SILTUMS: FORMULAS UN VIENĪBAS, RAKSTURLIELUMI, KĀ TO IZMĒRĪT, PIEMĒRI - FIZISKĀ - 2025

Siltuma fizikā tiek definēta kā siltumenerģijas nodota, kad viņi kontaktlēcas priekšmeti vai vielas, kas pie dažādām temperatūrām. Šī enerģijas pārnešana un visi ar to saistītie procesi ir svarīgas fizikas nozares termodinamikas izpētes objekts.

Siltums ir viena no daudzajām enerģijām, un viena no vispazīstamākajām. Tātad, no kurienes tas nāk? Atbilde slēpjas atomos un molekulās, kas veido matēriju. Šīs daļiņas lietu iekšienē nav statiskas. Mēs tos varam iedomāties kā mazas krelles, ko savieno mīkstas atsperes un kuras viegli saraujas un izstiepjas.

Atomi un molekulas vibrē vielās, kas tiek pārveidotas iekšējā enerģijā. Avots: P. Tippens. Fizika: jēdzieni un pielietojumi.

Tādā veidā daļiņas spēj vibrēt un to enerģiju var viegli pārnest uz citām daļiņām, kā arī no viena ķermeņa uz otru.

Siltuma daudzums, ko ķermenis absorbē vai izdala, ir atkarīgs no vielas rakstura, tās masas un temperatūras starpības. To aprēķina šādi:

Kur Q ir nodotā ​​siltuma daudzums, m ir objekta masa, C _e ir vielas īpatnējais siltums un ΔT = _galīgais T - _{sākotnējais} T , tas ir, temperatūras starpība.

Tāpat kā visas enerģijas formas, siltumu starptautiskajā sistēmā (SI) mēra džoulos. Citas piemērotas vienības ir: ergs cgs sistēmā, Btu Lielbritānijas sistēmā un kalorija - termins, ko parasti lieto pārtikas produktu enerģētiskajam saturam.

Siltuma raksturlielumi

Ugunskura siltums ir enerģijas pārnese. Avots: Pixabay

Ir jāpatur prātā vairākas galvenās koncepcijas:

-Siltums ir par enerģiju tranzītā. Objektiem nav siltuma, tie tikai to atbrīvo vai absorbē atkarībā no apstākļa. Objektiem ir iekšējā enerģija, pateicoties to iekšējai konfigurācijai.

Šo iekšējo enerģiju savukārt veido kinētiskā enerģija, kas saistīta ar vibrācijas kustību un potenciālo enerģiju, kas raksturīga molekulārajai konfigurācijai. Saskaņā ar šo konfigurāciju viela vairāk vai mazāk viegli pārnes siltumu, un tas atspoguļojas tās īpatnējā siltumā C _e , vērtībā, kas tika minēta vienādojumā, lai aprēķinātu Q.

-Otrais svarīgais jēdziens ir tāds, ka siltums vienmēr tiek pārnests no karstākā ķermeņa uz aukstāko. Pieredze rāda, ka karstas kafijas siltums vienmēr iziet uz krūzes un šķīvja porcelāna vai karotes metāla, ar kuru tas tiek maisīts, nekad otrādi.

-Pārsūtītās vai absorbētās siltuma daudzums ir atkarīgs no attiecīgā ķermeņa masas. Pievienojot tādu pašu kaloriju vai džoulu daudzumu paraugam ar X masu, tas netiek uzsildīts tāpat kā cits, kura masa ir 2X.

Iemesls? Lielākā paraugā ir vairāk daļiņu, un katrs no tiem vidēji saņemtu tikai pusi no mazākā parauga enerģijas.

Termiskais līdzsvars un enerģijas saglabāšana

Pieredze mums saka, ka, saskaroties ar diviem objektiem dažādās temperatūrās, pēc kāda laika abu temperatūra būs vienāda. Tad var apgalvot, ka objekti vai sistēmas, kā tos var arī saukt, atrodas termiskā līdzsvarā.

