TEPLO: VZORCE A JEDNOTKY, VLASTNOSTI, SPÔSOB MERANIA, PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2024

Tepla vo fyzike je definovaná ako tepelná energia prenesená vždy, keď kontaktné predmety alebo látky, ktoré sú pri rôznych teplotách. Tento prenos energie a všetky s ním súvisiace procesy sú predmetom štúdia termodynamiky, dôležitého odvetvia fyziky.

Teplo je jednou z mnohých foriem, ktoré energia nadobúda, a jednou z najznámejších. Odkiaľ pochádza? Odpoveď spočíva v atómoch a molekulách, ktoré tvoria hmotu. Tieto častice vo vnútri vecí nie sú statické. Dokážeme si ich predstaviť ako malé korálky spojené mäkkými pružinami, ktoré sa dajú ľahko zmenšovať a natahovať.

Atómy a molekuly vibrujú v látkach, ktoré sa premieňajú na vnútornú energiu. Zdroj: P. Tippens. Fyzika: Koncepty a aplikácie.

Týmto spôsobom môžu častice vibrovať a ich energia sa môže ľahko preniesť na iné častice a tiež z jedného tela na druhé.

Množstvo tepla, ktoré telo absorbuje alebo uvoľňuje, závisí od povahy látky, jej hmotnosti a rozdielu teplôt. Vypočíta sa takto:

Ak Q je množstvo prenášaného tepla, m je hmotnosť objektu, C _e je špecifické teplo látky a ΔT = _konečné T - _{počiatočné} T , to znamená teplotný rozdiel.

Rovnako ako všetky formy energie sa teplo meria v jouloch v medzinárodnom systéme (SI). Ďalšími vhodnými jednotkami sú: ergs v systéme cgs, Btu v britskom systéme a calorie, termín bežne používaný pre energetický obsah potravín.

Tepelné charakteristiky

Teplo z ohňa je prenosná energia. Zdroj: Pixabay

Nezabúdajte na niekoľko kľúčových pojmov:

- Teplo je o energii v tranzite. Predmety neobsahujú teplo, v závislosti od okolností ich uvoľňujú alebo absorbujú. Čo majú objekty, je vnútorná energia na základe ich vnútornej konfigurácie.

Táto vnútorná energia je zase zložená z kinetickej energie spojenej s vibračným pohybom a potenciálnou energiou, ktorá je typická pre molekulárnu konfiguráciu. Podľa tejto konfigurácie látka bude prenášať teplo viac alebo menej ľahko, a to sa odráža v jej špecifickom teple C _e , hodnote, ktorá bola uvedená v rovnici na výpočet Q.

- Druhým dôležitým konceptom je, že teplo sa vždy prenáša z najteplejších tiel na najchladnejšie telo. Skúsenosti naznačujú, že teplo z horúcej kávy vždy prechádza k porcelánu šálky a taniera alebo k kovovému povrchu lyžice, s ktorou sa mieša, nikdy naopak.

- Množstvo prenášaného alebo absorbovaného tepla závisí od hmotnosti príslušného tela. Pridanie rovnakého množstva kalórií alebo joulov k vzorke s hmotnosťou X sa nezohrieva rovnakým spôsobom ako ďalšia s hmotnosťou 2X.

Dôvod? Vo väčšej vzorke je viac častíc a každá z nich by dostávala v priemere iba polovicu energie menšej vzorky.

Tepelná rovnováha a šetrenie energie

Skúsenosti nám hovoria, že keď dáme do kontaktu dva objekty pri rôznych teplotách, po chvíli bude rovnaká teplota oboch. Potom možno konštatovať, že objekty alebo systémy, ako sa dajú tiež nazvať, sú v tepelnej rovnováhe.

Na druhej strane sa vzhľadom na to, ako zvýšiť vnútornú energiu izolovaného systému, dospelo k záveru, že existujú dva možné mechanizmy:

i) Zahrievanie, to znamená prenos energie z iného systému.

ii) Vykonajte na ňom nejakú mechanickú prácu.

Berúc do úvahy úsporu energie:

V rámci termodynamiky je tento princíp ochrany známy ako prvý zákon termodynamiky. Hovoríme, že systém musí byť izolovaný, pretože v opačnom prípade by bolo potrebné zvážiť iné energetické vstupy alebo výstupy v rovnováhe.

Ako sa meria teplo?

Teplo sa meria podľa účinku, ktorý vytvára. Preto je to pocit dotyku, ktorý rýchlo informuje, ako horúci alebo studený nápoj, jedlo alebo akýkoľvek predmet je. Pretože prenos alebo absorpcia tepla vedie k zmenám teploty, meranie poskytuje predstavu o tom, koľko tepla sa prenieslo.

Prístrojom používaným na meranie teploty je teplomer, zariadenie vybavené stupnicou na meranie hodnoty. Najznámejší je ortuťový teplomer, ktorý pozostáva z jemnej kapiláry ortuti, ktorá sa pri zahrievaní rozširuje.

Teplomer s stupnicou v stupňoch Celzia a Fahrenheita. Zdroj: Pixabay.

Ortuť naplnená kapilára sa potom vloží do sklenenej trubice so stupnicou a uvedie sa do kontaktu s telom, ktorého teplota sa musí merať, až kým nedosiahnu tepelnú rovnováhu a kým teplota oboch nebude rovnaká.

Čo je potrebné na vytvorenie teplomeru?

Najprv musíte mať nejakú termometrickú vlastnosť, teda tú, ktorá sa mení s teplotou.

Napríklad plyn alebo kvapalina, ako je ortuť, sa pri zahrievaní expandujú, hoci slúži aj elektrický odpor, ktorý pri prechode prúdu cez neho emituje teplo. Stručne povedané, môže sa použiť akákoľvek termometrická vlastnosť, ktorá je ľahko merateľná.

