JUTĪGS KARSTUMS: KONCEPCIJA, FORMULAS UN ATRISINĀTIE VINGRINĀJUMI - FIZISKĀ - 2025

Saprātīgi siltums tiek piegādāts uz objektu tā temperatūra pieaugs siltuma enerģiju. Tas ir pretstats latentajam karstumam, kurā siltumenerģija nepalielina temperatūru, bet veicina fāzes maiņu, piemēram, no cietas uz šķidru.

Piemērs izskaidro jēdzienu. Pieņemsim, ka mums ir ūdens pods istabas temperatūrā 20 ° C. Kad mēs to novietojam uz plīts, piegādātais siltums lēnām paaugstina ūdens temperatūru, līdz tas sasniedz 100 ° C (ūdens viršanas temperatūra jūras līmenī). Piegādāto siltumu sauc par saprātīgu siltumu.

Karstums, kas sasilda rokas, ir saprātīgs karstums. Avots: Pixabay

Kad ūdens sasniedz viršanas temperatūru, degļa piegādātais siltums vairs nepaaugstina ūdens temperatūru, kas saglabājas 100 ° C. Šajā gadījumā piegādātā siltumenerģija tiek ieguldīta ūdens iztvaicēšanā. Piegādātais siltums ir latents, jo tas nepaaugstināja temperatūru, bet gan izraisīja pāreju no šķidrās fāzes uz gāzes fāzi.

Tas ir eksperimentāls fakts, ka saprātīgais karstums, kas nepieciešams, lai sasniegtu noteiktas temperatūras izmaiņas, ir tieši proporcionāls šīm izmaiņām un objekta masai.

Jēdziens un formulas

Ir novērots, ka bez masas un temperatūras starpības saprātīgs siltums ir atkarīgs arī no materiāla. Šī iemesla dēļ samērīgā karstuma un masas un temperatūras starpības produkta proporcionalitātes konstante tiek saukta par īpatnējo siltumu.

Piegādātā saprātīgā siltuma daudzums ir atkarīgs arī no tā, kā process tiek veikts. Piemēram, ir atšķirīgi, ja process tiek veikts nemainīgā tilpumā nekā pie pastāvīga spiediena.

Saprātīga siltuma formula izobārā procesā, tas ir, pie pastāvīga spiediena, ir šāda:

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

Iepriekš minētajā vienādojumā Q ir jūtīgs siltums, kas tiek piegādāts objektam ar masu m, un kura sākotnējo temperatūru T _i ir paaugstinājusi līdz gala vērtībai Tf. Iepriekšējā vienādojumā parādās arī cp, kas ir materiāla īpatnējais siltums pie pastāvīga spiediena, jo process ir veikts šādā veidā.

Ņemiet vērā arī to, ka saprātīgs siltums ir pozitīvs, ja to absorbē objekts un tas izraisa temperatūras paaugstināšanos.

Ja siltums tiek piegādāts gāzei, kas noslēgta stingrā traukā, process būs izohorisks, tas ir, nemainīgā tilpumā; un saprātīga siltuma formula tiks uzrakstīta šādi:

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

Adiabātiskais koeficients γ

Attiecību starp īpatnējo siltumu pie pastāvīga spiediena un īpatnējo siltumu nemainīgā tilpumā vienam un tam pašam materiālam vai vielai sauc par adiabātisko koeficientu, ko parasti apzīmē ar grieķu burtu gamma γ.

Adiabātiskais koeficients ir lielāks nekā vienotība. Siltums, kas nepieciešams, lai paaugstinātu viena grama ķermeņa temperatūru par vienu grādu, ir lielāks izobārā procesā nekā izohoriskā procesā.

Tas ir tāpēc, ka pirmajā gadījumā daļa siltuma tiek izmantota mehāniskā darba veikšanai.

Papildus specifiskajam karstumam parasti tiek noteikta arī ķermeņa siltuma jauda. Tas ir siltuma daudzums, kas nepieciešams, lai paaugstinātu ķermeņa temperatūru par vienu grādu pēc Celsija.

Siltuma jauda C

Siltuma jaudu apzīmē ar kapitālu C, bet īpatnējo siltumu ar nelielu c. Attiecība starp abiem lielumiem ir šāda:

C = c⋅ m

Kur m ir ķermeņa masa.

Izmanto arī molāro īpatnējo siltumu, ko definē kā saprātīga siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai paaugstinātu vienas vielas molu temperatūru par vienu Celsija vai Kelvina grādu.

Īpašais siltums cietās vielās, šķidrumos un gāzēs

Vairumam cietvielu molārā īpatnējā siltuma vērtība ir gandrīz 3 reizes R, kur R ir vispārējā gāzes konstante. R = 8,314472 J / (mol *).

Piemēram, alumīnijam ir molārs īpatnējais siltums 24,2 J / (mol ℃), varš 24,5 J / (mol ℃), zelts 25,4 J / (mol ℃) un mīkstais dzelzs 25,1 J / (mol ℃). Ņemiet vērā, ka šīs vērtības ir tuvu 3R = 24,9 J / (mol ℃).

Turpretī lielākajai daļai gāzu molārā īpatnējā siltums ir tuvu n (R / 2), kur n ir vesels skaitlis un R ir universālā gāzes konstante. Vesels skaitlis n ir saistīts ar molekulu, kas veido gāzi, brīvības pakāpju skaitu.

