Følsom varme er den form for energioverførsel, der resulterer i en ændring i en krops temperatur uden en ændring i dens fysiske tilstand. I denne proces er mængden af varmeudveksling proportional med kroppens temperaturændring. For at beregne følbar varme bruger vi formlen Q = mcΔT, hvor Q repræsenterer mængden af varme, m repræsenterer kroppens masse, c repræsenterer den specifikke varme, og ΔT repræsenterer temperaturændringen. Denne artikel vil dække koncepter, formler og eksempler på løste øvelser relateret til følbar varme, hvilket hjælper med at forstå og løse disse problemer.
Sådan beregner du følsom varme: formel og beregninger, der er nødvendige for at bestemme termisk energi.
Fornuftig varme: koncept, formler og løste øvelser.
O følsom varme er den termiske energi, der kræves for at hæve temperaturen af et stof uden at ændre dets fysiske tilstand, dvs. uden at smelte eller fordampe. For at beregne følbar varme bruger vi følgende formel:
Q = m * c * AT
Onde:
- Q er den følbare varme i joule (J) eller kalorier (cal);
- m er stoffets masse i gram (g);
- c er stoffets specifikke varme, i J/(g·°C) eller cal/(g·°C);
- AT er stoffets temperaturvariation i grader Celsius (°C).
For at bestemme den følbare varme skal du blot gange stoffets masse med den specifikke varme og temperaturændringen. Her er et eksempel på en beregning:
Antag, at vi har en vandprøve med en masse på 100 g, hvis specifikke varme er 4,18 J/(g·°C), og at dens temperatur er steget med 10°C. For at beregne den følbare varme bruger vi formlen:
Q = 100 g * 4,18 J/(g·°C) * 10 °C = 418 J
Derfor er den følbare varme, der kræves for at hæve temperaturen af denne vandprøve med 10 °C, 418 joule.
Betydning og definition af følsom varme: Lær mere om dette grundlæggende koncept inden for termodynamik.
Fornuftig varme er en form for termisk energi, der er direkte relateret til temperaturvariationen i et legeme, uden nogen ændring i den fysiske tilstand. Med andre ord er følsom varme den, der opfattes af vores sanser, f.eks. når vi holder en varm kop kaffe.
I termodynamik er følsom varme repræsenteret ved formlen:
Q = mcΔT
Onde:
Q = mængde følbar varme (i joule)
m = kropsmasse (i kg)
c = materialets specifikke varme (i J/kg°C)
AT = temperaturvariation (i °C)
For at beregne følbar varme skal du blot gange kroppens masse med materialets specifikke varme og temperaturændringen. Dette giver os mulighed for at bestemme den mængde termisk energi, der kræves for at hæve eller sænke en krops temperatur.
Gennem praktiske øvelser er det muligt bedre at forstå, hvordan følsom varme fungerer i forskellige situationer. Løste øvelser hjælper med at forstærke konceptet og anvende formlen korrekt, hvilket sikrer en bedre forståelse af termodynamik.
Effektiv brug af Q MCT-formlen til matematiske beregninger.
Når vi taler om følbar varme, refererer vi til den mængde varme, der kræves for at ændre temperaturen på et stof uden at ændre dets fysiske tilstand. For at beregne denne mængde varme kan vi bruge formlen Q = MCT, hvor Q repræsenterer den følbare varme, M stoffets masse, C stoffets specifikke varme, og T temperaturændringen.
For at udføre en effektiv beregning ved hjælp af formlen Q = MCT skal du blot gange stoffets masse med temperaturændringen og stoffets specifikke varme. Hvis vi for eksempel har en vandprøve med en masse på 100 g, en specifik varme på 4,18 J/g°C, og temperaturen stiger med 10°C, kan vi beregne den følsomme varme som følger:
Q = M x C x T
Q = 100 g x 4,18 J/g °C x 10 °C
Q = 4180 J
Derfor er den mængde følbar varme, der kræves for at hæve temperaturen af vandprøven med 10 °C, 4180 J.
Ved at bruge formlen Q = MCT kan vi effektivt udføre matematiske beregninger for at bestemme mængden af følsom varme i forskellige stoffer og situationer. Det er vigtigt at huske, at den specifikke varme varierer afhængigt af stoffet, så det er afgørende at bruge den korrekte værdi for at opnå nøjagtige resultater.
Matematisk model, der beskriver følbar varme og dens fysiske og termiske egenskaber.
Følbar varme er den form for termisk energioverførsel, der forårsager en temperaturændring i et system uden en faseændring. For matematisk at beskrive følbar varme bruger vi ligningen:
Q = m * c * AT
Onde:
Q er mængden af følbar varme, der overføres,
m er massen af det pågældende materiale,
c er materialets specifikke varme, som varierer afhængigt af stoffet, og
AT er temperaturvariationen.
