ABSORBĒTAIS SILTUMS: FORMULAS, KĀ TO APRĒĶINĀT, UN ATRISINĀTIE VINGRINĀJUMI - FIZISKĀ - 2025

Absorbē siltuma tiek definēta kā enerģijas pārnese starp divām iestādēm, pie dažādām temperatūrām. Tas, kura temperatūra ir zemāka, absorbē siltumu, kam ir augstāka temperatūra. Kad tas notiek, palielinās siltumu absorbējošās vielas siltumenerģija, un daļiņas, kas to veido, vibrē ātrāk, paaugstinot to kinētisko enerģiju.

Tas var izraisīt temperatūras paaugstināšanos vai stāvokļa maiņu. Piemēram, pārejiet no cietas vielas līdz šķidrumam, piemēram, ledus, kad tas istabas temperatūrā kūst saskarē ar ūdeni vai soda.

Metāla karote absorbē karstas kafijas siltumu. Avots: Pixabay.

Pateicoties karstumam, objektiem ir arī iespējams mainīt izmērus. Termiskā izplešanās ir labs šīs parādības piemērs. Kad lielāko daļu vielu karsē, tām ir tendence palielināties.

Izņēmums ir ūdens. Tas pats šķidrā ūdens daudzums palielina tā tilpumu, kad tas atdziest zem 4ºC. Turklāt temperatūras izmaiņas var izjust arī tā blīvumu, kas ir ļoti novērojams arī ūdens gadījumā.

Ko tas sastāv un formulas

Tranzīta enerģijas gadījumā absorbētā siltuma vienības ir džoulos. Tomēr ilgu laiku karstumam bija savas vienības: kalorija.

Arī mūsdienās šo vienību izmanto pārtikas enerģijas daudzuma noteikšanai, lai gan patiesībā viena uztura kalorija atbilst vienai kilokalorijai siltuma.

Kalorijas

Kalorija, saīsināti saukta par kaļķi, ir siltuma daudzums, kas nepieciešams, lai paaugstinātu 1 grama ūdens temperatūru par 1ºC.

Sers Džeimss Preskots Džoule (1818 - 1889) 19. gadsimtā veica slavenu eksperimentu, kurā viņam izdevās pārveidot mehānisko darbu siltumā, iegūstot šādu ekvivalenci:

Lielbritānijas vienībās siltuma vienību sauc par Btu (Lielbritānijas termisko vienību), kas tiek definēta kā siltuma daudzums, kas nepieciešams, lai paceltu vienas mārciņas ūdens temperatūru par 1ºF.

Līdzvērtība starp vienībām ir šāda:

Šo vecāku ierīču problēma ir tā, ka siltuma daudzums ir atkarīgs no temperatūras. Tas ir, tas, kas nepieciešams temperatūrai no 70ºC līdz 75ºC, nav tas pats, kas vajadzīgs, piemēram, ūdens sildīšanai no 9ºC līdz 10ºC.

Tāpēc definīcija paredz labi definētus diapazonus: attiecīgi no 14,5 līdz 15,5 ° C un no 63 līdz 64 ° F kalorijām un Btu.

No kā atkarīgs absorbētais siltuma daudzums?

Materiāla absorbētais siltuma daudzums ir atkarīgs no vairākiem faktoriem:

- Mise. Jo lielāka ir masa, jo vairāk siltuma tā spēj absorbēt.

- Vielas raksturojums. Ir vielas, kas atkarībā no to molekulārās vai atomu struktūras spēj absorbēt vairāk siltuma nekā citas.

- Temperatūra. Lai iegūtu augstāku temperatūru, nepieciešams pievienot vairāk siltuma.

Siltuma daudzums, kas apzīmēts Q, ir proporcionāls aprakstītajiem faktoriem. Tāpēc to var uzrakstīt šādi:

Kur m ir objekta masa, c ir konstante, ko sauc par īpatnējo siltumu, par vielas raksturīgo īpašību, un Δ T ir temperatūras izmaiņas, ko panāk, absorbējot siltumu.

Šai atšķirībai ir pozitīva zīme, jo, absorbējot siltumu, sagaidāms, ka T _f > T _o. Tas notiek, ja vien viela netiek mainīta fāzē, piemēram, ūdenī no šķidruma uz tvaiku. Kad ūdens vārās, tā temperatūra paliek nemainīga aptuveni 100ºC neatkarīgi no tā, cik ātri tas vārās.