No otras puses, pārdomājot, kā palielināt izolētas sistēmas iekšējo enerģiju, tiek secināts, ka ir divi iespējamie mehānismi:

i) tā sildīšana, tas ir, enerģijas pārnešana no citas sistēmas.

ii) Veiciet ar to kādu mehānisku darbu.

Ņemot vērā, ka tiek taupīta enerģija:

Termodinamikas ietvaros šis saglabāšanas princips ir pazīstams kā pirmais termodinamikas likums. Mēs sakām, ka sistēmai jābūt izolētai, jo pretējā gadījumā būtu jāapsver citi enerģijas ieejas vai izejas līmeņi.

Kā mēra siltumu?

Siltumu mēra pēc tā radītā efekta. Tāpēc pieskāriena sajūta ātri norāda, cik karsts vai auksts ir dzēriens, ēdiens vai jebkurš priekšmets. Tā kā siltuma pārnešana vai absorbēšana rada temperatūras izmaiņas, to mērīšana dod priekšstatu par nodotā ​​siltuma daudzumu.

Temperatūras mērīšanai izmantotais instruments ir termometrs, ierīce, kas aprīkota ar graduētu skalu nolasīšanas veikšanai. Vispazīstamākais ir dzīvsudraba termometrs, kas sastāv no smalka dzīvsudraba kapilāra, kas karsējot izplešas.

Termometrs ar gradāciju pēc Celsija un Fārenheita skalas. Avots: Pixabay.

Pēc tam kapilāru, kas piepildīts ar dzīvsudrabu, ievieto stikla mēģenē ar skalu un nonāk saskarē ar ķermeni, kura temperatūra jāmēra, līdz tie sasniedz termisko līdzsvaru, un abu temperatūra ir vienāda.

Kas nepieciešams termometra izgatavošanai?

Sākumā jums ir jābūt kādam termometriskam īpašumam, tas ir, vienam, kas mainās atkarībā no temperatūras.

Piemēram, gāze vai šķidrums, piemēram, dzīvsudrabs, karsējot izplešas, kaut arī kalpo arī elektriskā pretestība, kas izstaro siltumu, kad caur to iet strāva. Īsāk sakot, var izmantot jebkuru viegli izmērāmu termometrisko īpašību.

Ja temperatūra t ir tieši proporcionāla termometriskajam īpašumam X, tad to var uzrakstīt:

Kur k ir proporcionalitātes konstante, kas jānosaka, iestatot divas atbilstošas ​​temperatūras un izmērot atbilstošās X vērtības. Piemērota temperatūra nozīmē to, ka to ir viegli iegūt laboratorijā.

Kad pāri (t ₁ , X ₁ ) un (t ₂ , X ₂ ) ir izveidoti, intervāls starp tiem tiek sadalīts vienādās daļās, tie būs grādi.

Temperatūras skalas

Temperatūras skalas izveidošanai vajadzīgās temperatūras tiek izvēlētas ar kritēriju, ka tās ir viegli iegūt laboratorijā. Viena no visplašāk izmantotajām skalām visā pasaulē ir Celsija skala, ko izveidojis zviedru zinātnieks Anderss Celsijs (1701-1744).

0 pēc Celsija skalas ir temperatūra, kurā ledus un šķidrais ūdens ir līdzsvara stāvoklī vienā spiediena atmosfērā, savukārt augšējo robežu izvēlas, ja šķidrais ūdens un ūdens tvaiki ir vienādi līdzsvara stāvoklī un pie 1 spiediena atmosfēras. Šis intervāls ir sadalīts 100 grādos, no kuriem katrs tiek saukts par grādiem pēc Celsija.

Tas nav vienīgais veids, kā izveidot mērogu, tālu no tā. Ir arī citas skalas, piemēram, Fārenheita skala, kurā intervāli ir izvēlēti ar citām vērtībām. Un tur ir Kelvina skala, kurai ir tikai zemākā robeža: absolūtā nulle.

Absolūtais nulle atbilst temperatūrai, kurā pilnīgi apstājas jebkura daļiņu kustība vielā, tomēr, kaut arī tā ir pietuvojusies diezgan tuvu, tā vēl nav spējusi nevienu vielu atdzesēt līdz absolūtai nullei.