Piemēram, monatomiskā ideālā gāzē, kuras molekulā ir tikai trīs translācijas brīvības pakāpes, molārā īpatnējā siltums nemainīgā tilpumā ir 3 (R / 2). Bet, ja tā ir diatomiska ideāla gāze, papildus ir divas rotācijas pakāpes, tātad cv = 5 (R / 2).

Ideālajās gāzēs pastāv šāda attiecība starp molārā īpatnējā siltuma daudzumu pastāvīgā spiedienā un pastāvīgu tilpumu: cp = cv + R.

Ūdens ir pelnījis īpašu pieminēšanu. Šķidrā stāvoklī 25 ℃ temperatūrā ūdenim ir cp = 4,1813 J / (g ℃), ūdens tvaikiem 100 grādos pēc Celsija ir cp = 2,080 J / (g ℃), bet ūdens ledus pie nulles grādiem pēc Celsija ir cp = 2 050 J / (g *).

Atšķirība ar latentu karstumu

Vielai var būt trīs stāvokļi: cieta, šķidra un gāze. Lai mainītu stāvokli, nepieciešama enerģija, bet katra viela reaģē uz to atšķirīgi atbilstoši molekulārajām un atomu īpašībām.

Kad cietā viela kūst vai šķidrums iztvaiko, objekta temperatūra paliek nemainīga, līdz visas daļiņas ir mainījušas savu stāvokli.

Šī iemesla dēļ ir iespējams, ka viela ir līdzsvarā divās fāzēs: piemēram, cieta - šķidra vai šķidra - tvaika. Vielas daudzumu var pārnest no viena stāvokļa uz citu, pievienojot vai noņemot nelielu siltumu, kamēr temperatūra paliek nemainīga.

Materiālam piegādātais siltums liek daļiņām ātrāk vibrēt un palielina to kinētisko enerģiju. Tas nozīmē temperatūras paaugstināšanos.

Iespējams, ka viņu iegūtā enerģija ir tik liela, ka viņi vairs neatgriežas līdzsvara stāvoklī un palielinās atstatums starp tiem. Kad tas notiek, temperatūra nepalielinās, bet viela pāriet no cietas līdz šķidrumam vai no šķidruma līdz gāzei.

Karstums, kas nepieciešams, lai tas notiktu, ir pazīstams kā latentais karstums. Tāpēc latentais karstums ir siltums, ar kādu viela var mainīt fāzi.

Šeit ir atšķirība ar saprātīgu karstumu. Viela, kas absorbē saprātīgu siltumu, paaugstina tās temperatūru un paliek tādā pašā stāvoklī.

Kā aprēķināt latento siltumu?

Slēpto siltumu aprēķina pēc vienādojuma:

Kur L var būt īpatnējais iztvaikošanas vai saplūšanas siltums. L vienības ir enerģija / masa.

Zinātnieki ir devuši daudz vārdu, atkarībā no reakcijas veida, kurā tas piedalās. Piemēram, ir reakcijas siltums, sadegšanas siltums, sacietēšanas siltums, šķīduma siltums, sublimācijas siltums un daudzi citi.

Daudzu šāda veida siltuma vērtības dažādām vielām ir tabulas.

Atrisināti vingrinājumi

1. piemērs

Pieņemsim, ka alumīnija gabals ir 3 kg. Sākumā tas ir 20 ° C temperatūrā, un jūs vēlaties paaugstināt tā temperatūru līdz 100 ° C. Aprēķiniet saprātīgo nepieciešamo siltumu.

Risinājums

Vispirms mums jāzina alumīnija īpatnējais siltums

cp = 0,897 J / (g ° C)

Tad alumīnija gabala sildīšanai nepieciešamais siltuma daudzums būs

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

Q = 215 280 J

2. piemērs

Aprēķiniet siltuma daudzumu, kas nepieciešams 1 litra ūdens sildīšanai no 25 ° C līdz 100 ° C jūras līmenī. Rezultātu izsaka arī kilokalorijās.

Risinājums

Pirmais, kas jāatceras, ir tas, ka 1 litrs ūdens sver 1 kg, tas ir, 1000 gramus.

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

Kalorija ir enerģijas vienība, kas tiek definēta kā saprātīgs siltums, kas nepieciešams, lai paceltu gramu ūdens par vienu grādu pēc Celsija. Tāpēc 1 kalorija ir vienāda ar 4,1813 džouliem.

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

3. piemērs

360,16 gramu materiāla gabals tiek uzkarsēts no 37 ℃ līdz 140 ℃. Piegādātā siltumenerģija ir 1150 kalorijas.

Parauga sildīšana. Avots: pašu gatavots.

Atrodiet materiāla īpašo siltumu.

Risinājums

Īpatnējo siltumu varam uzrakstīt kā jutīgā siltuma, masas un temperatūras izmaiņu funkciju pēc formulas:

cp = Q / (m ΔT)

Aizstājot šādus datus:

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

Bet, tā kā viena kalorija ir vienāda ar 4,1813 J, rezultātu var izteikt arī kā

cp = 0,130 J / (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. Tippens, P. 2011. Fizika: jēdzieni un pielietojumi. 7. Pārskatīts izdevums. Makgreiva kalns. 350 - 368.
4. Rekss, A. 2011. Fizikas pamati. Pīrsons. 309-332.
5. Sīrs, Zemanskis. 2016. Universitātes fizika ar moderno fiziku. 14 ^th . 1. sējums. 556–553.
6. Servejs, R., Vulle, C. 2011. Fizikas pamati. 9 ^na Cengage mācīšanās. 362-374.