Kā to aprēķināt?

Saskaroties diviem objektiem dažādās temperatūrās, pēc kāda laika viņi abi sasniedz termisko līdzsvaru. Pēc tam temperatūra izlīdzinās un siltuma pārnešana tiek pārtraukta. Tas pats notiek, ja saskaras vairāk nekā divi objekti. Pēc noteikta laika viņi visi būs vienā temperatūrā.

Pieņemot, ka saskarē esošie objekti veido slēgtu sistēmu, no kuras siltums nevar izkļūt, tiek piemērots enerģijas saglabāšanas princips, tāpēc var secināt, ka:

Q _absorbēts = - Q _ieguvis

Tas atspoguļo enerģijas bilanci, līdzīgu cilvēka ienākumiem un izdevumiem. Šī iemesla dēļ nodotajam karstumam ir negatīva zīme, jo objektam, kas rada, gala temperatūra ir zemāka par sākotnējo. Tādējādi:

Vienādojums Q _uzsūcas = - Q _deva tiek izmantota, kad divi objekti ir kontaktā.

Enerģijas bilance

Lai veiktu enerģijas bilanci, ir jānošķir objekti, kas absorbē siltumu, no tiem, kas rada siltumu, pēc tam:

Σ Q _k = 0

Tas ir, enerģijas ieguvumu un zaudējumu summai slēgtā sistēmā jābūt vienādai ar 0.

Vielas īpatnējais siltums

Lai aprēķinātu absorbētās siltuma daudzumu, ir jāzina katras iesaistītās vielas īpatnējais siltums. Tas ir siltuma daudzums, kas nepieciešams, lai paaugstinātu 1 g materiāla temperatūru par 1 ºC. Tās vienības Starptautiskajā sistēmā ir: Džouls / kg. K.

Ir tabulas ar daudzu vielu īpatnējo siltumu, ko parasti aprēķina, izmantojot kalorimetru vai līdzīgus instrumentus.

Piemērs, kā aprēķināt materiāla īpatnējo siltumu

Lai paaugstinātu metāla gredzena temperatūru no 20 līdz 30 ºC, nepieciešamas 250 kalorijas. Ja gredzena masa ir 90 g. Kāds ir metāla īpatnējais siltums SI vienībās?

Risinājums

Vienības vispirms tiek konvertētas:

Q = 250 kalorijas = 1046,5 J

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

Vingrinājums atrisināts

Alumīnija kauss satur 225 g ūdens un 40 g vara maisītāju, visu 27 ° C temperatūrā. Ūdenī ievieto 400 g sudraba paraugu sākotnējā temperatūrā 87 ° C.

Maisītāju izmanto maisītājā, līdz tas sasniedz galīgo līdzsvara temperatūru 32 ° C. Aprēķiniet alumīnija kausa masu, ņemot vērā, ka videi nav siltuma zudumu.

Kalorimetra shēma. Avots: Solidswiki.

Pieeja

Kā minēts iepriekš, ir svarīgi atšķirt objektus, kas izdala siltumu, no objektiem, kas absorbē:

- Alumīnija kauss, vara maisītājs un ūdens absorbē siltumu.

- Sudraba paraugs dod siltumu.

Dati

Katras vielas īpašie karstumi tiek piegādāti:

Katras vielas absorbēto vai nodoto siltumu aprēķina, izmantojot vienādojumu:

Risinājums

Sudrabs

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

Vara maisītājs

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

Ūdens

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

Alumīnija krūze

Q _absorbēts = m _alumīnija . 900 x (32 - 27) J = 4500 m _alumīnija

Izmantojot:

Σ Q _k = 0

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

Visbeidzot alumīnija masa tiek notīrīta:

m _alumīnijs = 0,0803 kg = 80,3 g

Atsauces

1. Giancoli, D. 2006. Fizika: principi un pielietojumi. 6 ^th . Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
2. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: skats uz pasauli. 6 ^ta Rediģēšana ir saīsināta. Cengage mācīšanās. 156.-164.
3. Rekss, A. 2011. Fizikas pamati. Pīrsons. 309-332.
4. Sīrs, Zemanskis. 2016. Universitātes fizika ar moderno fiziku. 14 ^th . 1. sējums. 556–553.
5. Servejs, R., Vulle, C. 2011. Fizikas pamati. 9 ^na Cengage mācīšanās. 362. – 374