TERMISK LIGEVÆGT: LIGNINGER, APPLIKATIONER, ØVELSER - FYSISK - 2025

Den termiske ligevægt mellem to legemer, der er i termisk kontakt, er den tilstand, der nås efter lang tid nok til, at begge kroppers temperaturer udjævnes.

I termodynamik forstås termisk kontakt mellem to legemer (eller to termodynamiske systemer) som en situation, hvor legeme har mekanisk kontakt eller er adskilt, men i kontakt med en overflade, der kun tillader passage af varme fra det ene legeme til det andet (diatermisk overflade).

Figur 1. Efter et stykke tid når isen og drikken deres termiske ligevægt. Kilde: pixabay

Ved termisk kontakt bør der ikke være nogen kemisk reaktion mellem systemerne i kontakt. Der skal kun være varmeveksling.

Hverdagssituationer, hvor der er varmeudveksling, opstår med systemer som den kolde drikke og glasset, den varme kaffe og teskefulden eller kroppen og termometeret, blandt mange andre eksempler.

Når to eller flere systemer er i termisk ligevægt?

Den anden lov om termodynamik siger, at varme altid går fra kroppen med den højeste temperatur til kroppen med den laveste temperatur. Varmeoverførslen ophører, så snart temperaturerne udjævnes, og den termiske ligevægtstilstand er nået.

Den praktiske anvendelse af termisk balance er termometeret. Et termometer er en enhed, der måler sin egen temperatur, men takket være den termiske balance kan vi kende temperaturen på andre kroppe, f.eks. Hos en person eller et dyr.

Kviksølvsøjletermometeret anbringes i termisk kontakt med kroppen, for eksempel under tungen, og der ventes nok tid på, at den termiske ligevægt mellem kroppen og termometeret nås, og dens aflæsning ikke varierer yderligere.

Når dette punkt nås, er termometerets temperatur den samme som kroppen.

I termodynamikens nullov hedder det, at hvis et legeme A er i termisk ligevægt med et legeme C, og at det samme legeme C er i termisk ligevægt med B, så er A og B i termisk ligevægt, selv når der ikke er nogen termisk kontakt mellem A og B.

Derfor konkluderer vi, at to eller flere systemer er i termisk ligevægt, når de har den samme temperatur.

Termiske ligevægtsligninger

Vi antager et legeme A med starttemperatur Ta i termisk kontakt med et andet legeme B med starttemperatur Tb. Vi antager også, at Ta> Tb, så i henhold til den anden lov overføres varmen fra A til B.

Efter et stykke tid nås termisk ligevægt, og begge kroppe har den samme endelige temperatur Tf. Dette vil have en mellemværdi ved Ta og Tb, det vil sige Ta> Tf> Tb.

Mængden af ​​varme Qa, der overføres fra A til B, vil være Qa = Ma Ca (Tf - Ta), hvor Ma er massen af ​​krop A, Ca varmekapaciteten pr. Enhedsmasse A og (Tf - Ta) temperaturforskellen. Hvis Tf er mindre end Ta, er Qa negativ, hvilket indikerer, at kroppen A opgiver varme.

Tilsvarende for krop B har vi den Qb = Mb Cb (Tf - Tb); og hvis Tf er større end Tb, er Qb positiv, hvilket indikerer, at krop B modtager varme. Da krop A og krop B er i termisk kontakt med hinanden, men isoleret fra miljøet, skal den samlede varmeudveksling være nul: Qa + Qb = 0

Derefter Ma Ca (Tf - Ta) + Mb Cb (Tf - Tb) = 0

Ligevægtstemperatur

Ved at udvikle dette udtryk og løse for temperaturen Tf opnås den endelige temperatur for termisk ligevægt.

Figur 2. Endelig ligevægtstemperatur. Kilde: self made

Tf = (Ma Ca Ta + Mb Cb Tb) / (Ma Ca + Mb Cb).

Overvej i tilfælde af, at organerne A og B er identiske i masse og varmekapacitet, i dette tilfælde vil ligevægtstemperaturen være:

Tf = (Ta + Tb) / 2 ↔ hvis Ma = Mb og Ca = Cb.

Termisk kontakt med faseændring

I nogle situationer sker det, at når to legemer placeres i termisk kontakt, forårsager varmevekslingen en ændring af tilstand eller fase i en af ​​dem. Hvis dette sker, skal det tages i betragtning, at der under faseændringen ikke er nogen temperaturændring i kroppen, der ændrer dens tilstand.

Hvis faseændringen af ​​nogen af ​​kropperne i termisk kontakt finder sted, anvendes begrebet latent varme L, som er energien pr. Masseenhed, der er nødvendig for tilstandsændringen:

Q = L ∙ M

For eksempel at smelte 1 kg is ved 0 ° C kræves 333,5 kJ / kg, og denne værdi er den latente varme L til smeltning af is.

Under smeltning skifter det fra fast vand til flydende vand, men dette vand opretholder den samme temperatur som is under smelteprocessen.

Applikationer

Termisk balance er en del af dagligdagen. Lad os for eksempel undersøge denne situation detaljeret:

- Øvelse 1

En person vil bade i varmt vand ved 25 ° C. I en spand skal du placere 3 liter koldt vand ved 15 ° C og i køkkenet varme vand op til 95 ° C.

Hvor mange liter varmt vand skal han tilføje til spanden med koldt vand for at have den ønskede endelige temperatur?