Ak je teplota t priamo úmerná termometrickej vlastnosti X, potom možno zapísať:

Kde k je konštanta proporcionality, ktorá sa má určiť, keď sa nastavia dve vhodné teploty a zmerajú sa príslušné hodnoty X. Vhodné teploty znamenajú ľahké získanie v laboratóriu.

Akonáhle párov (t ₁ , X ₁ ) a (t ₂ , X ₂ ) boli stanovené, interval medzi nimi je rozdelená na rovnaké časti, tieto budú stupňov.

Teplotné stupnice

Výber teplôt potrebných na zostavenie teplotnej stupnice sa uskutočňuje na základe kritéria, ktoré sa dajú ľahko získať v laboratóriu. Jedným z najpoužívanejších stupníc na svete je stupnica Celzia, ktorú vytvoril švédsky vedec Anders Celsius (1701-1744).

0 na stupnici Celzia je teplota, pri ktorej je ľad a kvapalná voda v rovnováhe pri tlaku 1 atmosféry, zatiaľ čo horná hranica je zvolená, keď sú kvapalná voda a vodná para rovnako rovnovážne a pri tlaku 1 atmosféra. Tento interval je rozdelený do 100 stupňov, z ktorých každý sa nazýva stupeň stupňov Celzia.

Toto nie je jediný spôsob, ako vybudovať mierku ďaleko od nej. Existujú ďalšie rôzne stupnice, napríklad stupnica Fahrenheita, v ktorej boli intervaly vybrané s inými hodnotami. A existuje Kelvinova stupnica, ktorá má iba dolnú hranicu: absolútnu nulu.

Absolútna nula zodpovedá teplote, pri ktorej sa úplne zastaví všetok pohyb častíc v látke, hoci sa síce celkom priblížil, ešte nebola schopná ochladiť žiadnu látku na absolútnu nulu.

Príklady

Každý zažije teplo na dennej báze, či už priamo alebo nepriamo. Napríklad, keď máte horúci nápoj, na poludňajšom slnku, ktorý skúma teplotu motora auta, v miestnosti plnej ľudí av nespočetných iných situáciách.

Na Zemi je teplo potrebné na udržanie životných procesov, a to tak zo Slnka, ako aj z vnútra planéty.

Podobne je klíma poháňaná zmenami tepelnej energie, ktoré sa vyskytujú v atmosfére. Slnečné teplo sa nedotýka všade rovnako, v rovníkových šírkach dosahuje viac ako pólov, takže najteplejší vzduch v trópoch stúpa a pohybuje sa na sever a na juh, aby sa dosiahla tepelná rovnováha o tom sa už hovorilo.

Týmto spôsobom sa vytvárajú vzdušné prúdy pri rôznych rýchlostiach, ktoré prenášajú oblaky a dažde. Na druhej strane náhle kolízie medzi horúcimi a studenými vzduchovými frontami spôsobujú javy, ako sú búrky, tornáda a hurikány.

Naopak, na bližšej úrovni nemusí byť teplo tak vítané ako západ slnka na pláži. Teplo spôsobuje prevádzkové problémy v motoroch automobilov a počítačových procesoroch.

Spôsobuje tiež stratu elektrickej energie vo vodivých kábloch a materiáloch, čo je dôvod, prečo je tepelné spracovanie také dôležité vo všetkých oblastiach strojárstva.

cvičenie

- Cvičenie 1

Na označení cukrovinky sa uvádza, že poskytuje 275 kalórií. Koľko energie v jouloch zodpovedá tejto cukrovinke?

Riešenie

Spočiatku bola kalória uvedená ako jednotka tepla. Jedlo obsahuje energiu, ktorá sa zvyčajne meria v týchto jednotkách, ale kalórie v potrave sú v skutočnosti kilokalórie.

Rovnocennosť je nasledovná: 1 kcal = 4186 J a dospelo sa k záveru, že cukrík má:

275 kcal x 4186 joulov / kcal = 1,15 10 ⁶ J.

- Cvičenie 2

100 g kovu sa zahreje na 100 ° C a umiestni do kalorimetra s 300 g vody pri 20 ° C. Teplota, ktorú systém získa, keď dosiahne rovnováhu, je 21,44 ° C. Žiadame vás, aby ste určili špecifické teplo kovu za predpokladu, že kalorimeter neabsorbuje teplo.

Riešenie

V tejto situácii, kov vzdá teplo, ktoré budeme nazývať Q _{vzhľadom k tomu,} a znamienko (-) je umiestnená pred tým, než na označenie straty:

Voda v kalorimetri absorbuje teplo, ktoré sa označuje ako absorbované Q:

Energia je zachovaná, z čoho vyplýva, že:

Z výpisu môžete vypočítať ΔT:

Dôležité: 1 ° C má rovnakú veľkosť ako 1 kelvin. Rozdiel medzi týmito dvomi mierkami je v tom, že Kelvinova stupnica je absolútna (stupne Kelvina sú vždy kladné).

Merné teplo vody pri 20 ° C je 4186 J / kg. K a týmto absorbované teplo sa dá vypočítať:

Na záver možno povedať, že špecifické teplo kovu sa vyčistí:

Referencie

1. Bauer, W. 2011. Fyzika pre techniku ​​a vedu. Zväzok 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Prístup podľa kompetencií. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fyzika: Pohľad na svet. 6 ^ta Editácia skrátená. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Fyzika pre vedcov a techniku: strategický prístup. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fyzika: Koncepty a aplikácie. 7. vydanie. Mcgraw Hill