Det er vigtigt at bemærke, at specifik varme er en fysisk egenskab, der afhænger af materialets natur og udtrykkes i J/kg°C eller cal/g°C. Jo højere et materiales specifikke varme er, desto mere termisk energi kræver det for at hæve dets temperatur med en given værdi.
Derudover påvirker materialets termiske egenskaber også den følsomme varmeoverførsel. Materialer med høj varmeledningsevne overfører for eksempel varme lettere end materialer med lav varmeledningsevne.
For at beregne følsom varme i et problem skal du blot indsætte værdierne for masse, specifik varme og temperaturændring i ovennævnte formel. Lad os løse en øvelse for at illustrere:
En jernblok på 2 kg modtager en mængde termisk energi, der hæver dens temperatur med 20 °C. Når man ved, at jerns specifikke varme er 450 J/kg °C, hvor meget følsom varme overføres så til blokken?
Brug af formlen Q = m * c * AT:
Q = 2 kg * 450 J/kgºC * 20 ºC = 18000 J
Derfor er mængden af følbar varme, der overføres til jernblokken, 18000 joule.
Følsom varme: koncept, formler og løste øvelser
O følsom varme er den varmeenergi, der tilføres et objekt ved dets stigende temperatur. Det er det modsatte af latent varme, hvor varmeenergien ikke øger temperaturen, men fremmer en faseændring, for eksempel fra fast til flydende.
Et eksempel tydeliggør konceptet. Antag, at vi har en gryde med vand ved stuetemperatur (20 °C). Når den placeres på blusset, hæver den tilførte varme langsomt vandtemperaturen, indtil den når 100 °C (vandets kogepunkt ved havets overflade). Denne varme kaldes følbar varme.
Når vandet når kogepunktet, hæver varmen fra brænderen ikke længere vandets temperatur, da den forbliver på 100 °C. I dette tilfælde investeres den tilførte varmeenergi i fordampningen af vandet. Den tilførte varme er latent, fordi den ikke hævede temperaturen, men forårsagede en ændring fra væskefase til gasfase.
Det er en eksperimentel kendsgerning, at den følbare varme, der kræves for at opnå en bestemt temperaturændring, er direkte proportional med denne ændring og med objektets masse.
Koncept og formler
Det blev observeret, at udover massen og temperaturforskellen afhænger den følelige varme også af materialet. Af denne grund kaldes proportionalitetskonstanten mellem den følelige varme og produktet af massen på grund af temperaturforskellen for specifik varme.
Mængden af tilført følbar varme afhænger også af, hvordan processen udføres. For eksempel er det forskelligt, om processen udføres ved konstant volumen versus konstant tryk.
Formlen for følsom varme i en proces isobarisk , det vil sige ved konstant tryk, er som følger:
Q = cp . m ( Tf - Ti )
I ovenstående ligning, Q er den følbare varme, der tilføres et objekt med masse m, som har en høj starttemperatur T i til slutningen af værdien af T f Desuden kan det ses i ligningen c p er den specifikke varme ved konstant tryk af det materiale, hvorpå processen udføres på denne måde.
Bemærk også, at følsom varme er positiv, når den absorberes af objektet, og forårsager en temperaturstigning.
Hvis der tilføres varme til en gas indeholdt i en stiv beholder, vil processen være isokorisk, det vil sige ved et konstant volumen; og formlen for følbar varme vil blive skrevet som følger:
Q = c v. m. ( Tf - Ti )
Den adiabatiske koefficient γ
Forholdet mellem specifik varme ved konstant tryk og specifik varme ved konstant volumen for det samme materiale eller stof kaldes adiabatisk koefficient , som normalt angives med det græske bogstav gamma γ.
O adiabatisk koefficient er større end én. Den varme, der kræves for at hæve temperaturen af et legeme med en masse på ét gram med én grad, er større i en isobar proces end i en isokorisk proces.
Dette skyldes, at noget af varmen i det første tilfælde bruges til at udføre mekanisk arbejde.
Ud over den specifikke varme defineres en krops varmekapacitet også almindeligvis. Dette er den mængde varme, der kræves for at hæve kroppens temperatur med én grad Celsius.
Varmekapacitet C
Varmekapaciteten er angivet med C stort bogstav, mens specifik varme er lille c Forholdet mellem de to størrelser er:
C = c⋅m
hvor m er kropsmasse.
Specifik molær varme bruges også, som defineres som den mængde følsom varme, der kræves for at hæve et mol stof med én 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 ℃) .
For eksempel har aluminium en specifik molær varme 24,2 J/(mol ℃) ), kobber 24,5 J/(mol ℃) , guld 25,4 J/(mol ℃) og sødt jern 25,1 J/(mol ℃) Bemærk at disse værdier er tæt på 3R = 24,9 J / (mol ℃) .
På den anden side 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 det molekyle, der udgør gassen.
For eksempel, i en ideel monatomisk gas, hvis molekyle kun har tre translationelle frihedsgrader, er den specifikke molære varme ved konstant volumen 3 (R / 2) Men hvis det er en ideel diatomisk gas, er der yderligere to rotationsgrader, så c v = 5 (R / 2) .