Løsning

Antag, at A er koldt vand, og B er varmt vand:

Figur 3. Løsning til øvelse 3. Kilde: egen uddybning.

Vi foreslår ligningen af ​​termisk ligevægt, som angivet på tavlen i figur 3, og derfra løser vi for vandmassen Mb.

Vi kan få den oprindelige masse af koldt vand, fordi vandets densitet er kendt, hvilket er 1 kg for hver liter. Det vil sige, vi har 3 kg koldt vand.

Ma = 3 kg

Så

Mb = - 3 kg * (25 ° C - 15 ° C) / (25 ° C - 95 ° C) = 0,43 kg

Derefter er 0,43 liter varmt vand tilstrækkeligt til endelig at få 3,43 liter varmt vand ved 25 ° C.

Løst øvelser

- Øvelse 2

Et stykke metal, der vejer 150 g og med en temperatur på 95 ° C, indføres i en beholder, der indeholder en halv liter vand ved en temperatur på 18 ° C. Efter et stykke tid nås termisk ligevægt, og temperaturen på vandet og metallet er 25 ° C.

Antag, at beholderen med vandet og metalstykket er en lukket termos, der ikke tillader varmeudveksling med miljøet.

Få metodens specifikke varme.

Løsning

Først beregner vi den varme, der absorberes af vandet:

Qa = Ma Ca (Tf - Ta)

Qa = 500 g 1cal / (g ° C) (25 ° C - 18 ° C) = 3500 kalorier.

Det er den samme varme, som metallet giver:

Qm = 150 g Cm (25 ° C - 95 ° C) = -3500 kalorier.

Så vi kan få metalets varmekapacitet:

Cm = 3500 cal / (150 g 70 ° C) = ⅓ cal / (g ° C).

Øvelse 3

Du har 250 cm3 vand ved 30 ° C. Til det vand, der er i en isolerende termos, tilsættes 25 g isterninger ved 0 ° C med det formål at afkøle det.

Bestem ligevægtstemperaturen; det vil sige den temperatur, der forbliver, når al isen er smeltet, og isvandet er opvarmet til lig med vandet i glasset oprindeligt.

Løsning 3

Denne øvelse kan løses i tre faser:

1. Den første er smeltning af is, der absorberer varme fra det oprindelige vand til at smelte og bliver vand.
2. Derefter beregnes temperaturfaldet i det oprindelige vand på grund af det faktum, at det har givet varme (Qced <0) til at smelte isen.
3. Endelig skal det smeltede vand (der kommer fra isen) være termisk afbalanceret med det vand, der oprindeligt eksisterede.

Figur 4. Løsning til øvelse 3. Kilde: egen uddybning.

Lad os beregne den nødvendige varme til smeltning af is:

Qf = L * Mh = 333,5 kJ / kg * 0,025 kg = 8,388 kJ

Derefter er den varme, der er givet af vandet til at smelte isen Qced = -Qf

Denne varme, der gives af vandet, sænker sin temperatur til en værdi T ', som vi kan beregne som følger:

T '= T0 - Qf / (Ma * Ca) = 22,02 ° C

Hvor Ca er vandets varmekapacitet: 4,18 kJ / (kg ° C).

Endelig vil den oprindelige masse af vand, der nu er ved 22,02 ° C, opgive varme til massen af ​​smeltet vand fra isen ved 0 ° C.

Endelig nås ligevægtstemperaturen Te efter tilstrækkelig tid:

Te = (Ma * T '+ Mh * 0 ° C) / (Ma + Mh) = (0,25 kg * 22,02 ° C + 0,025 kg * 0 ° C) / (0,25 kg + 0,025 kg).

Endelig opnå ligevægtstemperatur:

Te = 20,02 ° C

- Øvelse 4

En blydel på 0,5 kg kommer ud af ovnen ved en temperatur på 150 ° C, som ligger langt under dens smeltepunkt. Dette stykke anbringes i en beholder med 3 liter vand ved stuetemperatur på 20 ° C. Bestemm den endelige ligevægtstemperatur.

Beregn også:

- Mængde af varme leveret med bly til vand.

- Mængde af varme absorberet af vand.

Data:

Specifik bly af varme: Cp = 0,03 cal / (g ° C); Specifik vandvarme: Ca = 1 cal / (g ° C).

Løsning

Først bestemmer vi den endelige ligevægtstemperatur Te:

Te = (Ma Ca Ta + Mp Cp Tp) / (Ma Ca + Mp Cp)

Te = 20,65 ° C

Derefter er mængden af ​​varme frigivet med bly:

Qp = Mp Cp (Te - Tp) = -1,94 x 10³ beregnet.

Mængden af ​​varme, der absorberes af vandet, vil være:

Qa = Ma Ca (Te - Ta) = + 1,94x 10³ beregnet.

Referencer

1. Atkins, P. 1999. Fysisk kemi. Omega-udgaver.
2. Bauer, W. 2011. Fysik til ingeniørvidenskab og videnskaber. Bind 1. Mc Graw Hill.
3. Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med applikationer. 6… Ed Prentice Hall.
4. Hewitt, Paul. 2012. Konceptuel fysisk videnskab. 5.. Ed. Pearson.
5. Resnick, R. (1999). Fysisk. Bind 1. 3. udgave på spansk. Compañía Redaktionel Kontinentalt SA de CV
6. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
7. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med moderne fysik. 14th. Udgave 1.
8. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fysik til videnskab og teknik. Bind 1. 7. Ed. Cengage Learning.