grader Celsius har cp = 2.050 J / (g *).

Forskel med latent varme

Materiale kan være i tre tilstande: fast stof, væske og gas. Energi kræves for at ændre tilstand, men hvert stof reagerer på det på en anden måde i henhold til dets molekylære og atomare egenskaber.

Når et fast stof smelter, eller en væske fordampes, forbliver objektets temperatur konstant, indtil alle partikler har ændret deres tilstand.

Af denne grund er det muligt, at et stof er i ligevægt i to faser: f.eks. Fast - væske eller væske - damp. En mængde af stoffet kan overføres fra en tilstand til en anden ved at tilføje eller fjerne lidt varme, mens temperaturen forbliver fast.

Den varme, der tilføres et materiale, får dets partikler til at vibrere hurtigere og øge deres kinetiske energi. Dette omsættes til en stigning i temperaturen.

Det er muligt, at den energi, de får, er så stor, at de ikke længere vender tilbage til deres ligevægtsposition og adskillelsen mellem dem øges. Når dette sker stiger temperaturen ikke, men stoffet går fra fast stof til væske eller fra væske til gas.

Den varme, der kræves for at dette skal ske, kaldes latent varme. Derfor er latent varme den varme, hvormed et stof kan ændre fase.

Her er forskellen med fornuftig varme. Et stof, der absorberer fornuftig varme, øger sin temperatur og forbliver i samme tilstand.

Hvordan beregnes latent varme?

Latent varme beregnes af ligningen:

Hvor L kan være den specifikke fordampningsvarme eller smeltevarmen. Enhederne af L er energi / masse.

Forskere har givet et antal navne varme afhængigt af den reaktionstype, den deltager i. F.eks. Er der reaktionsvarmen, forbrændingsvarmen, størkningsvarmen, opløsningsvarmen, sublimeringsvarmen og mange andre.

Værdierne for mange af disse varmetyper for forskellige stoffer er angivet.

Løst øvelser

Eksempel 1

Antag, at en, der har et stykke aluminium med en masse på 3 kg. Oprindeligt er den ved 20 ° C, og du vil hæve dens temperatur til 100 ° C. Beregn den fornødne varme.

Løsning

Først skal vi kende den specifikke varme af aluminium

cp = 0,897 J / (g ° C)

Derefter er den mængde varme, der er nødvendig for at opvarme aluminiumstykket

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

Q = 215 280 J

Eksempel 2

Beregn den mængde varme, der er nødvendig for at opvarme 1 liter vand fra 25 ° C til 100 ° C ved havoverfladen. Udtrykk resultatet også i kilokalorier.

Løsning

Den første ting, man skal huske, er, at 1 liter vand vejer 1 kg, det vil sige 1000 gram.

Q = cpm (Tf - Ti) = 4,1813 J / (g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 J

Kalorien er en energienhed, der er defineret som den fornuftige varme, der er nødvendig for at skaffe et gram vand med en grad Celsius. Derfor er 1 kalorie lig med 4.1813 Joules.

Q = 313597,5 J * (1 cal / 4,1813 J) = 75000 cal = 75 kcal.

Eksempel 3

Et stykke materiale på 360,16 gram opvarmes fra 37 ℃ til 140 ℃. Den leverede termiske energi er 1150 kalorier.

Opvarm prøven. Kilde: self made.

Find materialets specifikke varme.

Løsning

Vi kan skrive den specifikke varme som en funktion af den fornuftige varme, massen og variationen af ​​temperaturen i henhold til formlen:

cp = Q / (m ΔT)

Ved at udskifte dataene har vi følgende:

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

Men da en kalorie er lig med 4.1813 J, kan resultatet også udtrykkes som

cp = 0,130 J / (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. Tippens, P. 2011. Fysik: koncepter og applikationer. 7th. Revideret udgave. McGraw Hill. 350 - 368.
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 309-332.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med moderne fysik. 14 ^th. Volume1. 556-553.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9 ^na Cengage Learning. 362-374.