Piemēri

Ikviens katru dienu tieši vai netieši izjūt siltumu. Piemēram, kad jūs dzerat karstu dzērienu, pusdienlaika saulē, pārbaudot automašīnas dzinēja temperatūru, telpā, kas pilna ar cilvēkiem, un neskaitāmās citās situācijās.

Uz Zemes siltums ir nepieciešams, lai uzturētu dzīvības procesus - gan to, kas nāk no Saules, gan to, kas nāk no planētas iekšpuses.

Tāpat klimatu ietekmē siltumenerģijas izmaiņas, kas notiek atmosfērā. Saules siltums visur nesasniedz vienādi, ekvatoriālajos platumos tas sasniedz vairāk nekā pie poliem, tāpēc tropu karstākais gaiss paceļas un virzās uz ziemeļiem un dienvidiem, lai sasniegtu termisko līdzsvaru par ko tika runāts iepriekš.

Tādā veidā ar dažādu ātrumu tiek izveidotas gaisa straumes, kas pārvadā mākoņus un lietu. No otras puses, pēkšņa karstā un aukstā gaisa frontes sadursme izraisa tādas parādības kā vētras, viesuļvētras un viesuļvētras.

Turpretī tuvākā līmenī karstums var nebūt tik gaidīts kā saulriets pludmalē. Karstums rada darbības problēmas automašīnu dzinējos un datoru procesoros.

Tas arī liek zaudēt elektroenerģiju vadu kabeļos un materiālos, paplašinoties, tāpēc termiskā apstrāde ir tik svarīga visās inženierzinātņu jomās.

Vingrinājumi

- 1. vingrinājums

Konfektes etiķetē ir rakstīts, ka tā nodrošina 275 kalorijas. Cik enerģijas džoulos šī konfekte ir ekvivalenta?

Risinājums

Sākumā kalorijas tika pieminētas kā siltuma vienība. Pārtika satur enerģiju, ko parasti mēra šajās vienībās, bet uztura kalorijas faktiski ir kilokalorijas.

Līdzvērtība ir šāda: 1 kcal = 4186 J, un tiek secināts, ka konfektēm ir:

275 kilokalorijas x 4186 džoula / kilokalorija = 1,15 10 ⁶ J.

- 2. vingrinājums

100 g metāla sasilda līdz 100 ° C un ievieto kalorimetrā ar 300 g ūdens 20 ° C temperatūrā. Temperatūra, ko sistēma iegūst, sasniedzot līdzsvaru, ir 21,44 ° C. Jums tiek lūgts noteikt metāla īpatnējo siltumu, pieņemot, ka kalorimetrs neuzsūc siltumu.

Risinājums

Šajā situācijā metāls izdala siltumu, ko mēs sauksim par _dotu Q _, un ir pievienota zīme (-), lai norādītu zaudējumus:

Savukārt kalorimetrā esošais ūdens absorbē siltumu, kas tiks apzīmēts kā Q absorbēts:

Tiek saglabāta enerģija, no kuras izriet, ka:

No paziņojuma var aprēķināt ΔT:

Svarīgi: 1 ºC ir tāda paša izmēra kā 1 kelvins. Atšķirība starp abām skalām ir tāda, ka Kelvina skala ir absolūta (Kelvina grādi vienmēr ir pozitīvi).

Ūdens īpatnējais siltums 20ºC temperatūrā ir 4186 J / kg. K un ar to aprēķina absorbēto siltumu:

Jāsecina, ka metāla īpatnējais siltums tiek notīrīts:

Atsauces

1. Bauers, W. 2011. Fizika inženierzinātnēm un zinātnēm. 1. sējums. Makgreiva kalns.
2. Cuellar, JA Fizika II: Kompetenču pieeja. Makgreiva kalns.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizika: skats uz pasauli. 6 ^ta Rediģēšana ir saīsināta. Cengage mācīšanās.
4. Knight, R. 2017. Fizika zinātniekiem un inženierija: stratēģijas pieeja. Pīrsons.
5. Tippens, P. 2011. Fizika: jēdzieni un pielietojumi. 7. izdevums. Makgravas kalns