I en idealgas gælder følgende forhold mellem molær specifik varme ved konstant tryk og konstant volumen: C P = c v + R .
Vand fortjener særlig omtale. I flydende tilstand ved 25°C har vand c p = 4,1813 J / (g ℃) , vanddamp ved 100 grader Celsius har c p = 2,080 J / (g ℃) og vandis ved nul grader Celsius har c p = 2.050 J / (g ℃) .
Forskel med latent varme
Stof kan findes i tre tilstandsformer: fast, flydende og gasformig. Skift af tilstand kræver energi, men hvert stof reagerer forskelligt på det, afhængigt af dets molekylære og atomare egenskaber.
Når et fast stof smelter eller en væske fordamper, forbliver objektets temperatur konstant, indtil alle partiklerne skifter tilstand.
Derfor er det muligt for et stof at være i ligevægt i to faser samtidig: for eksempel fast-væske eller væske-damp. En mængde af stoffet kan omdannes fra en tilstand til en anden ved at tilføre eller fjerne varme, mens temperaturen forbliver konstant.
Varme, der tilføres et materiale, får dets partikler til at vibrere hurtigere og øge deres kinetiske energi. Dette resulterer i en stigning i temperaturen.
Det er muligt, at den energi, de erhverver, er så stor, at de ikke længere vender tilbage til deres ligevægtsposition, og at afstanden mellem dem øges. Når dette sker, stiger temperaturen ikke, men stoffet skifter fra fast til flydende eller fra flydende til gasformig.
Den varme, der kræves for at dette kan ske, kaldes kalori latente Derfor er latent varme den varme, hvormed et stof kan skifte fase.
Her er forskellen med følsom varme. Et stof, der absorberer følsom varme, øger sin temperatur og forbliver i samme tilstand.
Hvordan beregner man latent varme?
Latent varme beregnes ved hjælp af ligningen:
Q = m. L
hvor L kan være den specifikke fordampningsvarme eller smeltevarme. Enhederne for L er energi/masse.
Forskere har givet varme forskellige navne, afhængigt af den type reaktion, den deltager i. For eksempel er der reaktionsvarme, forbrændingsvarme, størkningsvarme, opløsningsvarme, sublimeringsvarme og mange andre.
Værdierne for mange af disse typer varme for forskellige stoffer er opstillet i tabeller.
Løste øvelser
Eksempel 1
Antag, at du har et stykke aluminium, der vejer 3 kg. Det er oprindeligt ved 20 °C, og du vil hæve dets temperatur til 100 °C. Beregn den nødvendige følsomme varme.
Opløsning
Først og fremmest skal vi kende aluminiums specifikke varme.
c p = 0,897 J/(g °C)
Så den mængde varme, der kræves for at opvarme aluminiumstykket, vil være
Q = c p m (Tf – Ti) = 0,897 * 3000 * (100 – 20) J
Q = 215280 J
Eksempel 2
Beregn den mængde varme, der kræves for at opvarme 1 liter vand fra 25°C til 100°C ved havets overflade. Udtryk resultatet i kilokalorier.
Opløsning
Det første man skal huske er, at 1 liter vand vejer 1 kg, det vil sige 1000 gram.
Q = c p m (Tf – Ti) = 4,1813 J / (g ℃) * 1000 g * (100 ℃ – 25 ℃) = 313597,5 J
En kalorie er en energienhed defineret som den følsomme varme, der kræves for at hæve et gram vand til én grad Celsius. Derfor er 1 kalorie lig med 4,1813 joule.
Q = 313597,5 J * (1 kcal / 4,1813 J) = 75000 kcal = 75 kcal .
Eksempel 3
Et stykke materiale på 360,16 gram opvarmes fra 37℃ til 140℃. Den tilførte varmeenergi er 1150 kalorier.
Find materialets specifikke varme.
Opløsning
Vi kan skrive den specifikke varme i henhold til den følelige varme, massen og temperaturændringen i henhold til formlen:
c p = Q / (m ΔT)
Ved at erstatte dataene får vi følgende:
c p = 1150 kcal / (360,16 g * (140 ℃ – 37 ℃)) = 0,0310 kcal / (g ℃)
Men da én kalorie er lig med 4,1813 J, kan resultatet også udtrykkes som
c p = 0,130 J / (g ℃)
Referencer
- Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med anvendelser. 6 th Red. Prentice Hall. 400-410.
- Kirkpatrick, L. 2007. Fysik: Et kig på verden. 6 ta Forkortet udgave. Cengage Learning 156-164.
- Tippens, P. 2011. Fysik: Begreber og anvendelser. 7. reviderede udgave McGraw Hill 350-368.
- Rex, A. 2011. Fysikkens grundprincipper. Pearson 309-332.
- Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med moderne fysik. 14 th Bind 1 556-553.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Fundamentals of Physics. 9 na Cengage-læring. 362-374.